摘要 摘要 隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車的性能要求也越來越高。汽 車懸架是影響汽車性能的重要部件之一，懸架性能的好壞直接影響著汽車行駛的 平順性和操縱穩(wěn)定性，懸架的性能取決于懸架的開發(fā)設(shè)計水平，傳統(tǒng)的設(shè)計方法 周期長、成本高。利用電子樣機技術(shù)對汽車懸架進(jìn)行動態(tài)仿真分析是一種有效的 方法。 本文首先對汽車的不等臂式雙橫臂獨立懸架的運動特點進(jìn)行了分析，針對汽 車的不等臂式雙橫臂獨立懸架的運動特點及結(jié)構(gòu)組成，制定了建立汽車懸架的簡 化建模的方案，應(yīng)用c a t i a 軟件的p a r td e s i g n 模塊，建立了汽車懸架的三維立體 簡化模型。在此基礎(chǔ)之上，通過對樣機模型施加合理的運動副和驅(qū)動命令，建立 了簡化的運動學(xué)仿真模型；應(yīng)用電子樣機模塊對懸架的運動學(xué)模型進(jìn)行了動態(tài)仿 真分析，創(chuàng)建了懸架關(guān)鍵零部件的包絡(luò)體；并且對整車懸架樣機模型進(jìn)行了靜態(tài) 干涉分析并實現(xiàn)了部件的優(yōu)化。 本文基于軟件c a t i a 的電子樣機模塊d m n 創(chuàng)建的汽車懸架動態(tài)仿真分析過 程，能夠較好地仿真汽車懸架的運動狀態(tài)，可以使人較形象的了解懸架的運動過 程。在分析懸架動態(tài)干涉時創(chuàng)建的汽車輪胎包絡(luò)體，為下一步汽車輪罩的裝配設(shè) 計提供了參考和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：懸架電子樣機技術(shù)虛擬設(shè)計虛擬裝配 2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h eh n p m v e m e n to ft h el i f e ，p e o p l e s d e m a n df o rr i d ep e r f o r m a n c ei si n c r e a s i n g a u t o m o t i v es u s p e n s i o ni so n eo ft h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t se f f e c t i n ga u t o m o t i v ep e r f o r m a n c e ，a n da u t o m o t i v es u s p e n s i o n p e r f o r m a n c e so i r e c o yd e t e r m i n et h er i d ec o m f o r ta n dt h es t a b i l i t y s u s p e n s i o n p e r f o r m a n c e sr e l a t et ot h er & dd e s i g nf o rs u s p e n s i o nn e a r l y t h ep e r i o d so f c o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o di s l o n g ，a n dt h e c o s ti s h i g h ，h o w e v e rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n tt h r o u g he l e c t r o n i cp m t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sae f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v e t h es t a t ea tp r e s e n t t h ep a p e ra tf i r s t i n v e s t i g a t e sp a r t i c u l a r l ym o v e m e n tt r a i t o fi n d e p e n d e n c e a u t o m o t i v es u s p e n s i o n ，t h e nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r ei te s t a b l i s h e st e r s e m o d e lp r o j e c ta b o u ta u t o m o t i v e s u s p e n s i o n w i t h p a r td e s i g nm o d e lo fc a t i a s o f t w a r e ，i td e s i g n ss i m p l i f i l yt h ea u t o m o t i v es u s p e n s i o na n de s t a b l i s h e s3 - dm o d e l ， a n ds e t su pk i n e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l u s et h em o d u l eo fe l e c t r o n i cp r o t o t y p eo fa m a c h i n et o c a l r yo nd y n a m i ce m u l a t i o na n a l y s i st ot h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h e s u s p e n s i o n ，h a v ee s t a b l i s h e dt h en e tb o d yo ft h es u s p e n s i o nk e yp a r t s t h es t a t i c i n t e r f e r ea n a l y s i so ft h ew h o l ec a l s u s p e n s i o nm o d e lh a sb e e nd o n et oo p t i m i z et h e p a r t s t h i sp a p e rb a s e do ns o f t w a r ec a t i ae l e c t r o n i cp r o t o t y p eo fam a c h i n em o d u l e d m ne s t a b l i s h e dt h es u s p e n s i o nd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sp r o c e s s ，c a ns i m u l a t et h e a u t o m o b i l es u s p e n s i o nm o t i o ns t a t ew e l l ，a n dt h em o v e m e n tp r o c e s so ft h es u s p e n s i o n t h ea u t o m o b i l et h en e tb o d yt h a te s t a b l i s h e dw h i l ea n a l y z i n gt h ed y n a m i ci n t e r f e r eo f s u s p e n s i o n ，h a so f f e r e dr e f e r e n c ea n db a s i sf o rt h ea s s e m b l ya n dd e s i g no ft h e a u t o m o b i l ew h e e lc o v e r si nn e x ts t e p k e y w o r d s ：s u s p e n s i o n ；e l e c t r o n i cp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；v i r t u a ld e s i g n ；v i r t u a l a s s e m b l a g e 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論 文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 、一p 擴(kuò) 學(xué)位論文作者簽名：土敝笱 e t 期：如卉年6 月6 e t 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通學(xué)院可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：主敏著 日期：如一年6 月6 日 指導(dǎo)教師簽名：歹陸叼 - ，一 日期：腫z 月日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 本論文的研究背景和研究意義 自從計算機技術(shù)應(yīng)用到機械行業(yè)中來以后，每一項計算機軟件的開發(fā)和改善， 無一不推動著機械行業(yè)在深度和廣度上的迅速提高，同時社會生產(chǎn)力也得到了不 同程度的發(fā)展。相應(yīng)的，計算機軟件在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，也使的汽車行業(yè)在產(chǎn) 品開發(fā)，生產(chǎn)手段等方面得到了日新月異的改進(jìn)。汽車懸架產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計是從 傳統(tǒng)的手工制圖向c a d 建模方向發(fā)展，汽車懸架的產(chǎn)品開發(fā)過程是從概念一設(shè)計 一試制一修正這樣一個循環(huán)往復(fù)的繁瑣過程向生動逼真的電子樣機技術(shù)發(fā)展的。 按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，只能在汽車懸架產(chǎn)品設(shè)計的最后階段，甚至是等樣車生產(chǎn) 出來之后，才能發(fā)現(xiàn)汽車懸架的運動是否合乎設(shè)計者和客戶的實際要求，然后再 進(jìn)行改進(jìn)。這樣一來，不可避免地會造成不必要的人力、物力、財力的巨大浪費。 在科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的今天，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是決定產(chǎn)品生存淘汰的決定性 因素。怎樣才能在劇烈的競爭中立于不敗之地，產(chǎn)品開發(fā)周期的長短是個關(guān)鍵。 現(xiàn)在的汽車懸架產(chǎn)品品種多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用面廣。汽車在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中作用 巨大，并且在交通運輸中也占有很大一部分市場份額；隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 和公路建設(shè)的不斷提高，這種發(fā)展趨勢將會越來越快。當(dāng)然，廣大用戶對汽車的 性能要求和對汽車的外形設(shè)計將會越來越高。因此在汽車懸架的設(shè)計上、制造上 需要采用更加先進(jìn)的計算機輔助設(shè)計軟件才能提高懸架的性能，才會在激烈的市 場競爭中立于不敗之地【1 】。由于當(dāng)今市場競爭日益激烈與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的加快，使 得產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)含量與復(fù)雜程度日益增加，同時也由于產(chǎn)品的生命周期不斷地 縮短，因此，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期、提高新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)水平、降低新產(chǎn)品 開發(fā)的成本，并保證上市后產(chǎn)品的上市周期，是當(dāng)前新產(chǎn)品開發(fā)面臨的需要解決 的重要問題。 汽車機械系統(tǒng)中存在著各種各樣復(fù)雜的運動機構(gòu)【2 】，其中汽車懸架系統(tǒng)作為影 響汽車性能的重要部件，它既是汽車的運動部件，也是汽車的重要總成之一，其 參數(shù)的選取和各元件的布置對汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過性及燃料經(jīng)濟(jì)性 等多種使用性能都有重要的影響。如何對其進(jìn)行虛擬的運動創(chuàng)建、仿真及檢驗是 現(xiàn)在懸架設(shè)計的重點和難點。在c 舸a 軟件的電子樣機d m u 模塊下就可以將這變 為現(xiàn)實；在這一模塊下，使產(chǎn)品試制之前就可以在計算機上試裝，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計 過程中產(chǎn)生的各系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)或動態(tài)干涉，進(jìn)行行駛系、轉(zhuǎn)向系、 傳動系的動力總成及相應(yīng)雯部佳性能以及操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、制動穩(wěn)定性 第一章緒論 2 等整車性能的仿真試驗，此外，還可以能夠用于電子樣車、裝配工藝分析、產(chǎn)品 展示等。由于轎車的使用性能要求較高，并且具有較為復(fù)雜多變的運動工況。如 果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法對懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，很難將一些設(shè)計中潛在的問題解決， 而采用電子樣機技術(shù)，就可以實現(xiàn)對懸架系統(tǒng)的預(yù)先設(shè)計進(jìn)行準(zhǔn)確的分析校核， 從而進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)是否存在干涉問題。運用c a t i a 軟件的電子樣機空間分析模塊 就可以實現(xiàn)對懸架系統(tǒng)的三維的動態(tài)干涉分析，我們可以充分發(fā)揮三維模型直觀、 準(zhǔn)確、快速的優(yōu)勢。在c a t i a 軟件的d 刪模塊中，可以獲得運動部件的包絡(luò)體， 即運動部件的最大運動范圍。形成懸架上下擺臂運動的包絡(luò)體后，可以測量其與 周圍部件的間隙，分析是否符合要求及干涉。o l m t 1 的干涉分析功能主要適用于對裝 配模型進(jìn)行碰撞、接觸分析和間隙分析，并判斷元件之間的干涉程度。根據(jù)需要， 還可以進(jìn)行不同水平的干涉分析，可以從簡單的干涉探測到詳細(xì)的碰撞、接觸和 間隙分析。 本論文就是充分發(fā)揮了三維軟件的電子樣機功能，在軟件c a t i a 的機械設(shè)計 中的裝配平臺上導(dǎo)入并創(chuàng)建了汽車懸架的運動機構(gòu)模型，也就是需要仿真的樣機。 然后在空間分析模塊下，對創(chuàng)建樣機進(jìn)行了干涉分析，進(jìn)一步驗證了機構(gòu)的合理 性，并對實踐上不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)。在本論文中，就是利用c a a 的這一功 能對汽車懸架進(jìn)行運動仿真和干涉分析的。 電子樣機技術(shù)作為一項新興的計算機軟件技術(shù)，在汽車行業(yè)上的運用越來越 受到該行業(yè)人士的重視。電子樣機技術(shù)的運用是縮短車輛研發(fā)周期，降低開發(fā)成 本，提高產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量的一種重要手段。電子樣機技術(shù)是利用系統(tǒng)仿真的 概念，從傳統(tǒng)的設(shè)計一試驗一改進(jìn)設(shè)計到再試驗一再設(shè)計的設(shè)計理念轉(zhuǎn)化成設(shè)計 仿真一試驗的設(shè)計思想。因為電子樣機技術(shù)可以部分的代替樣機進(jìn)行動態(tài)仿真 分析，所以這項技術(shù)的應(yīng)用可以使的一些主要問題在概念產(chǎn)品的初級階段就可以 很好的得到解決。電子樣機技術(shù)的應(yīng)用能把工程設(shè)計人員從繁重的設(shè)計試制中解 放出來，從而設(shè)計人員可以將主要精力應(yīng)用到具有創(chuàng)造性的工作中來?？偟恼f來， 應(yīng)用電子樣機技術(shù)建立的動畫模型仿真改善了設(shè)計人員的工作狀況，減少了產(chǎn)品 的研究開發(fā)周期，提高了技術(shù)人員的工作效率，降低了產(chǎn)品的工作成本，并且， 還可以很好地向客戶展現(xiàn)產(chǎn)品樣本。c a t i a 軟件中的模塊d m u ( d i g i t a lm o c k u p ) 通過自動化的命令和可視化的文件，使用戶可以大大提高工作效率。借助于其他 電子樣機產(chǎn)品的集成，使技術(shù)人員對樣機的審核及仿真成為可能閉。 本文對電子樣機技術(shù)在汽車懸架仿真分析上的實際應(yīng)用作出了探索，在分析 懸架運動時應(yīng)用了一種新的方法 4 1 。電子樣機技術(shù)這一方法在汽車懸架動態(tài)仿真中 的應(yīng)用，對汽車工業(yè)技術(shù)水平的提高和降低汽車研發(fā)成本、提高企業(yè)在競爭中的 第一章緒論 3 地位具有重要的理論和實際的意義嗍。 1 2 汽車懸架動態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 完美是人類永恒的追求，人類為了乘坐舒適，在汽車上加有了懸架。1 7 7 6 年 馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到2 0 世紀(jì)3 0 年代，葉片彈簧才逐 漸被螺旋彈簧所代替，汽車出現(xiàn)后，隨著對懸架深入的研究，相繼出現(xiàn)了扭桿彈 簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性元件。1 9 3 4 年世界上出現(xiàn)了第一個有 螺旋彈簧組成的被動懸架 6 1 。被動懸架的參數(shù)經(jīng)過經(jīng)驗或者優(yōu)化設(shè)計來取定，各參 數(shù)在行使過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜的路況， 減震的效果較差，為了克服這種缺陷，產(chǎn)生了非線性剛度彈簧。被動懸架是傳統(tǒng) 的機械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機振動理論，過去只能保證在良 好的的路面下才能夠較好的行使。但是它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成 本相對低廉且不需要額外能量，因而應(yīng)用非常廣泛r 7 】。 近年來，隨著懸架產(chǎn)品復(fù)雜性的不斷增長，以及企業(yè)間競爭的日趨激烈，傳 統(tǒng)的懸架產(chǎn)品設(shè)計方法已經(jīng)很難滿足企業(yè)當(dāng)前生存和發(fā)展的需要。為了能在競爭 中處于有利位置，實現(xiàn)懸架產(chǎn)品的動態(tài)仿真分析勢在必行。懸架產(chǎn)品仿真分析過 程本質(zhì)上是一個對信息進(jìn)行采集、傳遞、加工處理的過程，其中包含了兩種重要 的活動：懸架樣機動態(tài)仿真活動和仿真后的優(yōu)化活動。因此懸架產(chǎn)品運動分析也 可以看作是一個懸架樣機仿真活動和樣機優(yōu)化活動彼此交織相互作用的過程。仿 真分析活動推動信息流程向前演進(jìn)，而樣機仿真分析則是驗證仿真結(jié)果的重要手 段，二者關(guān)系密不可分。隨著技術(shù)的發(fā)展，懸架樣機仿真的重要性正在不斷加強。 到目前為止懸架電子樣機仿真技術(shù)的發(fā)展歷程可以大體上劃分為以下三個階段。 ( 1 ) c a x 工具的廣泛應(yīng)用。自2 0 世紀(jì)5 0 年代開始，各種c a d c a m 工具開始 出現(xiàn)并逐步應(yīng)用到制造業(yè)中。這些工具的應(yīng)用表明懸架制造業(yè)已經(jīng)開始利用現(xiàn)代 信息技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的懸架產(chǎn)品設(shè)計過程，標(biāo)志著數(shù)字化設(shè)計的開始。 ( 2 ) 并行工程思想的提出與推行。2 0 世紀(jì)8 0 年代后期提出的并行工程是一種 新的指導(dǎo)懸架產(chǎn)品開發(fā)的思路，是在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，對傳統(tǒng)的懸架產(chǎn)品 開發(fā)方式的根本性改進(jìn)。p d m ( 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理) 技術(shù)及d f x 如( d f m 、d f a 等) 技術(shù)是并行工程思想在懸架產(chǎn)品設(shè)計階段的具體體現(xiàn)。 ( 3 ) 電子樣機技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真在懸架產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用 變得越來越廣泛而深刻，由原先的局部應(yīng)用( 單領(lǐng)域、單點) 逐步擴(kuò)展到系統(tǒng)應(yīng) 用( 多領(lǐng)域、全生命周期) ，懸架電子樣機技術(shù)正是這一發(fā)展趨勢的典型代表。懸 架電子樣機技術(shù)是一種基于電子樣機的數(shù)字化設(shè)計方法，是各領(lǐng)域c a x d f x 技術(shù) 第一章緒論 4 的發(fā)展和延伸。懸架電子樣機技術(shù)進(jìn)一步融合先進(jìn)建模仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、 先進(jìn)設(shè)計制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)于一體，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周 期、全系統(tǒng)，并對它們進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)懸架產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)相比，懸架電子 樣機技術(shù)強調(diào)系統(tǒng)的觀點、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對產(chǎn)品的全方位測試、分 析與評估、強調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計。懸架電子樣機技術(shù)充分體現(xiàn)了如 下圖1 1 所示的產(chǎn)品設(shè)計過程，全面突出了仿真的重要性。 圍1 1電子樣機技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計過程 f i 9 1 1t e c h n o l o g i c a lp r o d u c t sd e s i g np r o c e s so f t h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n e 懸架樣機仿真技術(shù)的實施是一個漸進(jìn)的過程，其中涉及到許多相關(guān)技術(shù)，如總 體技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同建模仿真，評估技術(shù)、數(shù)據(jù)過程管理技術(shù)、支撐框架技術(shù)等等。 現(xiàn)在汽車懸架電子樣機技術(shù)的發(fā)展過程主要包括如下三種技術(shù)”1 ： 1 信息管理集成技術(shù) 汽車懸架樣機開發(fā)過程中涉及到大量的人員、工具、數(shù)據(jù)模型、項目，流程， 對這些元素進(jìn)行合理的組織和管理，使其構(gòu)成一個高效的系統(tǒng)，實現(xiàn)整個開發(fā)過 程中的信息集成和過程集成，是優(yōu)質(zhì)成功的必要條件。通過統(tǒng)一管理的集成化、 一體化、數(shù)字化就能夠大大縮短設(shè)計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新懸架設(shè)計理論和應(yīng)用技 術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計過程的一體化，從而推動懸架產(chǎn)品在理論方面的研究 進(jìn)展和在實際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。 2 協(xié)同仿真技術(shù) 協(xié)同仿真技術(shù)將面向不同學(xué)科的仿真工具結(jié)合起來構(gòu)成統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)，可 以充分發(fā)揮仿真工具各自的優(yōu)勢，同時還可以加強不同領(lǐng)域開發(fā)人員之間的協(xié)調(diào) 與合作。目前h l a 規(guī)范已經(jīng)成為協(xié)同仿真的重要國際標(biāo)準(zhǔn)?；?a 的協(xié)同仿 真技術(shù)也將會成為電子樣機技術(shù)的研究熱點之一。 3 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)( m d 0 ) 懸架產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化問題可能包括多個優(yōu)化目標(biāo)和分屬不同學(xué)科的約束條 第一章緒論 5 件?，F(xiàn)代的m d o 技術(shù)為解決學(xué)科間的沖突，尋求系統(tǒng)的全局最優(yōu)解提供了可行的 技術(shù)途徑。目前m d o 技術(shù)在國外已經(jīng)有了許多成功的案例，并出現(xiàn)了相關(guān)的商用 軟件，典型的如e n g i n e o u s 公司的i s i g h t ，國內(nèi)關(guān)于m d o 技術(shù)的研究和應(yīng)用也 已經(jīng)展開。 縱觀數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，雖然幾十年來各種技術(shù)思想層出 不窮，但時空兩個方向上的協(xié)同始終是發(fā)展的主流。宏觀上看，數(shù)字化設(shè)計的發(fā) 展歷程正相當(dāng)于現(xiàn)代信息技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用由點發(fā)展為線，再由線發(fā) 展為面的過程。仿真的廣泛應(yīng)用正在成為當(dāng)前數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。 隨著電子樣機概念的提出，使得仿真技術(shù)的應(yīng)用更加趨于協(xié)同化和系統(tǒng)化。開展 關(guān)于電子樣機及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，必將提高企業(yè)的自主設(shè)計開發(fā)能力，推動企 業(yè)的信息化進(jìn)程。 目前，國內(nèi)外應(yīng)用電子樣機仿真技術(shù)的成功用戶很多。美國波音公司的波音 7 7 7 飛機是世界上首架以無圖紙方式研發(fā)及制造的飛機，其設(shè)計、裝配、性能評價 及分析均采用了虛擬樣機技術(shù)，這不但使研發(fā)周期大大縮短( 其中制造周期縮短 了5 0 ) 、研發(fā)成本大大降低( 如減少設(shè)計更改費用9 4 ) ，而且確保了最終產(chǎn)品 一次性的成功。通用動力公司1 9 9 7 年建成了第一個全數(shù)字化機車虛擬樣機，并行 的進(jìn)行了產(chǎn)品設(shè)計、分析、制造及夾具、模具工裝設(shè)計和可維修性設(shè)計。日產(chǎn)汽 車公司，利用虛擬樣機進(jìn)行概念設(shè)計、包裝設(shè)計、覆蓋件設(shè)計、整車仿真設(shè)計等。 c a t c r p i l l c r 公司采用了虛擬樣機技術(shù)，從根本上改變了設(shè)計和試驗步驟，實現(xiàn)了快 速虛擬試驗多種設(shè)計方案，從而使其產(chǎn)品成本降低，性能卻更加優(yōu)越。同樣，j o h n d c e r e 公司為了解決工程機械在高速行駛時的蛇形現(xiàn)象及在載下的自激振動問題， 利用虛擬樣機技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，而且在虛擬樣機上 得到了驗證，從而大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能和重載作業(yè)性能。美國海軍的 n a v a i r a p l 項目，利用虛擬樣機技術(shù)，實現(xiàn)多領(lǐng)域多學(xué)科的設(shè)計并行和協(xié)同， 形成了虛擬樣機技術(shù)，他們研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)同虛擬樣機技術(shù)不僅使產(chǎn)品的上市時間 縮短，而且還使產(chǎn)品的成本減少了至少2 0 。在我國的農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，虛擬樣機 技術(shù)也有應(yīng)用，有人利用虛擬樣機技術(shù)來實現(xiàn)甘蔗收割機的仿真分析，取得了良 好的效果。 現(xiàn)在我國對c a t i a 軟件的功能模塊d m u ( d i g i t a lm o c k - u p ) 在汽車方面的應(yīng)用 文獻(xiàn)資料不是很多，對于應(yīng)用c a t i a 軟件的d m u 動態(tài)仿真技術(shù)的具體應(yīng)用，特別是 在汽車懸架開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用還較少。有關(guān)d m u 動態(tài)仿真技術(shù)和汽車懸架動態(tài)仿 真分析的文獻(xiàn)資料有：保定長城華北汽車有限責(zé)任公司的劉斌等在客車技術(shù) 上刊登的( c a t i a 運動仿真在汽車設(shè)計中的應(yīng)用一文中，介紹了電子樣機虛擬 裝配及運動仿真模型建立基本過程，根據(jù)電子虛擬裝配及運動仿真特點，討論了 第一章緒論6 動態(tài)仿真技術(shù)d m u 在汽車總體設(shè)計中的應(yīng)用 1 0 l 。浙江大學(xué)的葉鳴強，王耘，胡樹 根在基于虛擬樣機技術(shù)的雙橫臂獨立懸架振動仿真技術(shù)分析一文中，分析了 懸架系統(tǒng)的振動模型，通過對雙橫臂獨立懸架做出合理的簡化，建立了雙橫臂獨 立懸架的力學(xué)及虛擬樣機模型，并在虛擬樣機模塊上進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上對前 懸架的各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得懸架振動達(dá)到一個最優(yōu)值【i “。合肥工業(yè)大學(xué) 的蒙艷枚，李雙平等在虛擬樣機技術(shù)及其在創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用一文中論述 了虛擬樣機技術(shù)的概念和特點，探討構(gòu)建虛擬樣機設(shè)計環(huán)境的基本思路，介紹了 機械關(guān)鍵元件虛擬設(shè)計的方法及如何去建立機械設(shè)計、分析和評價專家系統(tǒng)，給 出虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)的一個實例f 1 2 】。 1 3 本論文的主要研究內(nèi)容和目標(biāo) 本論文首先對電子樣機技術(shù)進(jìn)行了深入分析；然后，采用了c a t i a 軟件中的 電子樣機模塊，對不等臂式雙橫臂獨立懸架進(jìn)行了三維實體建模；再后，在c a t i a 軟件的k i n ( d m uk i n e m a t i c s ) 電子樣機平臺上對懸架的樣機模型施加合理的運動 副和驅(qū)動命令，實現(xiàn)了用動畫對四分之一懸架的樣機模型進(jìn)行仿真演示，從而可 以非常形象的分析汽車獨立懸架的運動特點；并且根據(jù)樣機的運動情況來改進(jìn)概 念產(chǎn)品的優(yōu)化裝配，提高概念產(chǎn)品的實用能力；最后，本文還就懸架樣機模型的 運動仿真進(jìn)一步對運動進(jìn)行了動態(tài)干涉分析。本論文實現(xiàn)的主要目標(biāo)如下： 1 基于c a t i a 軟件的電子樣機模塊建立整車懸架的樣機模型。在本論文中只 需建立汽車懸架的四分之一樣機模型，然后再通過鏡像實現(xiàn)整車懸架的樣機模型。 2 將建立的四分之一懸架的樣機模型導(dǎo)入到k i n ( d m uk i n e m a t i c s ) 平臺上， 然后通過添加適當(dāng)?shù)倪\動副和驅(qū)動命令，實現(xiàn)了樣機模型的運動仿真。通過創(chuàng)建 的懸架運動仿真動畫，可以很形象地了解懸架的運動特點。 3 通過對懸架樣機模型的動態(tài)仿真分析，可以進(jìn)一步的分析懸架運動過程中 的干涉情況，為下一步設(shè)計零部件及裝配零部件提供了依據(jù)。在這里還需要建立 輪胎、上下擺臂和彈性元件等各部件的包絡(luò)體，有了部件的包絡(luò)體，就可以在設(shè) 計與其相關(guān)的部件時，對于確定其位置時有了參考。 圖1 2 是應(yīng)用軟件c a t i a 的電子樣機模塊d m u ( d i g i t a lm o c k u p ) 進(jìn)行懸架機 構(gòu)研究的內(nèi)容邏輯圖。 第一章緒論 7 根據(jù)目前的現(xiàn)狀以及對先進(jìn)軟件的理解， 充分認(rèn)識到應(yīng)用電子樣機技術(shù)對懸架進(jìn)行 運動分析的必要性。 o 對懸架進(jìn)行運動仿真的知識準(zhǔn)備：第一是 軟件工具c a t i a 的應(yīng)用；第二是對懸架的 運動機構(gòu)的理解。 0 對懸架的運動機構(gòu)進(jìn)行分析，熟悉懸架運 動的理論基礎(chǔ)。以論文前幾章的理論知識 為基礎(chǔ)，合理的對雙橫臂獨立懸架進(jìn)行簡 化，建立獨立懸架的參數(shù)化模型。 應(yīng)用電子樣機的有關(guān)知識對懸架的運動機 構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析。 l 基于c a t i a 軟件強大的運動分析功能，對 l 樣機模型進(jìn)行仿真分析后，實現(xiàn)樣機的優(yōu) l 化設(shè)計。 圈1 2 本論文的主要內(nèi)窖邏輯圈 f i 9 1 2l o g i cp i c t u r eo f m a i nc o n t e n te f t h i st h e s i s p 腑 r 題 l解決問題 j 第二章電子樣機技術(shù)原理8 第二章電子樣機技術(shù)原理 電子樣機技術(shù)又稱虛擬樣機技術(shù)、動態(tài)仿真技術(shù)，是國際上2 0 世紀(jì)8 0 年代 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程( c a e ) 技術(shù)。它 是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設(shè)計方 法，這些數(shù)字模型即我們所稱得電子樣機。電子樣機將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型 結(jié)合在一起，它從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品，令設(shè)計者對產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn) 度更加了解。機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)涉及到多體系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及 其技術(shù)實現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式 用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合性應(yīng)用技術(shù)【1 3 】。 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)是在c a x 等( 如c a d 、c a e 、c a m 等) 的技術(shù)基礎(chǔ)上 的發(fā)展，它進(jìn)一步融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng) 用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期、全系統(tǒng)，并對它們進(jìn)行綜合管理。傳統(tǒng)的機械設(shè)計方 法是“由下到上”，即從部件設(shè)計到整機設(shè)計，這種方式的弊端是過分注重細(xì)節(jié)而 忽略了系統(tǒng)整體性能。設(shè)計人員借助于機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，使設(shè)計過程先從 整機開始，按照“由上至下”的順序進(jìn)行，從而可以減少代價昂貴的系統(tǒng)設(shè)計造 成的無謂失誤4 j 。 對機械系統(tǒng)建立的電子樣機之后，設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)的運動， 得到系統(tǒng)的三維動態(tài)效果圖，完成無數(shù)次物理樣機無法進(jìn)行( 成本和時間條件不 允許) 的仿真試驗，并通過反復(fù)修改系統(tǒng)模型，進(jìn)行不同設(shè)計方案豹仿真試驗， 這種在不浪費制造和試驗物理樣機所需時間和經(jīng)費的前提下，就可獲得最優(yōu)的設(shè) 計方案。運用這一技術(shù)，從而可以大大簡化機械產(chǎn)品的開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn) 品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性 能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品【“。 2 1 電子樣機技術(shù)的概念 從國內(nèi)外對電子樣機技術(shù)( v i r t u a lp r o t o t y p i n g v p ) 的研究可以看出，電子樣 機技術(shù)( 又叫虛擬樣機技術(shù)) 的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在 不同定義。國內(nèi)外學(xué)者對虛擬樣機技術(shù)的定義大同小異，下面是幾種有代表性的 論述 t 6 1 。 ( 1 ) 電子樣機技術(shù)是將c a d 建模技術(shù)、計算機支持的協(xié)同工作( c s c w ) 技 術(shù)、用戶界面設(shè)計、基于知識的推理技術(shù)、設(shè)計過程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn) 實技術(shù)集成起來，形成一個基于計算機、桌面化的分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計過 第二章電子樣機技術(shù)原理 9 程中的并行工程方法。 ( 2 ) 電子樣機的概念與集成化產(chǎn)品和加工過程開發(fā)( i n t e g r a t e dp r o d u c ta n d p m c 器sd e v e l o p m e n t 。簡稱i p p d ) 是分不開的。i p p d 是一個管理過程，這個過程 將產(chǎn)品概念開發(fā)到生產(chǎn)支持的所有活動集成在一起，對產(chǎn)品及其制造和支持過程 進(jìn)行優(yōu)化，以滿足性能和費用目標(biāo)。i p p d 的核心是虛擬樣機，而虛擬樣機技術(shù)必 須依賴i p p d 才能實現(xiàn)； c 3 ) 電子樣機技術(shù)就是在建立第一臺物理樣機之前，設(shè)計師利用計算機技術(shù)建 立機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析并從圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件 下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)； ( 4 ) 電子樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、 間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)特性。借助于這項技術(shù)，設(shè)計師可以在計算機上建立 機械系統(tǒng)模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特 性并根據(jù)仿真結(jié)果精簡和優(yōu)化系統(tǒng)； ( 5 ) 電子樣機技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式探索虛擬 物體功能，對產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在c a d 模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的 設(shè)計方法。 ( 6 ) 電子樣機也叫數(shù)字樣機，功能化樣機。它能夠讓工程設(shè)計隊伍在提交物理 樣機之前，就建造起他們的系統(tǒng)方案，對其進(jìn)行測試、審核、改進(jìn)。它可以幫助 用戶驗證系統(tǒng)性能、原理等，還可以幫助用戶快速可視化排出系統(tǒng)設(shè)計的不合理 因素。虛擬樣機可以充分利用用戶已有專業(yè)經(jīng)驗，引導(dǎo)研發(fā)人員做出重大決策。 當(dāng)在虛擬樣機上完成功能驗證之后，用戶還可以通過增加各種功能進(jìn)行各種設(shè)計 ( 包括試驗設(shè)備) ，另外，功能化虛擬樣機還可以提升為產(chǎn)品性能樣機，進(jìn)而進(jìn)行 產(chǎn)品的性能驗證、性能設(shè)計與性能優(yōu)化，比如進(jìn)行產(chǎn)品的壽命優(yōu)化、動態(tài)力學(xué)特 性優(yōu)化、振動噪聲優(yōu)化等等。 綜上所述，電子樣機有如下特點1 ： 。 a ) 設(shè)計變更的分析比物理樣機試驗更快、更節(jié)約成本 b ) 在開發(fā)流程的每個階段獲得更完善的設(shè)計信息從而降低風(fēng)險 c ) 分析大量的設(shè)計方案獲得整個系統(tǒng)的優(yōu)化性能從而提高質(zhì)量 d ) 方便地改變各種分析要素而無須更改實驗儀器、設(shè)備以及實驗程序 e ) 在安全的環(huán)境下工作，不必?fù)?dān)心關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失或由于惡劣環(huán)境造成的設(shè) 備失效。 d 對于軟件c a t i a 的d m u 來說，還可以形成自己獨有的知識工程及專家 系統(tǒng)，可以方便操縱和管理。 第二章電子樣機技術(shù)原理 1 0 2 2 電子樣機技術(shù)的基礎(chǔ)： 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)通常分為4 個階段：產(chǎn)品設(shè)計、試制、制造樣機和產(chǎn)品生產(chǎn)。 ( 1 ) 產(chǎn)品設(shè)計階段，包括方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件設(shè)計；( 2 ) 實驗室試驗階段， 主要是對關(guān)鍵零部件的工作進(jìn)行探索性的研究；( 3 ) 制造物理樣機階段，主要是根 據(jù)設(shè)計做出實物樣機，以檢驗設(shè)計的合理性，此時要把樣機中一些部件或結(jié)構(gòu)做 成可調(diào)的，必要時還需要做多個零件來替換；( 4 ) 產(chǎn)品生產(chǎn)階段?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)的 產(chǎn)品開發(fā)周期長、消耗大、成本高。有明顯的局限性，所以不能適應(yīng)現(xiàn)代化制造 業(yè)中要求柔性化、快捷及高質(zhì)量的特點和要求：為從根本改變這種局面，近年來 在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)中出現(xiàn)了一個新的研究領(lǐng)域一一電子樣機技術(shù)”。 電子樣機技術(shù)是一種基于智能設(shè)計技術(shù)、并行工程、仿真丁程及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 先進(jìn)開發(fā)技術(shù)，它以計算機仿真和建模技術(shù)為支持，利用虛擬產(chǎn)品模型，在產(chǎn)品 實際加工之前對產(chǎn)品的性能、行為、功能和產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行預(yù)測，從而對設(shè) 計方案進(jìn)行評估和優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展有賴 于以下幾項技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。( 1 ) 智能設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)是產(chǎn)品設(shè)計歷史上的一個 里程碑它在很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期，減少了設(shè)計人員的工作量。但 現(xiàn)有的c a d 技術(shù)注重于外形細(xì)節(jié)設(shè)計行為，卻忽略了產(chǎn)品概念信息的描述，實際 上，設(shè)計人員總是先考慮產(chǎn)品的功能，然后才設(shè)計出產(chǎn)品的外形。因此，對虛擬 樣機技術(shù)來說產(chǎn)品描述應(yīng)是超越幾何性的。由于虛擬樣機技術(shù)對概念設(shè)計的要 求智能設(shè)計技術(shù)需要將用于概念設(shè)計的分析工具( 如有限元分析、快速原型等) 、 計算機輔助概念設(shè)計和c a d 技術(shù)有機地集成起來，支持產(chǎn)品幾何定形前的功能規(guī)劃 和計算。通過分析這種幕后的功能計算，虛擬樣機系統(tǒng)指導(dǎo)設(shè)計者怎樣將幾何形 狀轉(zhuǎn)化為易于裝配的、滿足功能要求的、具有合適工藝的設(shè)計圖形。( 2 ) 并行工程。 并行工程是集成各種技術(shù)，并行設(shè)計產(chǎn)品及相關(guān)過程的一種系統(tǒng)方法同步實現(xiàn) 設(shè)計、分析評估、制造、裝配、核算和管理。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考 慮到產(chǎn)品整個生命周期的所有因素( 質(zhì)量、成本、工藝、結(jié)構(gòu)、性能等) ，且要求 實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同工作并要實現(xiàn)同步的目標(biāo)，其實質(zhì)就是整個工作都 要在一個共享的數(shù)據(jù)庫下進(jìn)行信息交互。( 3 ) 仿真工程。對于虛擬樣機系統(tǒng)來說， 必須有一套能有效支持可制造性分析的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)模型。產(chǎn)品模型必 須能夠管理與制造加工有關(guān)的數(shù)據(jù)( 如形位公差等) ；工藝模型包括統(tǒng)計分析、計 算機工藝仿真、制造數(shù)據(jù)庫和制造規(guī)則庫等；生產(chǎn)系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)生產(chǎn)能力和 生產(chǎn)特性的描述及系統(tǒng)動態(tài)行為和狀態(tài)的描述。電子樣機系統(tǒng)需要對上述模型進(jìn) 行數(shù)字化仿真和可視化，以對產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計進(jìn)行評估和優(yōu)化。( 4 ) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行分布式設(shè)計與制造是虛擬企業(yè)的生產(chǎn)方式。利用分布式設(shè)計與制 第二章電子樣機技術(shù)原理 造可以實時地決定臺作廠家實現(xiàn)異地產(chǎn)品設(shè)計和制造，不僅節(jié)約了時間，而 且由于分布節(jié)點之間的關(guān)系建立在一種全面合作和開放式體系的基礎(chǔ)上，所以有 利于設(shè)計、規(guī)劃和處理問題“。 2 3 電子樣機技術(shù)的原理 2 3 1 電子樣機技術(shù)的原理 電子樣機技術(shù)是對產(chǎn)品真實化的計算機模擬，通過對樣機的計算機模擬，能 夠滿足各種各樣的功能，電子樣機技術(shù)主要指在計算機平臺上，通過三維 c a d ，c a e ，c a m 軟件，建立完整的產(chǎn)品數(shù)字化模型；組成電子樣機的每個部件處 理準(zhǔn)確定義三維幾何圖形外，還賦予相互問的裝配關(guān)系、技術(shù)關(guān)聯(lián)、工藝、公差、 人力資源、材料、制造資源、成本等信息；電子樣機具有從產(chǎn)品設(shè)計、制造到產(chǎn) 品維護(hù)各個階段的所有功能，為產(chǎn)品和流程開發(fā)以及從產(chǎn)品概念設(shè)計到產(chǎn)品維護(hù) 整個生命周期的信息交流和決策提供一個平臺。同時，電子樣機技術(shù)不僅僅是單 純的3 d 設(shè)計和裝配，實際上，通過裝配功能將三維模型裝配在一起只是實現(xiàn)電子 樣機最基本的一步。電子樣機技術(shù)還具有下面的功能和特點【捌： 1 與c a x 系統(tǒng)完全集成，并以“上下關(guān)聯(lián)的設(shè)計”方式作業(yè)。提供強大的可 視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了d m u 漫游和截面透視等先進(jìn) 功能。 2 具備各種功能性檢測手段。安裝拆卸、機構(gòu)運動、干涉檢查、界面掃描等。 3 具備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配置和信息交流功能。 由于電子樣機技術(shù)加強了設(shè)計過程中最為關(guān)鍵的空間和尺寸控制之問的集 成，在產(chǎn)品開發(fā)過程中不斷對電子樣機進(jìn)行驗證，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了 研發(fā)成本。 總的說來，電子樣機技術(shù)包括從產(chǎn)品的設(shè)計、產(chǎn)品的裝配、產(chǎn)品的試驗和產(chǎn) 品的優(yōu)化這一完整的生命周期過程。電子樣機技術(shù)使人們在工程決策和過程決策 的進(jìn)行協(xié)同工作時，能夠?qū)θ魏螐?fù)雜的模型進(jìn)行內(nèi)部觀察、漫游、檢查和模擬”。 c a t i a v 5 的電子樣機功能有專門的模塊組成，從產(chǎn)品造型，上下關(guān)聯(lián)的設(shè)計環(huán)境， 產(chǎn)品的功能分析、產(chǎn)品的瀏覽和干涉檢查，信息交流，產(chǎn)品可維護(hù)性分析，支持 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實施仿真，多c a x 支持，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理等多方面提供了完整的電 子樣機功能，能夠完成與物理樣機一樣的分析、模擬功能、并能進(jìn)行更多的設(shè)計 方案驗證。 2 3 2 電子樣機技術(shù)的內(nèi)涵 需要應(yīng)用電子樣機技術(shù)來設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品，多數(shù)要受到安全性、可靠性、舒 適性、美觀性、可制造性及可維護(hù)性等多方面的制約。在虛擬設(shè)計環(huán)境下，利用 第二章電子樣機技術(shù)原理 1 2 可視化的優(yōu)勢，把技術(shù)設(shè)計、部件裝配、結(jié)構(gòu)分析和性能優(yōu)化融合在計算機虛擬 現(xiàn)實環(huán)境中進(jìn)行，綜合考慮各種因素諸如運動約束和可接近性等特征，對產(chǎn)品幾 何尺寸、技術(shù)性能、生產(chǎn)和制造等方面進(jìn)行交互式的快速建模與分析，生成的模 型可被直接操縱與修改，數(shù)據(jù)可被反復(fù)利用【2 l 】。 2 3 3 電子樣機工程的體系結(jié)構(gòu) 電子樣機工程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一般有以下結(jié)構(gòu)組成：協(xié)同設(shè)計支撐平臺、產(chǎn) 品模型、虛擬樣機( v p ) 和虛擬現(xiàn)實( t ) 可視化環(huán)境四部分組成。其中協(xié)同設(shè)計 支撐平臺提供了一個協(xié)同設(shè)計環(huán)境，包括集成平臺框架、項目管理等工具。產(chǎn)品 模型包括產(chǎn)品主模型和各子系統(tǒng)模型，產(chǎn)品主模型負(fù)責(zé)產(chǎn)品在系統(tǒng)層次上的設(shè)計 與樣機的外觀、功能和性能的建模，如樣機的動力學(xué)、運動學(xué)建模仿真。v p 包括 各領(lǐng)域c a x d f x 工具集，對樣機外觀、功能、性能及環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，并將生 成的數(shù)據(jù)送入v r 可視化環(huán)境，從外觀、功能及在虛擬樣機環(huán)境中的各種行為上展 示電子樣機。 電子樣機技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。建立一個系統(tǒng)相關(guān)的模型，用戶接口 作為一個核心的組成部分，通過它可以有效地控制模型，還可以從哪里得到系統(tǒng) 的一些重要信息。對于一個具體的應(yīng)用實例來說，由于具體的應(yīng)用目的不同，其 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能有一些差別【2 2 】。 圈2 1 電子樣機技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)杓 f i 9 2 1s y s t e m a t i cs t r u c t u r eo f f i l e t e c h n o l o g yo f t h e e l e c t r o n i c p r o t o t y p e o f a m a c h i n e 第二章電子樣機技術(shù)原理 1 3 2 3 4 電子樣機的開發(fā)流程 設(shè)計電子樣機的過程實際上就是對上述各種先進(jìn)技術(shù)相互支持、相互融合的 過程。首先是進(jìn)行機械設(shè)計：設(shè)計的原始數(shù)據(jù)來自設(shè)計要求；如干涉尺寸、裝配 環(huán)境等。當(dāng)方案制定之后，設(shè)計師開始構(gòu)造復(fù)雜的幾何形狀和工程關(guān)系。在進(jìn)行 產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，要求設(shè)計師給定全約束、全尺寸是不可能、不現(xiàn)實的，重 要的是能夠建立一些方程和規(guī)則，體現(xiàn)一些最重要的工程數(shù)據(jù)，使零件在設(shè)計準(zhǔn) 則下可自動修改。在完整、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)計小組成員不必操心數(shù)據(jù)的完 整性，他們能夠共享數(shù)據(jù)，并能主動控制修改和更新。零件最終的形狀和尺寸來 自各個方面的綜臺考慮，如裝配、應(yīng)力、加工等，在制定設(shè)計文件時。工程技術(shù) 人員要決定如何描述最后的零件和裝配，生成圖紙時設(shè)計尺寸要轉(zhuǎn)換成工藝尺寸 以體現(xiàn)加工、檢測的要求。這張圖紙和其他技術(shù)文件( 如應(yīng)力分析、振動、熱分 析等) 構(gòu)成了設(shè)計的最主要部分。 最后是對最終的設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行仿真。仿真能預(yù)測產(chǎn)品在實際環(huán)境中的性能， 它包含了一系列步驟，從力學(xué)分析、建模、施加負(fù)載和約束，到預(yù)測其在真實工 況下的反應(yīng)，仿真的真正用意不是得到幾個數(shù)據(jù)，而是評估產(chǎn)品的性能和優(yōu)化產(chǎn) 品的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計、改進(jìn)設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計和仿真階段，需要使用一些應(yīng) 用軟件如三維產(chǎn)品設(shè)計軟件、有限元分析軟件等。根據(jù)設(shè)計尺寸并利用這些軟件， 便可以在計算機上構(gòu)造產(chǎn)品的電子( 虛擬) 樣機，為最終投產(chǎn)做好準(zhǔn)備。3 。 圈2 2 電子樣機設(shè)計的一般流程 f i 9 2 2g e n e r a lp r o c e d u r et h a tt h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n ei sd e s i g n e d 第二章電子樣機技術(shù)原理 1 4 邏輯流程圖 田2 3 應(yīng)用電子樣機進(jìn)行仿真的邏輯田 f i 9 2 3t h el o g i cs i m u l a t i o nf i g b yu s i n gt h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n e 電子樣機的開發(fā)及邏輯流程如上圖2 2 、2 3 所示，從產(chǎn)品需求分析到評估測 試，通過使用相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中，構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬樣機。這是一 個循環(huán)漸進(jìn)的過程，基于產(chǎn)品的開發(fā)要求，采用相應(yīng)的仿真分析工具對虛擬樣機 的功能和性能進(jìn)行仿真分析，對虛擬樣機的行為進(jìn)行模擬分析，并基于仿真分析 的結(jié)果，通過產(chǎn)品全生命周期的反復(fù)建模仿真分析與模型的改進(jìn)，開發(fā)出滿足產(chǎn) 品預(yù)期設(shè)計目標(biāo)的虛擬樣機。 2 3 5 電子樣機的關(guān)鍵技術(shù) 1 電子樣機工程的總體技術(shù) 電子樣機技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前雖然還難以實現(xiàn)可支持產(chǎn)品設(shè)計全過程的 數(shù)字化產(chǎn)品的開發(fā)系統(tǒng)，但電子樣機工程作為一個龐大的系統(tǒng)工程，總體上還是 有一些共性的。電子樣機工程總體技術(shù)從必然全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的 問題，考慮構(gòu)成電子樣機工程各部分之間的關(guān)系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各部分系統(tǒng)的運行， 并將它們組成為一個有機的整體，實現(xiàn)信息和資源的共享，進(jìn)而實現(xiàn)總體目標(biāo)。 電子樣機的設(shè)計主要有以下幾個組成部分：初步設(shè)計方案的確定、概念設(shè)計、詳 細(xì)設(shè)計、仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。各個部分由不同的設(shè)計人員進(jìn)行并行設(shè)計， 第二章電子樣機技術(shù)原理 1 5 而各部分的功能活動存在大量的相互依賴的關(guān)系，為保證產(chǎn)品開發(fā)隊伍的協(xié)同工 作，實現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動的信息交換與共享，必須對設(shè)計過程進(jìn)行動態(tài)調(diào) 整和監(jiān)控，構(gòu)造合適的并行設(shè)計的工作環(huán)境，保證并行設(shè)計的順利進(jìn)行，這是電 子樣機縮短開發(fā)周期的關(guān)鍵。 2 虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品的概念設(shè)計和方案評價 在電子樣機環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計和方案評價是實現(xiàn)電子樣機的前期工 作。在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境提供的良好的虛擬現(xiàn)實漫游特性和實時交互性的條件 下，相關(guān)人員可以對虛擬系統(tǒng)建立模型，包括視覺效果，進(jìn)行評價與修改。在這 個階段，可以模擬產(chǎn)品的裝配過程，解決各部件之間的可接近性和可裝配性，通 過對零部件的直接裝配操作，檢驗零件的可操作性、裝配的難易程度及裝配的次 序；可以在不耗費實際加工時間和原材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛擬測試。通過電子樣 機的設(shè)計、加工和組裝、可以對產(chǎn)品多