CAD技术在汽车行业的重要性

汽车行业的CAD技术是计算机辅助技术的核心内容。

1.CAD技术在汽车行业的发展

汽车行业是CAD技术最先应用的领域之一，国外一些著名的汽车公司很早就自行开发CAD/CAM软件。现在，CAD/CAM技术几乎被世界所有汽车公司所采用，可以说CAD技术的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水平的重要指标。

国际上，美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。早在20世纪80年代初，福特公司就着手CAD/CAM系统的规划，建成了以工作站为主体的环形网络系统；1985年已经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现；1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车，大约70%的外板件采用CAD/CAM；20世纪90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM，应用率达100%。福特公司1990年工作站已达2000台，以FGS工作站（约占70%）和CV工作台（约占18%）为主，其应用软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽车公司提出了C3P（CAD/CAE/CAM/PLM）概念，并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。

日本三菱汽车公司1960年从冲模的NC数控加工着手，以CAD/CAE/CAM为动力，对从设计到制作的各项工程踏踏实实地进行了改革。至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。

法国雷诺汽车公司应用Euclid软件作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，并开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavi-sion，用于钣金成型分析的OPTRIS等。

德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。1994年，德国大众集团决定用CATIA和Pro/Engineer作为其将来开发新车型的主导CAD系统。

我国的CAD/CAM工作始于20世纪70年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益。少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD/CAM系统，其应用水平也接近国际先进水平。许多中小企业应用CAD/CAM技术在保证产品质量、提高劳动率等方面也取得了显著的经济效益。但是总的说来，国内在CAD/CAM技术应用的深度和广度方面与国外先进水平相比还有很大差距。

随着社会主义市场经济的发展，国有企业需要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业的活力和适应市场的应变能力，而采用CAD/CAM技术被认为是唯一的出路。

2.汽车行业产品设计的特点

汽车整车产品设计具有以下特点：

1）结构复杂，零部件众多，面临复杂装配。汽车整车是由上万个零件所构成，随着汽车的结构越来越复杂，流线型和紧凑型要求越来越高，在设计过程中装配往往面临比较严峻的挑战。目前，设计有自底向上及自顶向下两种方式。自底向上是先完成零件的设计，然后再进行装配的验证，但是针对汽车这种复杂结构的产品来讲，这种设计方式往往会付出比较高的代价来进行修改和验证。因此，在设计时需要遵循自顶向下的方式，即先确定好各个零件之间的装配尺寸，然后再由各个部分进行分开设计，在设计过程中要严格控制尺寸的变化以及各个零件之间的装配关系。

2）线束及管道设计复杂。线束及管道在汽车里面扮演着重要作用，但二者的形状极其不规则，在以前的二维环境中，设计师很难确定线束及管道的路径及走向，并且也很难在实物模型出来之前进行是否发生干涉等装配的验证。

3）除产品设计，模具设计也是整车设计的基本内容。汽车白车身是由各个零件焊接而成，而各个组成白车身的零件是经过冲压或者锻压的工艺制造出来的，因此对模具的设计需要在汽车设计时予以考虑，才能在覆盖件设计时充分考虑制造的过程及成本。

4）车身设计不仅重视工程要求，更注重外观造型。汽车车身的外形、涂装及色彩是汽车给人们的第一个外观印象，是人们评价汽车的最直接方面，也是轿车的重要市场竞争因素，是汽车设计非常重要的内容。车身造型既是工程设计，又是美工设计。从工程设计来看，它既要满足结构的强度要求、整车布置的匹配要求和冲压分块的工艺要求，又要适应车身的空气动力学的要求而具有最小的空气阻力系数。从美工设计来看，它应当适应时代的特点和人们的爱好，要像对待工艺品那样进行美工设计，给人以高度美感。

5）在保证可靠性的前提下尽量减小汽车的自身质量。和固定的机械设备不同，作为运输用的汽车，其自身质量直接影响其燃油经济性。和单件生产/小批量生产的产品不同，作为大批量生产的汽车，减小其自身质量可节约大量的制造材料，降低生产成本。合理地减小汽车的自身质量，会对汽车工业和汽车运输业带来巨大的经济效益。最优化设计方法可满足这方面的设计要求。

3.CAD在汽车行业应用中的难点及关键技术

传统的汽车设计方法的整个过程是基于手工设计完成的，其特点是整个过程是通过实物、模型、图样、样板等来传递信息。随着计算机技术的发展，计算机逐步代替人脑承担起复杂的计算和分析，同时引进CAD等现代设计方法，帮助工程师们抛掉传统的手工方式，既方便设计，又能改善设计质量，缩短设计周期。因此，国外著名汽车公司都不惜花巨资实施CAD技术，一方面加快新车型上市的速度以满足复杂多变的市场需求；另一方面节省开发成本，向消费者提供物美价廉、物超所值的产品，从而提高自身的市场竞争力。

最初的二维设计，已经不能满足汽车设计中应用的大量曲面造型、复杂装配等的设计要求。CAD系统则在发展过程中逐步采用了统一的数据结构和公用数据库，采用实体造型技术、参数化技术和特征造型技术等，利用计算机作为辅助工具，给设计人员带来了前所未有的便利。

（1）汽车装配CAD技术 汽车总布置是汽车设计中重要的一环，对汽车产品质量起决定性的作用。总体布置采用模块化设计，模块之间互相联系，彼此间可以交换数据。

在进行布置设计时，都是在三维空间内进行，因此必须确定零部件位置，这对建立整车坐标系及总成的坐标系很有必要。在已建立的坐标系中建立数学模型，用坐标点的方法完成总成装配。待设计完成后，要进行干涉检查，一般分为位置干涉检查和运动干涉检查。汽车动力性、操纵稳定性、制动性都是性能分析的重要工作。

另外，汽车总布置CAD系统是以数据库、图形库为基础的，设计过程中产生的一系列数据对于今后的工作会有很大的帮助。总成图形库存储的是与整车总布置密切相关的零部件，其数据包含了对总成的特征结构和尺寸的描述。总布置数据库主要包含设计中的一些中间参数和数学模型运行结果，具有动态性。

自上而下（Top Down Design Process）设计是汽车设计装配中比较重要的设计方法，即在产品整体设计的初期，就定位于整个装配系统的最高层面来考虑产品的总体设计和功能性设计。

这种方法是从装配构成的最顶层开始，在一个骨架模型零件中来考虑和表达整个装配的各个部件的相互位置关系、作用和实现的功能等，集中捕捉产品的设计意图，自上而下传递设计信息，从而更加有目的地进行后续的设计。骨架模型就是产品设计信息的载体，这个骨架模型的建立需要考虑到不同零件之间的参数关系与驱动关系，这些信息会用来作为后期详细模型设计的基础。由于在骨架模型设计阶段就考虑到了整体装配的相互关联信息，所以，很多设计上的缺陷与问题可以在整个设计的早期阶段得到及时发现和更正。设计后期发现的问题也可以通过修改骨架模型来实现后续相应零部件的自动更改。

以骨架驱动为主要手段的Top/Down设计将设计流程分为3个主要阶段：

•骨架模型设计阶段（设计前期验证）。

•零部件详细设计阶段（基于骨架的建模）。(www.xing528.com)

•装配验证阶段（模型装配与DMU干涉检查）。

利用Top/Down设计方法，结合CAD软件在各个设计阶段设计及验证的CAD功能，将使设计过程变得更有效率。

（2）CAD在线束设计中的技术 在传统的生产工艺中，是由电器设计人员根据选择导线估算出线束分支直径，根据总布置图样，粗略测算出线束走线直径、长度等，等首台样车试制出来后，再进一步修改电线束各分支长度、外部保护、线夹设置等细节，完善图样，重新制作样件，再装车，如此反复。由于电线束设计落后于其他系统，致使整个设计周期延长。

为了在电线束制作前精确地设计出电线束布置位置、线径、线长，与整车同步开发设计可以利用CAD三维布线软件，与整车相关系统同步进行三维布线设计。

CAD在线束设计时具有如下优势：

1）CAD软件将线束图的设计和绘制与现有的三维机械设计完美地融合在一起，使设计过程非常流畅。软件的三维设计环境和二维线束定版图生成环境是相互关联的，在任何一个环境中所做的改变都会体现在另一个环境中，这就减少了更改机械部分及电气设计时出错的机会。

2）可以从电气原理图和ASCⅡ文本文件中获取电讯的接线信息，实现了与电讯信息的融合。

3）在线束图样的设计过程中，可以综合所有的针对线束设计的要求和规则。这些要求和规则包括电气方面、机械和制作工艺方面，用来校对、检验线束图的设计，使设计出的线束符合产品各方面的要求。

4）在线束设计完成后，能够从三维设计数据中自动生成所有生产所需要的信息，如原材料清单、导线列表和线束定版图等，从而消除了人工制作产生的影响。

5）在线束设计完成后，所有信息都存储在三维模型中，并且可以随时调出，可维护批量生产的一致性。

6）电气线束的可视化设计，可直观显示各组件之间的关联关系，便于检查信号走向和电线束制作。

（3）汽车模具CAD技术 汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体零件。同一般的冲压件相比，它具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和质量要求高等特点。其零件大多是由复杂的空间自由曲面组成，成形时坯料上各部分的变形复杂、差别较大，各处应力也很不均匀。

由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观需求，因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不允许有任何皱裂和拉痕的缺陷。这给覆盖件成形的关键工序例如拉延，提出了很高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造技术的难点和关键所在。

利用CAD软件，经过曲面光顺拟合、确定冲压方向、工艺补充和凸凹模型面生成等过程，可以在虚拟的环境中先将模具设计出来，并在虚拟环境中进行静态装配和动态模拟，减少模具的开发时间。CAD软件（例如UG），通常会提供模具设计专用的功能菜单，对模具的凸凹模的曲面以及内部管道等有很强的支持。

同时，模具在设计过程中，特别是大型的模具，由于零件冲压后有回弹，必须经过多次修模才能对钢板的回弹进行补偿，而且每次修模都会损耗大量的成本以及时间。利用CAD技术在虚拟情况下模拟钢板在冲压过程中的变形，而减少修模的次数，从而节省成本及实施周期。

（4）CAD在车身设计中的曲面造型技术 在车身设计中，由于需要考虑空气动力学设计等因素，流线型车身为汽车造型带来了更多的曲面设计的需求。随着CAD技术的发展，车身造型逐步由草图加油泥模型造型设计方法向数模与虚拟装配仿真的虚拟现实设计方法转变，特别是欧美的很多大型汽车企业都向无纸化趋势发展，完全应用相应的计算机软件对车身造型进行不同阶段的设计与分析。目前，CAD软件都具有专业的曲面造型、逆向工程等模块，例如知识智能、曲面造型分析评价、有限元分析以及数字化虚拟样机等强大的功能模块，为许多用户所青睐。

利用CAD进行车身曲面造型一般包括以下几个步骤：

1）采用参数化建模的方法对设计对象进行特征的提取。

2）将其特征量用参数表示，从而奠定了下一步建立公式或规则的基础。

3）在确定特征的基础上，将设计师的设计思想或设计方法等知识归纳为规则或公式。通过建立特征之间的关联，将设计思想或方法等知识转化为可用计算机实现的工作过程。

4）这些规则或公式还可以根据特征或参数对设计的结果进行量化评估。

曲面质量对汽车的外覆盖件很重要，光顺的独立曲面连接后并不一定生成光顺的整体曲面，因而对车身全部曲面生成且拼接后，要对整体曲面进行评价。A级曲面分析是CAD环境下曲面品质检测的重要方法。A级曲面高亮分析方法是通过黑白相间的条纹，显示曲面法向与指定方向的角度，对车身造型曲面进行曲面高亮分析，进而分析评价车身造型曲面的质量。

利用CAD软件进行曲面造型不仅节省了设计上的时间和工作量，同时能够直观地了解车的外形以及方便地对颜色进行渲染，在最后还可以利用软件在虚拟环境中对曲面的设计进行分析和验证。CAD的造型技术已经得到各大汽车厂的认可，并将逐步得到发展。

（5）CAD技术在汽车轻量化中的应用 汽车减小自重，不仅可以改善汽车的各项性能，还能降低油耗节省资源。有两种途径可实现汽车轻量化，一种是采用复合材料，另一种是减小汽车结构尺寸。但为了保证汽车具有较高的安全性，采用缩小尺寸的方式必有一个界度。尽管现如今复合材料已经广泛用于汽车上，但是从整体上来说，还没有完全达到节省资源的目的。一方面继续研究性能更为优越的轻量化材料，另一方面可以从设计方面入手。

目前CAD系统只能表示实体的几何和拓扑信息，而不能表示材料信息。一个现代化的CAD系统应该能建立实体内部的材料信息，即在一个实体内有着不同的材料结构。而许多结构部件要求材料性能在零件内部随位置变化而连续变化，这样做既能满足零件的性能要求，又能节省大量材料。比如气缸，其内部承受高温，因此可采用耐高温材料——陶瓷，外部要求具有良好的延展性，可采用金属，因此可以实现陶瓷材料和金属基体间的双向扩散，材料组成呈梯度变化。但是能够同时进行几何设计和材料设计的CAD技术，在国内并没有从理论走向实践，不过这将会成为今后CAD技术研究的新亮点。