汽车现代设计方法

随着现代科学技术的进步，特别是电子技术和计算机技术的发展，使汽车设计焕发出新的活力，增加了新的内涵。30多年来，一个个新概念不断涌现，一批批新技术被突破，一个个成果被引用，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、成组技术（GT）、计算机数字控制（CNC）、计算机直接控制和分布控制（DNC）、柔性制造系统（EMC）、工业机器人（ROBOT）、计算机集成制造系统（CIMS）等新技术已广泛地被人们了解和熟悉。

（一）计算机辅助设计

所谓计算机辅助设计，就是使计算机以某种模式和方法按照人的意图去进行科学分析和计算，并作出判断和选择，最后输出满意的设计结果和生产图纸。在现代汽车开发工作中，就计算机辅助设计而言，其核心是以产品设计和绘图为主体的计算机辅助设计（Compeuter Aided Design，CAD）系统、以汽车性能和结构分析为主体的计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering，CAE）系统、进行模型及模具制造的计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）系统以及进行造型设计的计算机辅助造型（Computer Aided Styling，CAS）系统。在许多国内外的大公司中，从整车到各大总成的开发工作现全面使用了CAX技术，最具典型的是汽车车身的开发工作，从概念设计阶段到模具制造的全过程都采用了串行和并行的混合开发过程，较全面地实现了计算机辅助技术集成。在汽车规划和布置设计中，使用CAD及相关的性能和参数优化设计软件去预测新车型的性能和确定设计参数，进行法规校核，提出最佳的设计图和方案图，合理地进行汽车布置，方便有效地进行系列化车型设计。

（二）逆向工程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是20世纪90年代国际汽车界兴起的一种汽车产品开发新方式，如图6－1所示。从广义上讲，是主要依靠高度集成化、可视化、开放型的计算机技术和网络技术构筑汽车产品，从概念构思、产品设计、工程分析到工艺制造、应用工程、市场服务，全过程实现无纸化、高精度、系统化的操作平台。这是思维先于实体、再用实体反证思维的逆向逻辑形式。从狭义上讲，是指将已有产品模型或实物模型转化成工程设计模型或概念模型，并且在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，可以说逆向工程是设计中的设计。

（三）快速原型制造技术

快速原型制造技术（Rapid Prototyping，RP）也称快速成型技术，它是先进制造技术的重要分支。它不仅体现在制造思想和实现方法上有了突破，更重要的是在制造零件的质量、性能、大小和制造速度方面也取得了很大的进展。快速原型制造技术集计算机辅助设计、数控技术、激光技术以及材料科学等领域的最新成就，能够对产品设计进行迅速评价、修改，并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零部件，从而快速响应市场需求，提高企业竞争力。

图6－1　逆向工程

（四）并行工程

并行工程（Concurrent Engineering，CE）又称同步工程或周期工程，如图6－2所示。它是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成设计的一种系统化工作方法。它要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品的整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行工程强调多学科专家的协调工作和一体化、并行地进行产品和相关工程的设计，尤其注重早期概念设计阶段的并行与协调。并行工程是一种先进的企业管理机制，它充分重视和发挥人的作用，是实施先进制造技术的前提，是企业高效简洁的组织机构和科学的动态管理机制。它是相对于传统的串行工程而言的。

（五）有限元技术

有限元法简称FEM（Finite Element Method），它于20世纪50年代末60年代初引入飞机结构强度的分析计算，20世纪70年代被引入到汽车结构设计中。有限元法是近40年来工程计算方法领域中的一项重大成就，是现今计算机辅助工程技术的核心部分，是一种数值离散化的方法。对复杂连续的结构进行分析时，有限元法的出发点是将被分析的结构划分为有限个小的单元，再用点将这些小单元连接在一起，以这些单元组成的几何体代替原先的连续体进行分析，从而使所有几何体具有有限个自由度，为解题提供了可能。这样就将复杂连续体上分析求解的问题转化为先研究每个单元中各个点的力学关系，找出描述这种关系的公式，然后将它们汇总起来，形成次数有限的线性方程，求解这个方程的解即可得到连续体的数值解。应用有限元技术分析悬架、控制臂、转向节的应力云图如图6－3所示。

（六）参数化设计

参数化设计（Parametric Design，PD）一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸、数量关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。参数化设计的实现方法有变动几何法、几何推理法、参数驱动法和基于特征的造型方法。参数化设计可以大大提高产品的设计效率，有效保证产品模型的安全可靠性，极大地改善设计的柔性。

图6－2　并行工程

图6－3　有限元技术

（七）神经网络方法

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是一门活跃的边缘性交叉学科，涉及生物、电子、计算机、数学和物理等多学科。这主要是根据生物神经系统的作用原理发展起来的、由多个人工神经元互联组成的大规模的分布式并行信息处理系统，模拟人类神经系统的信息处理机制，对复杂的问题进行有效的解决。

（八）模块化设计

汽车模块化设计是指设计时按整车功能分成几大独立的模块，每个模块上集成多个零件或总成，各个模块之间的连接是固定的，不会因为其中零件或总成的变化而改变，在装配时以模块化为基础装配。

（九）平台化战略

平台化战略（Platform Strategy，PS）就是将汽车中必不可少的总成、模块、零部件整合为一个平台，基于该平台可以组合成不同款式、性能各异的车型。换言之，基于同一平台，不同车型外观（可视部件）可以千姿百态，以满足消费者个性化的需求，从而降低开发成本，缩短产品开发周期。

（十）虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

（十一）人机工程环境系统工程

人机工程环境系统工程是运用系统工程思想和方法，揭示人、机、环境之间相互关系的规律，确保系统最优化组合的一门综合性学科。其最大特点是把人、机、环境看作一个系统的三大要素，着重强调从全系统的总体性能出发，通过三者间的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂的巨系统，并运用系统工程方法加以分析，使系统具有安全、高效、经济的综合效能。

（十二）优化设计

优化设计（Optimal Design，0D）是20世纪60年代初发展起来的一门学科，它是根据最优化原理和方法，应用计算机技术，寻求最优化设计参数的一种新的设计方法。它是以计算机自动设计选优为其基本特征的，依据设计目标，建立数学模型，选择优化方法，得出最优设计方案。