車身正向開發(fā)流程
汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征,同時還要能安全可靠地行駛,這就需要整個設計過程融入各種相關知識,包括車身結(jié)構(gòu)、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學等。細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段,對于設計出消費者認可的新車型至關重要。
汽車車身設計簡單理解是根據(jù)一款車型的多方面要求來設計汽車的外觀及內(nèi)飾,使其在充分發(fā)揮性能的基礎上藝術化。汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征,同時還要能安全可靠地行駛,這就需要整個設計過程融入各種相關的知識:車身結(jié)構(gòu)、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學、工程材料學、機械制圖學、聲學和光學知識。從一個靈感到最后實現(xiàn),需要一系列的步驟。得到市場的認可,性能優(yōu)良的內(nèi)“芯”,再加上一襲新衣包裝,才是新車待嫁時。下面,讓我們看看正向設計如何為一款新車設計“嫁衣”。
項目策劃
項目策劃包括:項目計劃、可行性分析、項目決策及組建項目組等幾個方面。圖1為項目策劃階段的示意圖。
圖1 項目策劃階段示意圖
汽車企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃部門必須做好企業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的近期和遠期規(guī)劃,具有市場的前瞻性與應變能力。項目前期需要在市場調(diào)研的基礎上生成項目建議書,明確汽車形式及市場目標。可行性分析包括:政策法規(guī)分析、競爭對手和競爭車型、自身資源和研發(fā)能力的分析等。
項目論證要分析與審查論點的可行性和論據(jù)的可靠性與充分性。經(jīng)過這一階段,要開發(fā)一個什么樣的車型,類似于同行什么等級的車型,其性價比方面有哪些創(chuàng)意與特點即展現(xiàn)在我們面前。
項目策劃的最后階段是組建項目組:組建新品開發(fā)項目小組、確立項目小組成員的職責、制定動態(tài)的項目實施計劃、明確各階段的項目工作目標、規(guī)定各分類項目的工作內(nèi)容、計劃進度和評價要求。
概念設計階段
概念設計在新產(chǎn)品開發(fā)中有著重要地位,因此,新產(chǎn)品概念設計流程再造是新產(chǎn)品開發(fā)流程再造成敗的關鍵所在。一個全新的汽車創(chuàng)意造型設計分為以下幾部分:
1. 總體布置草圖設計:繪制產(chǎn)品設計工程的總布置圖(如圖2),一方面是汽車造型的依據(jù);另一方面它是詳細總布置圖確認的基礎,在此基礎上將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)具體化,直至完成所有產(chǎn)品零部件的設計。
圖2 某車型的總布置草圖
2. 造型設計:包含外型和內(nèi)飾設計兩大部分。
設計階段包含創(chuàng)意草圖和效果圖設計:在這一過程中,要比較競爭對手的產(chǎn)品,拓寬思路,勾畫出多種效果圖,再從中選擇較為滿意的幾種效果圖,供專家小組評審。圖3、4分別為造型設計階段的草圖與效果圖。創(chuàng)意的過程需全面融入產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的要求,這個階段要進行多方面的評審與修改,直到最后確定效果圖方案。
圖3 前期設計草圖
圖4 設計方案效果圖
3. 油泥模型制作階段
概念設計的最后階段是制作油泥模型:制作3~5個1:4油泥模型,制作小比例模型主要是為了節(jié)約成本及時間。對外觀評審后,選定其中一個制作1:1油泥模型;根據(jù)總布置圖構(gòu)建1:1的主模型線圖,接下來制作1:1的油泥模型。在制作油泥模型的過程中,還需要組織多次總布置驗證,各領域的問題都要考證造型的合理性,直到最后的油泥模型凍結(jié)。
圖5 外型油泥模型
圖6 內(nèi)飾油泥模型
產(chǎn)品設計工程階段
油泥模型凍結(jié)后,就全面進入到了產(chǎn)品設計階段。產(chǎn)品設計工程是汽車自主創(chuàng)新開發(fā)中最為重要的一步,它貫穿整個汽車開發(fā)的全過程,包括整車總體布置、汽車工程分析、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、具體總成與零部件的詳細設計以及它們之間的相關協(xié)調(diào)工作。這一階段耗時最長,如果撇開后期的設計改進時間不算,一般需要1年左右的時間。
在產(chǎn)品設計階段,有必要讓供應商提前介入,使產(chǎn)品的設計做得更經(jīng)濟、合理。要充分利用現(xiàn)代產(chǎn)品設計的手段,加快產(chǎn)品設計進程,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。利用三維軟件對產(chǎn)品零部件進行裝配,做各種斷面與干涉檢查,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸準確無誤;利用有限元分析軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行有限元模擬分析,產(chǎn)品性能模擬分析要達到合格水平。
1. 整車總布置設計
在前面總布置草圖的基礎上,細化總布置設計,精確地描述各部件的尺寸和位置,為各總成和部件分配準確的布置空間,確定各個部件的詳細結(jié)構(gòu)形式、特征參數(shù)、質(zhì)量要求等條件。主要的工作包括:發(fā)動機艙詳細布置圖、底盤詳細布置圖,內(nèi)飾布置圖、外飾布置圖以及電器布置圖(如圖7)。
圖7 整車總布置圖
圖8 車身造型三維數(shù)據(jù)
2. 車身造型三維數(shù)據(jù)生成
油泥模型完成后,使用專門的三維測量儀器(ATOS)對油泥模型進行測量,生成點云數(shù)據(jù),工程師根據(jù)點云使用汽車A面制作軟件來構(gòu)建外表面(如圖8)。車身造型數(shù)據(jù)完成后,通常要用這些數(shù)據(jù)來重新銑削一個樹脂模型(如圖9),目的是驗證車身數(shù)據(jù)。
圖9 重新銑削一個樹脂模型
3. 主斷面設計
主斷面設計作為車身設計中的一項重要工作,被越來越多的車身設計團隊認可,通過主斷面設計可以前瞻性的將車身結(jié)構(gòu)的設計方案呈現(xiàn)出來,最大限度地指導詳細設計(如圖10)。
圖10 主斷面圖
4. 白車身設計
汽車車身工程是目前世界汽車工業(yè)中研究最活躍、發(fā)展最迅速的一個領域。汽車白車身是汽車其他零部件的載體,是以“鋼結(jié)構(gòu)”為主的支撐部件,它是一個復雜的體系,其零部件數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復雜,制造成本約占整車的40%~60%,通常有300~500多個形狀復雜的薄板沖壓零件(如圖11),在55~75個工位上大批量、快節(jié)奏地焊接而成。
圖11 某轎車白車身結(jié)構(gòu)設計
轎車車身結(jié)構(gòu)設計是以車身造型設計為基礎進行車身強度設計和功能設計,以期最終找到合理的車身結(jié)構(gòu)型式的設計過程的統(tǒng)稱,其設計質(zhì)量的優(yōu)劣關系到車身內(nèi)外造型能否順利實現(xiàn)和車身各種功能是否能正常發(fā)揮。所以,它是完成整個車身開發(fā)設計的關鍵環(huán)節(jié)。
結(jié)構(gòu)設計必須兼顧造型設計的要求,同時應充分考慮諸如結(jié)構(gòu)強度、防塵隔噪性能以及制造工藝等多種設計要求。優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設計可以充分保證汽車整車質(zhì)量的減小,進而達到改善整車性能、降低制造成本的目的。
完成車身結(jié)構(gòu)設計首先需要明確車身整體的承載形式,并對其做出載荷分析,以便能使載荷在整個車身上分配合理。在此基礎上,進一步做出局部載荷分析,確定各梁的結(jié)構(gòu)形式和聯(lián)接方式。因通常轎車存在使用目的和級別上的不同,故常常會產(chǎn)生具體結(jié)構(gòu)上的差異,最終導致它們在功能和價格上的差別??傊?,車身結(jié)構(gòu)設計是一個涉及到多方面因素的綜合工程設計問題,常成為車身設計開發(fā)中的難點。
5. 內(nèi)外飾工程設計
(1)內(nèi)飾件設計
轎車的內(nèi)飾件設計包括:轎車車廂的隔板、門內(nèi)裝飾板、儀表板總成、扶手、地毯等零部件和材料。相對于車上其他部件而言,雖然它們對車輛的運行性能沒有什么影響,但其面目一覽無遺,代表了整部車子的形象,孰優(yōu)孰劣,決定著轎車的聲譽、檔次以及人們的選擇意向。另外,對于轎車來講,雖然內(nèi)飾件只是一些輔助性的零配件,但它們要承擔起減振、隔熱、吸音和遮音等功能,對轎車的舒適性起到十分重要的作用。
(2)外飾件設計
汽車外飾件設計包括:前后保險杠、散熱器罩、前后外擋泥板、擾流板、玻璃、車門防撞裝飾條、行李架、天窗、后視鏡、車門機構(gòu)及附件以及密封條。
6. 工程分析階段
在國外,很多大汽車設計公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng),其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應用,在指導設計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有:剛度、強度(應用于整車、大小總成與零部件分析,以實現(xiàn)輕量化設計)、NVH分析(各種振動、噪聲,包括摩擦噪聲、風噪聲等)、機構(gòu)運動分析等;而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學分析的精度有進一步提高,并已投入實際使用,完全可以用于定性分析和改進設計,大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數(shù);虛擬試車場整車分析正在著手研究。此外,還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。
在我國,CAE技術在汽車設計上的應用也很廣泛,提高了設計的效果和效率。
樣車試制和試驗階段
1. 樣車試制階段
樣車試制是驗證與完善產(chǎn)品設計的一個過程。樣車的試制要嚴格按照設計數(shù)據(jù)進行,要能夠切實反映產(chǎn)品的本來面貌,以便發(fā)現(xiàn)真實存在的問題。盡管現(xiàn)在擁有先進的設計手段,包括工程計算、工程仿真與模擬等,但樣車的試制和相關試驗是一定要進行的,因為產(chǎn)品的諸多細節(jié)問題在設計階段是無法提供全面的數(shù)據(jù),并加入工程計算體系的。目前的車身試制手段主要有中熔點、鑄鐵簡易模、工序件等。
2. 樣車試驗階段
試驗要嚴格按照國家相應的標準進行,真實地出具相應的試驗報告,為產(chǎn)品的確認與修改提供依據(jù),為今后產(chǎn)品的正式投產(chǎn)鋪平道路。在樣車試制階段,設計人員要經(jīng)常跟蹤產(chǎn)品的試制工作,清楚了解現(xiàn)場的進展情況并及時處理可能出現(xiàn)的問題,這對產(chǎn)品的設計修改十分有利。產(chǎn)品的測試報告反映產(chǎn)品的現(xiàn)實狀況,是今后該新車型上目錄的重要依據(jù),要符合國家法規(guī)與各項強制性檢查與試驗標準(如圖12、13)。
圖12 道路試驗
圖13 碰撞試驗
生產(chǎn)準備階段
這一階段包括產(chǎn)品工裝的設計與制造、產(chǎn)品檢查與調(diào)試設備的準備、工裝夾具的驗證、生產(chǎn)線的調(diào)試等。生產(chǎn)準備的全面完成將一直持續(xù)到試生產(chǎn)乃至批量生產(chǎn)階段。在進行樣車試制的同時,要著手進行相關的生產(chǎn)準備工作。車身開發(fā),從某種意義上講不容許產(chǎn)品設計有重大的修改,所以從產(chǎn)品設計的開始,每一步都必須考慮成熟。在產(chǎn)品設計部門不斷地向生產(chǎn)準備部門提供設計文件的同時,生產(chǎn)準備方面也可根據(jù)自身的專業(yè)設計要求與產(chǎn)品設計人員及時溝通,這將對產(chǎn)品設計和生產(chǎn)準備起到共同的促進作用。
批量生產(chǎn)
這一階段主要聯(lián)合供應商進行質(zhì)量控制,將新車的整車質(zhì)量打造得盡善盡美,為新車的上市做好準備。
目前,中國的自主品牌在追趕國外先進水平,開發(fā)的程序與手段大同小異,如何在這條道路上加快我們追趕的速度,細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段無疑是我們的有效方法。
汽車逆向設計全程解析與案例講解
眾所周知,車身的開發(fā)它需要大量資金的積累、技術的積累、人才的積累。我國汽車業(yè)尚沒有形成很強的研發(fā)能力,很多專家認為:過去多年我們走的開發(fā)思路,一是完全自主開發(fā),一切從零開始,這種開發(fā)思路實踐證明不成功,因為我們沒有那么大規(guī)模支持,更沒有那么多的技術、管理積累;二是圖省事,簡單"拿來主義",購買技術,這樣技術永遠掌在別人的手里,不可能形成自主開發(fā)能力。
逆向工程技術就是迅速解決提升我們汽車車身研發(fā)水平重要手段之一。我們提升汽車自主開發(fā)能力,趕上世界水平唯一的辦法,必須采取站在巨人的肩膀上,要消化、吸收、改進、創(chuàng)新。韓國、曰本都曾經(jīng)走這條路,他們不是簡單的把別人的車拿來裝配,而是真正地消化、吸收,通過消化、吸收學習,縮短與世界水平的差距,逐步培養(yǎng)起自己的自主開發(fā)能力,因此成為今天的汽車開發(fā)世界強國。
逆向工程技術正是消化、吸收先進技術重要方法之一,尤其在車身開發(fā)方面,逆向工程技術是送我們走上巨人肩膀的強大武器。我們福田公司車身開發(fā)人員正是利用這先進技術開展了歐曼重卡車身的研發(fā),并取得了成功。
一、逆向設計的概念
逆向工程(ReverseEngineering-RE)是對產(chǎn)品設計過程的一種描述。
在工程技術人員的一般概念中,產(chǎn)品設計過程是一個從無到有的過程,即設計人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術參數(shù)等,然后通過繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型,最終將這個模型轉(zhuǎn)入到制造流程中,完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。這樣的產(chǎn)品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產(chǎn)品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說,逆向工程產(chǎn)品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型,反向推出產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)(包括設計圖紙或數(shù)字模型)的過程。從這個意義上說,逆向工程在工業(yè)設計中的應用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用,特別是數(shù)字化測量技術的迅猛發(fā)展,基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數(shù)字化測量設備(如坐標測量機、激光測量設備等)獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù),需要利用逆向工程技術建立產(chǎn)品的三維模型,進而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此,逆向工程技術可以認為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關數(shù)字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協(xié)同過程。
作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進技術的重要手段,逆向工程和快速原型技術可以勝任消化外來技術成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設計開發(fā)模式,大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。
當今,各個行業(yè)越來越注重產(chǎn)品的外觀設計,以此來吸引顧客,最終在商業(yè)上取得成功。這點在消費產(chǎn)品的設計中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機、數(shù)碼相機、汽車等行業(yè)。
二、順、逆向工程在設計流程中的比較與分析
逆向工程,顧名思義與順向工程的設計流程不同,其過程是依靠已經(jīng)存在的零件或是產(chǎn)品原型的表面所得到的資料來建立3DCAD模型,而不是透過設計圖。
圖1:兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖,而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。
如圖1所示,其兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖,而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。順向的產(chǎn)品開發(fā)程序是設計師依據(jù)產(chǎn)品企劃時所定的規(guī)劃與設計構(gòu)想,繪制草圖及效果圖,并且依據(jù)效果圖制作手工模型,或以建構(gòu)CAD幾何模型,最后進行NC或RP(RapidPrototype)的加工程序。然而導入逆向工程設計程序后,設計師仍是依據(jù)產(chǎn)品設計企劃時所定的規(guī)范與設計構(gòu)想,但效果圖或精細描繪則已不是必備的程序了,取而代之的將是直接運用逆向工程對PU泡沫或油土模型進行點資料掃描,并交由CAD系統(tǒng)進行編修與重建,最后進行NC或RP的加工程序,從開發(fā)角度看,這個流程中可以明顯發(fā)現(xiàn)順、逆向工程的差異如圖2所示。
圖2
單純?nèi)鞒棠嫦蚬こ虝a(chǎn)生以下問題:資料量大、調(diào)取數(shù)據(jù)麻煩、曲面定位(Location)、曲面的連續(xù)性控制等。采用混合式設計流程,僅需要對修改部分作局部逆向工程快速重建、從而能縮短整個設計制造的程序。如圖3所示。
圖3
三、逆向設計的基本流程
圖4 汽車設計項目實際流程
逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產(chǎn)品制造技術的總稱,逆向工程是汽車產(chǎn)品開發(fā)的新方式。目前基于CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)字掃描技術為實物逆向工程提供了有力的支持,在進行數(shù)字化掃描、完成實物的3D重建后,通過NC加工就能快速地制造出模具,最終注塑得到所需的產(chǎn)品,通過逆向工程技術,在消化、吸收先進技術的基礎上,建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設計技術,進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計,是提高汽車設計能力和制造效率的捷徑。
逆向工程的簡單過程是:利用數(shù)字化掃描設備掃描實體模型,將數(shù)據(jù)導入計算機,利用逆向工程軟件處理獲取的點云數(shù)據(jù),行程曲線、曲面、實體模型,對實體模型進行修正,形成最終的三維模型。相比正向建模,逆向工程建模的速度更快,效率更高。逆向工程隊對計算機處理器、內(nèi)存和顯卡的性能有綜合要求,特別是要保證實時數(shù)據(jù)采集和處理,必須配置較高的內(nèi)存和性能強大的顯卡。
1、逆向工程的結(jié)構(gòu)體系
逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成:產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關鍵技術是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。
逆向工程流程圖
(1)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù),影響到重構(gòu)的CAD實體模型的質(zhì)量,并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
圖6 數(shù)據(jù)采集
(2)數(shù)據(jù)處理
對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD模型重建前,必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。
圖7 運用CATIA軟件進行數(shù)據(jù)處理
(3)模型重建
將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng),依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD模型。
圖8 重新建模
簡單理解汽車逆向設計流程:拿到實物產(chǎn)品----進行產(chǎn)品公析抄數(shù)------抄數(shù)機進行抄數(shù)數(shù)據(jù)文件STL格式-----Surfacer或Geomagic進數(shù)據(jù)處理格式為igs------進行Pro/E等三維軟件中進行繪圖,當今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。
四、實例講解
(一)逆向工程技術及其在福田重卡車身開發(fā)中應用
數(shù)據(jù)處據(jù)工作流程:對掃描數(shù)據(jù)進行處理→拼合掃描點云→以點云產(chǎn)生初步的表面→對雜訊點進行處理、刪除→根據(jù)處理后的點云以及零件特征,進行零件三維曲面、結(jié)構(gòu)重建,得到零件的三維數(shù)學模型和線架構(gòu)圖。下面以福田重卡前圍某零件為例說明。
圖9 拼合后的掃描點云圖10掃描點云生成初步的表面
圖11 刪除雜訊點后的掃描點云
圖12 根據(jù)點云建立零件的三維數(shù)學模型和線架構(gòu)
文中主要針對目前設計流程布局規(guī)劃合理性進行了探討。結(jié)合實際項目中所遇到的障礙和問題,提出順、逆向工程相結(jié)合的觀點,從而達到優(yōu)化設計流程,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。順、逆向工程的結(jié)合不僅可以解決設計流程中的設計與實體模型互動問題,也為設計師的概念發(fā)散提供了一個可靠的實物平臺。在后續(xù)研究中,將更多考慮新興技術,非接觸掃描技術,虛擬現(xiàn)實技術的進一步應用。在整個設計流程中,將虛擬與現(xiàn)實之間的時時互動作為一個應用重點。部分取代現(xiàn)有實體模型,從而進一步縮短研發(fā)周期。提高產(chǎn)品競爭力。來源:騰訊汽車