数字化功能样机系统及在汽车设计中的应用

! 数字化功能样机技术在汽车方面的应用
汽车工业作为 制 造 业 的 领 头 羊、发 达 国 家 的 支 柱 产 业， 在带动和辐射相关产业的技术创新和产业发展方面起着非 常重要的作用。而汽车传统设计方法采用的是“设计 ! 试制 ! 试验”的设计流程，按照设计者的意图试制出样车后，要进 行大量的试验与分析，据此改进最初设计，再进行新一轮试 制与试验，经过 反 复 修 改 才 能 定 型，然 后 投 入 生 产 准 备。 这 样的设计方法，需经多轮样车试制与反复试验，不仅花费大 量人力、经费，延长设计周期，而且有些试验因具危险性而难 以进行；同时汽车已经是机、电、液压、控制集成的复杂产品， 有许多设计已经无法通过试验来确定；更为重要的是，对汽 车结构与性 能 关 系 的 本 质 规 律 无 法 掌 握，不 能 用 于 指 导 设 计。
从国外的统计材料表明，应用数字化功能样机技术可降
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低工程设计成本 F# $ #"H ；可减少从产品设计到投产的时间 #" $ I"H ；提高产品质量 % $ F% 倍；增加分析问题的广度和深 度能力 # $ #% 倍；增加产品作业生产率 *" $ +"H ；增加投入 设备的生产率 ! $ # 倍；减少加工过程 #" $ I"H ；降低人工成 本 %H $ !"H 。随着 ’() 技术的深化应用，数字化功能样机 技术将在制造业获得越来越广泛的应用，这样不仅可加速传 统产业和产品的技术改造，还可促进传统学科的飞速发展。 由此产生的直接和间接经济效益是巨大的，其社会效益也是 不可估量的。
目前国外基于多体系统 " 有限元理论的数字化功能样机 已有一些通用系统，如 #$#%&，已经可以考虑刚 ! 柔混合多 体问题，程序可以自动建立微分方程并求解，这部分技术已 经较为成熟；但多体与有限元部分是通过接口传递，分别采 用不同的前处理程序，尚未做到真正的集成环境，因此统一 的集成建模环境成为研究重点，国外公司正在开发多体系统 " 有限元的数字化功能样机统一集成环境。
因此，随着我国 ’() 技术 的 深 化 应 用，企 业 信 息 化 进 程 加 快 ，迫 切 需 要 符 合 我 国 当 前 国 情 ，支 持 复 杂 产 品 创 新 设 计 的 技 术 手 段 ，全 面 提 升 我 国 制 造 企 业 核 心 竞 争 力 。 研 究开 发 实 用 高 效 的 数 字 化 功 能 样 机 系 统 ，可 为 制 造 业 提 供 一种 支 持 复 杂 产 品 创 新 设 计 的 技 术 手 段 ，能 显 著 提 高 产 品 设 计 质 量 ，缩 短 产 品 开 发 周 期 。 这 对 增 强 我 国 制 造 业 尤 其 是汽 车 业 的 产 品 设 计 水 平 、提 升 制 造 企 业 的 核 心 竞 争 力 具 有重要意义。
随着加入 JDK 后国内市场的不断开放，市场竞争更加 激烈，作为国民经济支柱产业的制造业首当其冲。我国已经 成为制造大国，但不是制造强国，多数企业仅能从事“简单” 制造，缺乏自主开发的核心技术，尤其在许多重大原创性核 心技术方面的开发几乎空白。目前机电产品本身日趋复杂， 市场竞争日益激烈，而我国制造业普遍存在着产品设计效率 低下、产品创新 能 力 差 等 问 题，汽 车 行 业 也 不 例 外。这 种 局 面严重制约我国国民经济的快速发展。尤其是具有核心技 术的产品（如汽车）市场更是如此。
! 引言
数字化功能样机（ ,-./012.34 5160-34 762020891.:，,57）技术 是在 ’() ; ’(< ; ’(= 技术和虚拟样机（5160-34 76202089>，57） 技术基础上发展起来的，并综合了近些年取得突破性进展的 多领域物理系统（<-401 $ ?2@31. 7A8B1/34 C8B0>@，<7C）建模与 仿真技术。这项技术自产生后就迅猛发展，并得到多方面的 应用。在汽车产品设计与性能分析方面，更是得到了广泛应 用，引起了人们的极大关注。
" 基于数字化功能样机系统的汽车设计分析系统 的实现
对于基于多柔体的数字化功能样机动态分析子系统和 基于多领域物理系统的数字化功能样机性能分析子系统，采 用框架集成的三层体系结构，自顶向下、自底向上相结合的 设计实现方法，两个子系统的设计实现与整个系统的框架集 成迭代进行，框架系统从求解引擎、数据交互和分析过程三 个层次进行集成。这种体系结构分别实现以机械系统为核 心的数字化功能样机子系统和多领域物理建模与仿真子系 统，并对其进行框架集成。这样不仅可以实现与 7#$ " 7#% 一体化集成的数字化功能样机系统，并且可利用多领域物理 子系统平台，使数字化功能样机具有多领域的扩展性，在此 基础上的扩展具有良好的可重用性。
!""# 全国仿真技术学术会议论文集
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数字化功能样机系统及在汽车设计中的应用
任卫群，周凡利，张云清
（华中科技大学 ’() 中心，湖北 武汉 *#""+*）
摘要：数字化功能样机（ ,-./012.34 5160-34 762020891.:，,57）技术是在 ’() ; ’(< ; ’(= 技术和虚拟样机（5160-34 76202089>，57）技 术基础上发展起来的，并综合了近些年取得突破性进展的多领域物理系统（<-401 $ ?2@31. 7A8B1/34 C8B0>@，<7C）建模与仿真技 术，针对整个产品性能进行优化设计，是基于系统的优化设计，能通过虚拟试验精确、快捷地预测产品整机性能。对于汽车 这样的多领域综合、复杂机 $ 电 $ 液 $ 控产品，尤其适合采用数字化功能样机技术进行设计分析。该文介绍数字化功能样 机系统研究开发的背景及数字化功能样机技术的发展状况与趋势，以及基于数字化功能样机系统进行汽车设计分析系统开 发的情况。 关键词：数字化功能样机；汽车设计；汽车性能分析 中图分类号：D7#EF G E 文献标识码：(
国外早就开始了数字化功能样车技术的研究与应用， 并形 成 了 一 系 列 商 业 化 数 字 化 功 能 样 车 仿 真 系 统 软 件 ，这 是汽车领域运用数字化功能样机新技术的大趋势。美国 福特汽车公司早在 41 年代末就已在其新开发的轻型车上 采用了这样的技术。之后 5% 汽车公司、克莱斯勒汽车公 司 及 德 国 、日 本 等 国 的 车 辆 公 司 ，都 纷 纷 开 始 研 究 与 应 用 数字化功能样车技术。各个大汽车公司都投巨资构建其 高度自动化的虚拟样车系统，如近 61 家大汽车公司拥有二 次开发的 #$#%& " 7’8 系统用于整车的设计与开发。目前 这些先进的汽车公司都已将数字化功能样车技术广泛应 用 于 新 产 品 开 发 ，已 从 研 究 、支 持 发 展 成 为 产 品 开 发 中 的 成熟技术。
# 数字化功能样机技术的发展状况与趋势
’() ; ’(< ; ’(= 技 术 的 重 点 是 针 对 零 部 件 的 优 化 设 计 ，而 零 部 件 的 最 优 并 不 代 表 产 品 性 能 的 最 优 ；数 字 化 功
能样 机 技 术 则 是 对 整 个 产 品 性 能 进 行 优 化 设 计 ，是 基 于 系 统 的 优 化 设 计 ，能 通 过 虚 拟 试 验 精 确 、快 捷 地 预 测 产 品 整 机性 能 。基 于 多 柔 体 系 统 理 论 ，解 决 产 品 的 动 力 学 、变 形 、 强度 、寿 命 等 问 题 ；基 于 多 领 域 物 理 系 统 理 论 ，解 决 复 杂 产 品机 ! 电 ! 液 ! 控等多领域能量流和信号流的传递与控 制问题。
" 数字化功能样机系统研究开发的背景
制造业是国 民 经 济 的 重 要 支 柱，制 造 业 的 创 新 能 力、 技术水平已成为提高经济实力和综 合 国 力 的 根 本。!F 世 纪是 数 字 化 和 信 息 化 的 时 代 ，也 是 经 济 全 球 化 和 竞 争 全 球 化的 时 代 。正 是 在 这 个 大 背 景 之 下 ，制 造 业 的 经 营 观 念 和 对制 造 系 统 的 要 求 发 生 了 深 刻 的 变 化 ，人 们 从 不 同 的 角 度 提出 了 制 造 系 统 的 多 种 新 模 式 和 新 哲 理 ，如 计 算 机 集 成 制 造 、并 行 工 程 、敏 捷 制 造 、数 字 化 制 造 等 等 。 分 析 这 些 新 模 式 和 新 哲 理 可 知 ，它 们 的 核 心 在 于 ：在 制 造 企 业 中 全 面 推 行数 字 化 设 计 与 制 造 ，通 过 在 产 品 全 生 命 周 期 中 的 各 个 环 节深 化 计 算 机 技 术 的 应 用 ，促 进 传 统 产 业 在 各 个 方 面 的 技 术 更 新 ，使 企 业 在 持 续 动 态 多 变 、不 可 预 测 的 全 球 性 市 场 竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。数字化 功能 样 机 技 术 ，正 是 目 前 国 际 制 造 业 中 广 泛 采 用 的 数 字 化 设计与制造的手段。它解决了产品性能要求的不断提高 对设 计 能 力 提 出 的 挑 战 ，满 足 了 市 场 竞 争 情 况 下 开 发 周 期 不断 缩 短 的 要 求 ，可 以 在 最 短 时 间 设 计 制 造 出 最 高 质 量 的 产品，并尽可能降低设计成本。
由于汽车产品十分复杂，数字化功能样车要能精确表达 实际物理样车的特性必须建立十分详细复杂的虚拟样车模 型，这需要有大批有较高数学、力学、计算机、车辆工程背景 的建模工程师来完成，而且这项任务的工作量浩大，十分容 易出错，无论在时间上，还是费用上都给虚拟样车技术带来 了负面影响。为了解决这个问题，面向设计师的建模高度自 动化的数字化功能样车仿真系统成为数字化功能样车技术 的一项关键技术。国外一项统计，不采用面向设计师的建模 高度自动化的数字化功能样车仿真系统时，工程师 012 的时 间用于建模，312 的时间用于仿真分析；而采用面向设计师 的建模高度自动化的数字化功能样车仿真系统时，则工程师 312的时间用于建模，012 的时间用于仿真分析、优化设计， 而且对工程师的要求大大降低。