现代设计方法在汽车设计中的应用

武汉轻工大学《现代设计方法》课程结业论文题目：现代设计方法在汽车设计中的应用姓名学号班级专业械设计制造及其自动化院（系）机械工程学院2016年6月10日现代设计方法在汽车设计中的应用摘要：如何设计出更好的汽车，符合消费者的需求，一直是每个汽车生产厂商所追求的，但是受到传统设计方法的限制，设计出的汽车通常会存在一些缺陷，本文在现代设计方法概念的基础上，结合汽车设计中研发周期、汽车安全性能等，从辅助设计软件的应用和虚拟方针技术的应用两个方面，对现代设计方法在汽车设计中的应用，进行了深入的研究，希望能给实际的设计工作，提供一定的参考。关键词：仿真技术；现代设计方法；汽车设计；UG软件汽车从出现开始，就非常受到人们的重视，随着汽车的普及应用，如何设计出高性能、高性价比的汽车，成为了很多专家和学者研究的问题，在传统的汽车设计中，受到技术水平的限制，只能根据现有的数据进行推理，设计出理论上最佳合理的方案。因此，传统的设计主要建立在经验的基础上。随着现代电子信息技术的发展，计算机等电子设备，开始广泛的在工业设计领域应用，为了降低汽车设计的难度，提高汽车设计的水平，人们将计算机等设备，引入到了汽车设计中，形成了可以进行模拟、仿真的现代设计方法，通过这些设备的使用，极大的提高了汽车的设计水平。1.现代设计方法的概念与传统的设计方法相比，现代设计方法具有鲜明的特点，如传统的汽车设计中，只能根据动力系和数学理论，经过严谨的计算，设计出理论上的最佳方案，而现代设计方法，可以利用先进的电子设备对设计的内容进行模拟仿真，验证设计中存在的问题等，利用相应的计算机设计软件，能够很好的简化设计的过程。尤其是随着汽车自身的发展，越来越多的电子设备开始应用到汽车中，对发动机和变速器等进行精确的控制，这些设备的使用，在很大程度上提高了汽车设计的难度，利用传统纸质的设计方式，显然无法完成这样难度的设计工作，只有利用计算机软件，才能够在最短时间内，完成一个良好的设计方案。经过了多年的使用，CAD等设计软件已经得到了普及应用，现在的汽车设计中，都会采用类似的设计软件来完成，经过了多个版本的更新换代，这些软件的功能已经非常完善，自带有很多数据库，如汽车设计中的很多汽车零件，甚至是整套的系统，在实际设计的过程中，可以根据自己的需要，直接选择相应的零件即可，这样可以极大的缩短设计的周期。由此可以看出，利用现代设计方法来设计汽车，可以缩短设计的周期、提高设计的效率、增加设计的适应性和经济性，使得汽车更加能够符合市场的需求，对于汽车设计工作来说，现代设计方法具有非常重要的作用。2.现代设计方法在汽车设计中的应用(l)系统工程分析法系统工程是以大系统为研究对象的一门跨学科的边缘科学，它以应用数学和电子计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。通过各种组织管理技术，使局部与整体之间关系协调配合，以实现系统的最优化。应用系统工程的观点完成汽车设计，一般可分为3个阶段：○1信息获取（或称系统分析）；○2信息处理（或称系统选择）；○3信息整理（或称系统实施计划）。汽车设计涉及多种专业学科的各种不同要求，要完成一个成功的设计，必须应用系统工程的观点，全面均衡地、有层次地处理各种不同要求，使设计达到经济和艺术的有机结合。现代汽车工业，已经把一个企业的全部生产过程（包括设计）作为一个整体，因此可以把它看成一个大系统。(2)模糊设计法所谓模糊是指边界不清楚，是事物的差异之间存在着中间过渡过程的结果。如许用应力、频率禁区等。模糊设计不是建立在对系统的数学分析基础上，而是根据实际经验确定参数、控制、算法与过程信号。该方法常用的是：模糊分析、模糊决策、模糊控制等。模糊优化实质上就是考虑模糊因素的优化设计。在汽车工程中存在的模糊因素多，因此研究模糊优化设计在汽车工业中的应用将有一定的实际意义。目前，在汽车离合器、汽车变速箱及齿轮、发动机支承参数等的模糊优化方面，已做了不少研究。模糊决策是根据已有的信息做出各种可能的推论。决策一般包含着大量的自然语言、经验及中间过渡性，它们将造就出划分的不确切性即模糊性，因而这种决策都是模糊决策。现代控制在复杂的工业控制系统中无能为力，这是因为它的数学模型难于建立。在这种情况下模糊控制就是具有解决这种问题的独到之处，因为模糊控制不必对被控对象建立完整的数学模型，它是一种语言控制器，使得操纵人员易于使用语言进行人机对话。模糊控制仅在交通方面的研究已有不少实例，如汽车的稳速行驶控制，无滑动停车等。(3)计算机辅助设计（CAD）计算机之所以能够完成复杂的任务，主要就是依靠其软件程序，而计算机的普及应用，实质上就是不同软件的应用，人们根据不同领域的实际需要，针对性的开发了相应的软件，从而提高工作的效率，如在现代工业设计领域中，就有很多辅助设计的软件，如常用的CAD软件，在汽车设计中使用非常普遍。很多汽车公司的设计，都采用该软件进行结构的检查、和性能评估等，这样可以最大程度上保证设计没有问题，通过实际的调查发现，目前西方发达国家的汽车设计，都采用这样的方式来完成，而我国的汽车生产企业，受到技术水平和成本等因素的限制，虽然会采用CAD等辅助设计的软件，但是软件的版本较老，而且计算机硬件设备的性能较差，很难完成先进的汽车设计工作，这种现象在很大程度上影响了我国汽车工业的发展。与传统的设计方式相比，计算机辅助软件的应用，可以极大的减少计算占用的时间，在计算机软件中进行设计，所有的计算工作都可以交给计算机来完成，输入相应的参数后，直接能够得到设计的结果，对于缩短汽车的设计周期来说，具有非常重要的作用，只有汽车的研发周期短，才能够更快的向市场推出新一代的产品，从而获得更多的实际利益。为了使得汽车的设计能够符合市场的需要，在实际的设计工作中，通常会设计多套方案，然后进行实际的对比和调查，从中选择出一个最佳的方案，如果利用计算机软件来进行对比，那么这个过程将会更加简单，从能够影响汽车性能的各个方面出发，在最短的时间内，选择中一个号的设计方案。3.虚拟仿真在汽车设计中的应用随着市场竞争的全球化和科技的迅速发展，制造业格局发生了巨大的变化，传统的产品设计开发创新少、耗时多、效率低、成本高，已经不能适应动态变化的市场虚拟仿真技术的出现，可以说是革命性的进步，在传统的汽车设计中，要想看到设计之后汽车的工作情况，必须做出实际的汽车，一旦设计中存在问题，那么汽车就会存在缺陷，不但影响了汽车生产的成本，同时还会影响公司的信誉等，而虚拟仿真技术的出现，刚好可以解决这个问题。在现代设计方法中，虚拟仿真技术具有非常重要的位置，无论是哪种工业设计，都可以利用特定的计算机软件，虚拟出一个真实的环境，输入相应的汽车环境后，就可以观察汽车行驶过程中，各项指标和参数，一旦发现设计中存在问题，就可以及时的进行更改，不会影响汽车的生产，而且这个仿真需要的实际较短，即使观察汽车行驶一年后的情况，也可以利用计算机强大的计算能力，对一年后的情况进行仿真。由此可以看出，现代设计方法中，虚拟仿真的应用非常重要，尤其是像汽车这样的设计，在实际的生产之前，需要进行严格的验证，如果汽车存在安全上的隐患，就会对客户的人身生命财产造成严重的威胁，进而影响生产厂商的信誉和竞争力。(l)汽车虚拟设计技术及设计思路虚拟设计是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计手段。虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。虚拟技术可采用的软件有多种，本文选用UG设计软件，并叙述UG在汽车虚拟设计中的实际应用。UG的主要特点是：参数化的特征造型；统一的能使各模块集成起来的数据库；设计修改的关联性，即一处修改，别的模块中相应图形或数据也会自动更新。以UG作为汽车设计开发平台，其实体造型思路如下：○1基于UG强大的三维实体造型功能，进行汽车外部造型设计和内部结构设计，提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型；○2按照UG实体特点，将几何图形当作设计实体处理，UG提供定位装配技术，在计算机上模拟产品的整个设计制造过程；○3结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置，从功能组合到内部结构，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。(2)虚拟设计技术在汽车中的应用虚拟设计技术可以在计算机中实现整车及零部件的概念设计、造型设计、总布局设计、结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应及使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现并尽可能地解决问题，提高设计一次成功率。对汽车整车进行虚拟设计过程，包括零部件的三维建模、虚拟装配和产品的外观造型。○1汽车零部件的三维建模在建模过程中，其主要任务是根据具体的设计需求，将已有的类似产品或模块作为设计模板，在保持其整体结构和功能不变的前提下，对其局部结构的配置和尺寸做出一定范围内的变动、调整，以设计出符合要求的产品系统。在对汽车简单零部件进行参数化虚拟设计时，运用了UG中的草图（Sketch）模块，在一个基准面上作出零部件的截面图，再用草图里的尺寸约束和几何约束对其对象加以控制。然后运用基本拉伸、旋转、扫掠等建模技术得到零部件初步的三维参数化模型，当客户要调整关键参数时，可以在工具栏上的tool-expression里修改。汽车车身设计是个非常复杂的过程，将汽车车身分为6个部分：左侧围、右侧围、顶盖、前围、后围和底板。其造型设计分为特征曲面造型和特征实体造型2部分内容。前后围及侧围等零部件由特征曲面造型功能模块获得，车身骨架、内饰、仪表通过特征实体造型的方法完成。基于特征造型的产品设计方法是产品虚拟设计的核心，为设计、制造及生产管理提供服务，为智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现创造条件。○2汽车的虚拟装配在以往的实际工作中不可能通过一次装配众多零件就能满足设计要求，往往会出现装配干涉等问题。那样就只能重新设计和修改原型，造成大量的浪费。但如果在UG设计软件里进行虚拟装配，可以在设计过程中进行装配模拟，检查干涉。如不符合要求，可以很方便地在计算机中更改模型，并重新生成模型和自动更新相关零件图和装配图。汽车车身结构复杂，它内部零部件的尺寸及外型很大程度上依赖于车身外型，所以对复杂的汽车车身装配采用自顶向下的装配形式。在UG平台下，UG/WAVE产品级参数化设计技术就是适合高层次的系统级的产品设计要求，和自顶向下分层控制的产品设计策略级。汽车的外观造型在汽车车身的造型中，仅考虑产品的功能设计是不够的，还要对汽车模型进行塑造和设计，获得三维效果，即汽车的透视图和效果图。汽车零部件三维模型建立后，采用UG的渲染模块UG/STUDIO修饰零部件各部分结构时，利用消隐、渲染和着色功能，按一定方向选择光源，改变背景色和零件颜色，用光源参数控制光源，给模型赋予各种颜色和材质，让模型表现出塑料和金属的质感、各种色度和光泽感，得到生动逼真的效果图（如图3.1）。图3.1汽车模型效果图4.结语通过全文的分析可以知道，与传统的汽车设计方法相比，现代设计方法具有鲜明的特点，不但能够极大的缩短设计周期，还能够提高设计的效率，同时具有虚拟仿真的验证作用，能够及时的发现设计中存在的问题，最大程度上提高汽车的安全性和舒适性等，目前西方国家的汽车生产企业，都开始采用现代设计方法。相比之下，我国受到工艺和设备技术水平的影响，现代设计方法的应用并不乐观，如市面上的汽车，在安全性能上和舒适性能上，都要比进口汽车差一些，在汽车的设计研发商，整个的生产周期也要长，要想很好的改变这种现象，必须利用现代设计方法来进行改进。参考文献[1]刘静香，张春梅.现代设计方法的研究现状与发展趋势[J].河南机电高等专科学校学报，2003（02）：60-61[2]郭谆钦，王承文.现代设计方法在机械优化设计中的应用[J].机电产品开发与创新，2007（02）：106-108[3]吴宝贵，黄洪钟，原薇.汽车设计的多学科设计优化方法[J].应用科学学报，2005（04）：420-423[4]J