车身概念设计系统的开发及关键技术
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针对以上情况， 开发了一种车身结构概念设计 系统，着重阐述了所使用的关键技术，并应用该系统 对某款车进行了分析对比， 其设计周期由原来的 3 个月缩短到 2 周， 大大提高了车身结构概念设计的 效率。
2 车身结构概念设计系统特点及设计流程
车身结构概念设计系统以 CAE 为核心， 在 UG NX 平台上利用 UG 提供的各种二次开发工具进行
UG/spreadsheet 接口
梁 截 面 库
板 单 元 库
梁 单 元 库
尺 寸 …… 参 数 库
分析结果报表
图 1 车身结构概念设计系统框图
3 车身概念设计系统的关键技术及其应用
针对这 4 个模块的技术特点和实现手段， 本系 统 主 要 采 用 了 以 下 技 术: UI Wizard 技 术 设 计 向 导 式 界 面 ；spreadsheat 电 子 表 格 技 术 建 立 数 据 库 ； knowledge fusion 语言设计车身模板。 3.1 设计向导式界面（Wizard UI）
图 8 2 阶模态 表 1 概念设计与详细设计对比结果
参数
百度文库
详细模型
概念模型
弯 曲 刚 度 /N·mm-1
26417
30216
扭 转 刚 度 /N·m·（°）-1
7806
9521
1 阶模态（左右摇摆）/Hz
25.1
20.5
2 阶模态（整体扭转）/Hz
36.2
31.1
质 量 /kg
238.83
226.17
EXCEL 中对车身设计数据的操作主要分为： a. 读取 EXCEL 中的数据。 这些数据包括两部 分，一部分是 CAD 信息，如板的长度、宽度、硬点的 位 置 等 ；另 一 部 分 是 CAE 信 息 ，如 板 的 厚 度 、材 料 等。 b. 根 据 这 些 数 据 利 用 UG/OPEN API 提 供 的 函数驱动模型实现相关操作。 c. 用户在操作界面上修改参数， 系统会根据 修改后的参数自动更新模型。 d. 系统自动记录界面上 修 改 过 的 参 数 信 息 ， 并及时更新到 EXCEL 中。
图 6 扭转刚度位移云图
图 7 1 阶模态 2009 年 第 11 期
位移/mm
2.012×10-1 1.848×10-1 1.683×10-1 1.519×10-1 1.354×10-1 1.190×10-1 1.026×10-1 8.614×10-2 6.970×10-2 5.326×10-2 3.682×10-2 2.039×10-2 3.950×10-3
用户向导界面
几 何 建 模 模 块
有 限 元 模 型 生 成 模 块
求 解 与 后 处 理 模 块
优 化 模 块
导航区
工作区
图 2 Wizard UI 操作界面
3.2 知识熔接技术（Knowledge fusion） 本系统采用 KF 语 言 建 立 参 数 化 的 车 身 模 板 。
KF 是 UG 提 供 的 一 种 参 数 化 技 术 , 它 通 过 集 成 KBE 技术到 UG 系统中, 使 UG 可以利用工程知识 和工程演算规则向用户提供强大的产品设计应用系 统。 这种参数化技术包含了很多命令实现几何对象 的建立及修改，它的应用大大缩短了设计周期。 图 3 是利用 KF 技术创建的两厢车模板，它采用了 KF 命 令中的 nx_point 命令创建车身关键点，nx_line 命令 创建代表 A、B、C 柱等梁结构的线，nx_swept 命令扫 略地板、 顶盖等面。 利用此模板可快速生成不同结 构的车身几何模型。
转刚度和自由模态。 图 5 所示为弯曲刚度的位移云 图，图 6 为扭转刚度的位移云图。 对于模态而言，由 于概念模型中去掉了一些细节，比如加强筋、凸台， 所以为了避免局部模态的产生， 在进行模态分析时 只考虑梁结构，图 7 和图 8 为该车的振型图，表 1 为 概念设计与详细设计的对比结果。
位移/mm
图 5 弯曲刚度位移云图
位移/mm
2.456 2.065 1.673 1.282 8.900×10-1 4.984×10-1 1.068×10-1 -2.848×10-1 -6.764×10-1 -1.068 -1.460 -1.851 -2.243
位移/mm
2.014×10-1 1.849×10-1 1.684×10-1 1.518×10-1 1.353×10-1 1.188×10-1 1.023×10-1 8.576×10-2 6.924×10-2 5.272×10-2 3.620×10-2 1.968×10-2 3.163×10-3
b. 有限元模型生成模块: 利用 UG OPEN/API
* 国家自然科学基金项目（编号：10802018），高等学校博士学科点专项科研基金（200801411124）和一汽集团科技创新项目（0838）资助。
2009 年 第 11 期
— 17 —
·设计·计算·研究· 提供的函数对车身 CAD 模型进行有限元操作，比如 划分网格、加载荷约束、赋截面、选取材料等。
c. 完全采用参数化技术进行设计， 用户只需 在数据库或操作界面中改变参数即可完成设计，大 大提高了设计效率。
d. 由于采用了参数化技术， 所有的设计数据 都能存储在数据库中，方便了数据管理。
根据车身结构概念设计的任务特点， 本系统分 为 4 个模块：
a. 几何建模模块:利用 UG 提供的知识熔接技 术（knowledge fusion）建立车身模 板 ，并 根 据 车 身 外 表面模型以及相应的结构尺寸, 使模板快速逼近车 身外表面模型，创建出符合要求的车身 CAD 模型。
Technology; 3. Dalian University of Technology） 【Abstract】Characteristic of a brand new body structure concept design system and design flow are introduced in the paper, key techniques applied in the system are outlined, e.g. designing wizard user interface, knowledge welding technology, Excel technology, etc..Stiffness and modal analysis of a car is made with this system. It is concluded from comparison with detailed design results that the result basically meets the concept design requirement. After optimization of the car with the system, validity and reliability of the design system are verified.
本 系 统 借 助 UG 提 供 的 UIStyler 及 MenuScript 语言，实现了完全基于 Windows 平台的交互性非常 好的向导式界面(Wizard UI)。 该界面最大的优点在 于能把一个非常复杂的操作分解成多个简单的操 作，引导用户按一定的顺序一步一步去实现整个设 计 过 程 。 图 2 为 本 系 统 设 计 过 程 中 的 一 个 Wizard UI 操作界面，整个界面分为左右两部分，左侧为导 航区，右侧为工作区，用户只需按照提示信息在工 作区内进行操作便可快速完成整个设计过程。
4 应用实例
以某厂一款轿车为例，利用此系统，根据一个已
汽车技术
·设计·计算·研究· 经建立的两厢车模板， 快速生成与此款轿车结构相 近的 CAD 模型， 并根据设计参数生成 CAE 模型进 行分析，具体如图 4 所示。此模型共有 6843 个单元， 5358 个节点。
图 4 系统生成的有限元模型 施加与详细模型相同的工况计算弯曲刚度、扭
主题词：车身 概念设计系统 二次开发 中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2009）11－0017－03
Development and Key Techniques of Automotive Body Concept Design System
Chi Ruifeng1，Hu Ping2，Hou Wenbin3 （1. Jilin University; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of
c. 求解与后处理模块: 通过 UG 提供的 NASTRAN 求解器进行求解， 存储模型的各种参数及分 析结果、图表，并利用 XML 语言以报表的形式输出。
d. 优化模块: 对求得的结果进行优化，从而得 到车身刚度、模态、质量等参数的最优解。
图 1 为车身结构概念设计系统框图， 上述 4 个 模块所需要的所有参数都存储在 EXCEL 中，UG 的 Spreadsheet 技术提供了 EXCEL 与 UG 的接口，实现 了数据传递， 通过 EXCEL 的数据生成最终的结果 报表。
·设计·计算·研究·
车身概念设计系统的开发及关键技术 *
迟瑞丰 1 胡 平 2 侯文彬 3
（1.吉林大学；2.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室；3.大连理工大学）
【摘要】介 绍 了 一 种 全 新 的 车 身 结 构 概 念 设 计 系 统 的 特 点 以 及 设 计 流 程 ，阐 述 了 该 系 统 采 用 的 关 键 技 术 ，如 设 计 向导用户界面、知识熔接技术、电子表格技术等。 利用该系统对某款轿车进行了刚度与模态分析，通过与详细设计结 果的对比可知，结果基本符合概念设计要求。 利用该系统对该轿车进行了优化，证明了系统的有效性及可靠性。
对比结果可知， 通过本系统所得到的弯曲刚度 与扭转刚度值都略大于详细设计结果，其中，弯曲刚 度与详细设计的误差为 14.3%,扭转刚度与详细设计 的误差为 22.0%，1 阶模态的误差为 18.1%，2 阶模态 的误差为 14.0%，即结果误差都在 30%的范围内，符 合概念设计对精度的要求。 车身质量与详细模型的 质量基本相符，误差仅为 5.3%。
Key words： Vehicle body,Concept design system,Secondary development
1 前言
在现代汽车车身概念设计阶段, 首先要实现对 不同设计方案所需分析模型的快速构造和对尺寸的 编辑修改, 其次是快速实现多个方案的性能比较和 结构优化设计[1]。 在传统的设计方法中，设计方案的 确定需要工程师手工建立 CAD 及 CAE 模型。 建模 过 程 非 常 复 杂 ， 往 往 需 要 很 长 时 间 [2]， 而 且 手 工 建 模 过程中的数据不能进行有效管理， 设计参数不能方 便地被以后的设计所利用。
开发，它具有以下几个特点： a. 实 现 了 CAD 设 计 与 CAE 分 析 的 一 体 化 ，
使设计与分析在同一平台上进行， 避免了因使用多 种软件进行设计分析而带来的不便。
b. 根据车身结构设计的特点总结规律， 按设 计要求及特点设置不同的模块及操作界面， 简化了 设计过程，降低了设计难度。
9.243×10-2 1.942×10-2 -5.359×10-2 -1.266×10-1 -1.996×10-1 -2.726×10-1 -3.456×10-1 -4.186×10-1 -4.916×10-1 -5.646×10-1 -6.376×10-1 -7.106×10-1 -7.836×10-1
— 18 —
图 3 车身模板
3.3 电子表格技术（Spreadsheet） UG 的 电 子 表 格 （Spreadsheet） 技 术 提 供 了
EXCEL 与 UG 间的智能接口及函数，这些函数可以 直接对 EXCEL 的数据进行各种操作， 其中包括对 数据的读写、建立工作表以及制作图表等操作。
2 车身结构概念设计系统特点及设计流程
车身结构概念设计系统以 CAE 为核心， 在 UG NX 平台上利用 UG 提供的各种二次开发工具进行
UG/spreadsheet 接口
梁 截 面 库
板 单 元 库
梁 单 元 库
尺 寸 …… 参 数 库
分析结果报表
图 1 车身结构概念设计系统框图
3 车身概念设计系统的关键技术及其应用
针对这 4 个模块的技术特点和实现手段， 本系 统 主 要 采 用 了 以 下 技 术: UI Wizard 技 术 设 计 向 导 式 界 面 ；spreadsheat 电 子 表 格 技 术 建 立 数 据 库 ； knowledge fusion 语言设计车身模板。 3.1 设计向导式界面（Wizard UI）
图 8 2 阶模态 表 1 概念设计与详细设计对比结果
参数
百度文库
详细模型
概念模型
弯 曲 刚 度 /N·mm-1
26417
30216
扭 转 刚 度 /N·m·（°）-1
7806
9521
1 阶模态（左右摇摆）/Hz
25.1
20.5
2 阶模态（整体扭转）/Hz
36.2
31.1
质 量 /kg
238.83
226.17
EXCEL 中对车身设计数据的操作主要分为： a. 读取 EXCEL 中的数据。 这些数据包括两部 分，一部分是 CAD 信息，如板的长度、宽度、硬点的 位 置 等 ；另 一 部 分 是 CAE 信 息 ，如 板 的 厚 度 、材 料 等。 b. 根 据 这 些 数 据 利 用 UG/OPEN API 提 供 的 函数驱动模型实现相关操作。 c. 用户在操作界面上修改参数， 系统会根据 修改后的参数自动更新模型。 d. 系统自动记录界面上 修 改 过 的 参 数 信 息 ， 并及时更新到 EXCEL 中。
图 6 扭转刚度位移云图
图 7 1 阶模态 2009 年 第 11 期
位移/mm
2.012×10-1 1.848×10-1 1.683×10-1 1.519×10-1 1.354×10-1 1.190×10-1 1.026×10-1 8.614×10-2 6.970×10-2 5.326×10-2 3.682×10-2 2.039×10-2 3.950×10-3
用户向导界面
几 何 建 模 模 块
有 限 元 模 型 生 成 模 块
求 解 与 后 处 理 模 块
优 化 模 块
导航区
工作区
图 2 Wizard UI 操作界面
3.2 知识熔接技术（Knowledge fusion） 本系统采用 KF 语 言 建 立 参 数 化 的 车 身 模 板 。
KF 是 UG 提 供 的 一 种 参 数 化 技 术 , 它 通 过 集 成 KBE 技术到 UG 系统中, 使 UG 可以利用工程知识 和工程演算规则向用户提供强大的产品设计应用系 统。 这种参数化技术包含了很多命令实现几何对象 的建立及修改，它的应用大大缩短了设计周期。 图 3 是利用 KF 技术创建的两厢车模板，它采用了 KF 命 令中的 nx_point 命令创建车身关键点，nx_line 命令 创建代表 A、B、C 柱等梁结构的线，nx_swept 命令扫 略地板、 顶盖等面。 利用此模板可快速生成不同结 构的车身几何模型。
转刚度和自由模态。 图 5 所示为弯曲刚度的位移云 图，图 6 为扭转刚度的位移云图。 对于模态而言，由 于概念模型中去掉了一些细节，比如加强筋、凸台， 所以为了避免局部模态的产生， 在进行模态分析时 只考虑梁结构，图 7 和图 8 为该车的振型图，表 1 为 概念设计与详细设计的对比结果。
位移/mm
图 5 弯曲刚度位移云图
位移/mm
2.456 2.065 1.673 1.282 8.900×10-1 4.984×10-1 1.068×10-1 -2.848×10-1 -6.764×10-1 -1.068 -1.460 -1.851 -2.243
位移/mm
2.014×10-1 1.849×10-1 1.684×10-1 1.518×10-1 1.353×10-1 1.188×10-1 1.023×10-1 8.576×10-2 6.924×10-2 5.272×10-2 3.620×10-2 1.968×10-2 3.163×10-3
b. 有限元模型生成模块: 利用 UG OPEN/API
* 国家自然科学基金项目（编号：10802018），高等学校博士学科点专项科研基金（200801411124）和一汽集团科技创新项目（0838）资助。
2009 年 第 11 期
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·设计·计算·研究· 提供的函数对车身 CAD 模型进行有限元操作，比如 划分网格、加载荷约束、赋截面、选取材料等。
c. 完全采用参数化技术进行设计， 用户只需 在数据库或操作界面中改变参数即可完成设计，大 大提高了设计效率。
d. 由于采用了参数化技术， 所有的设计数据 都能存储在数据库中，方便了数据管理。
根据车身结构概念设计的任务特点， 本系统分 为 4 个模块：
a. 几何建模模块:利用 UG 提供的知识熔接技 术（knowledge fusion）建立车身模 板 ，并 根 据 车 身 外 表面模型以及相应的结构尺寸, 使模板快速逼近车 身外表面模型，创建出符合要求的车身 CAD 模型。
Technology; 3. Dalian University of Technology） 【Abstract】Characteristic of a brand new body structure concept design system and design flow are introduced in the paper, key techniques applied in the system are outlined, e.g. designing wizard user interface, knowledge welding technology, Excel technology, etc..Stiffness and modal analysis of a car is made with this system. It is concluded from comparison with detailed design results that the result basically meets the concept design requirement. After optimization of the car with the system, validity and reliability of the design system are verified.
本 系 统 借 助 UG 提 供 的 UIStyler 及 MenuScript 语言，实现了完全基于 Windows 平台的交互性非常 好的向导式界面(Wizard UI)。 该界面最大的优点在 于能把一个非常复杂的操作分解成多个简单的操 作，引导用户按一定的顺序一步一步去实现整个设 计 过 程 。 图 2 为 本 系 统 设 计 过 程 中 的 一 个 Wizard UI 操作界面，整个界面分为左右两部分，左侧为导 航区，右侧为工作区，用户只需按照提示信息在工 作区内进行操作便可快速完成整个设计过程。
4 应用实例
以某厂一款轿车为例，利用此系统，根据一个已
汽车技术
·设计·计算·研究· 经建立的两厢车模板， 快速生成与此款轿车结构相 近的 CAD 模型， 并根据设计参数生成 CAE 模型进 行分析，具体如图 4 所示。此模型共有 6843 个单元， 5358 个节点。
图 4 系统生成的有限元模型 施加与详细模型相同的工况计算弯曲刚度、扭
主题词：车身 概念设计系统 二次开发 中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2009）11－0017－03
Development and Key Techniques of Automotive Body Concept Design System
Chi Ruifeng1，Hu Ping2，Hou Wenbin3 （1. Jilin University; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of
c. 求解与后处理模块: 通过 UG 提供的 NASTRAN 求解器进行求解， 存储模型的各种参数及分 析结果、图表，并利用 XML 语言以报表的形式输出。
d. 优化模块: 对求得的结果进行优化，从而得 到车身刚度、模态、质量等参数的最优解。
图 1 为车身结构概念设计系统框图， 上述 4 个 模块所需要的所有参数都存储在 EXCEL 中，UG 的 Spreadsheet 技术提供了 EXCEL 与 UG 的接口，实现 了数据传递， 通过 EXCEL 的数据生成最终的结果 报表。
·设计·计算·研究·
车身概念设计系统的开发及关键技术 *
迟瑞丰 1 胡 平 2 侯文彬 3
（1.吉林大学；2.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室；3.大连理工大学）
【摘要】介 绍 了 一 种 全 新 的 车 身 结 构 概 念 设 计 系 统 的 特 点 以 及 设 计 流 程 ，阐 述 了 该 系 统 采 用 的 关 键 技 术 ，如 设 计 向导用户界面、知识熔接技术、电子表格技术等。 利用该系统对某款轿车进行了刚度与模态分析，通过与详细设计结 果的对比可知，结果基本符合概念设计要求。 利用该系统对该轿车进行了优化，证明了系统的有效性及可靠性。
对比结果可知， 通过本系统所得到的弯曲刚度 与扭转刚度值都略大于详细设计结果，其中，弯曲刚 度与详细设计的误差为 14.3%,扭转刚度与详细设计 的误差为 22.0%，1 阶模态的误差为 18.1%，2 阶模态 的误差为 14.0%，即结果误差都在 30%的范围内，符 合概念设计对精度的要求。 车身质量与详细模型的 质量基本相符，误差仅为 5.3%。
Key words： Vehicle body,Concept design system,Secondary development
1 前言
在现代汽车车身概念设计阶段, 首先要实现对 不同设计方案所需分析模型的快速构造和对尺寸的 编辑修改, 其次是快速实现多个方案的性能比较和 结构优化设计[1]。 在传统的设计方法中，设计方案的 确定需要工程师手工建立 CAD 及 CAE 模型。 建模 过 程 非 常 复 杂 ， 往 往 需 要 很 长 时 间 [2]， 而 且 手 工 建 模 过程中的数据不能进行有效管理， 设计参数不能方 便地被以后的设计所利用。
开发，它具有以下几个特点： a. 实 现 了 CAD 设 计 与 CAE 分 析 的 一 体 化 ，
使设计与分析在同一平台上进行， 避免了因使用多 种软件进行设计分析而带来的不便。
b. 根据车身结构设计的特点总结规律， 按设 计要求及特点设置不同的模块及操作界面， 简化了 设计过程，降低了设计难度。
9.243×10-2 1.942×10-2 -5.359×10-2 -1.266×10-1 -1.996×10-1 -2.726×10-1 -3.456×10-1 -4.186×10-1 -4.916×10-1 -5.646×10-1 -6.376×10-1 -7.106×10-1 -7.836×10-1
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图 3 车身模板
3.3 电子表格技术（Spreadsheet） UG 的 电 子 表 格 （Spreadsheet） 技 术 提 供 了
EXCEL 与 UG 间的智能接口及函数，这些函数可以 直接对 EXCEL 的数据进行各种操作， 其中包括对 数据的读写、建立工作表以及制作图表等操作。