基于知識(shí)的概念汽車車身部件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

劉波胡平靳春寧丁祎來源:e-works
關(guān)鍵字:知識(shí)工程參數(shù)化概念車身 UG/NX
本文通過對(duì)汽車車身部件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程的研究,闡述了基于知識(shí)的汽車車身零件參數(shù)化的過程和方法,由此提出了車身概念設(shè)計(jì)階段白車身參數(shù)化設(shè)計(jì)的新思路。以某車型車身側(cè)圍外板為例,在UGS/NX平臺(tái)上開發(fā)出一個(gè)基于知識(shí)的專業(yè)設(shè)計(jì)輔助工具,運(yùn)用該工具可迅速生成側(cè)圍外板的全參數(shù)化模型。該設(shè)計(jì)工具內(nèi)嵌了車身設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)和專家的經(jīng)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了車身零件設(shè)計(jì)過程的參數(shù)化、自動(dòng)化和智能化,極大提高了車身設(shè)計(jì)效率和品質(zhì)。

1、前言

汽車車身的開發(fā)過程中,空間關(guān)系和約束關(guān)系復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊,設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和技巧仍然是影響設(shè)計(jì)效率的主要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)正從靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì),變?yōu)榛谥R(shí)工程或?qū)＜蚁到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)的智能化設(shè)計(jì)方法。

知識(shí)工程(KBE)系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)存在的問題提出了方案,如設(shè)計(jì)原理的體現(xiàn)、約束是否沖突、設(shè)計(jì)制造是否可行等。KBE系統(tǒng)所要達(dá)到的目的是使產(chǎn)品信息在整個(gè)生命周期中都可得到應(yīng)用,從而獲得最優(yōu)化方案。

基于知識(shí)的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā),國內(nèi)外都進(jìn)行了長(zhǎng)期研究和大量的工作。但是,到目前為止大部分產(chǎn)品都集中于應(yīng)用行業(yè)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證和分析,如基于知識(shí)的汽車座椅布置、H點(diǎn)的優(yōu)化、視野校核、車門附件的布置等。而基于知識(shí)的白車身設(shè)計(jì)開發(fā),比如車身側(cè)圍板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩板等,則鮮有介紹。

本文以車身側(cè)圍外板為例,論述了基于知識(shí)的白車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化過程和方法,由此提出了全新的白車身的開發(fā)思路和設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用該思路和方法可幫助和指導(dǎo)工程師在車身概念設(shè)計(jì)階段,快速生成完全參數(shù)化的白車身原型,從而迅速提出和確定零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,以此提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

2、汽車車身零部件原型概念

在研究各種車型的真實(shí)詳細(xì)車身零部件基礎(chǔ)上,去除特殊的或個(gè)別的細(xì)小結(jié)構(gòu),抽取共同的和普遍的形狀和結(jié)構(gòu),形成完全參數(shù)化的三維模型,稱之為零件原型,如圖1所示。

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圖1 零件原型示意圖

零部件原型屬于對(duì)車身各種詳細(xì)零部件的高度概括和總結(jié),是一種捕獲了專業(yè)知識(shí)和集成了專家經(jīng)驗(yàn)的全參數(shù)化的KBE模型。

本文所闡述的基于知識(shí)的白車身設(shè)計(jì)工具的開發(fā),其設(shè)計(jì)思想主要在于構(gòu)建這種基于知識(shí)的產(chǎn)品原型,即通過軟件技術(shù)將專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過程的有關(guān)知識(shí)集成在產(chǎn)品信息模型中,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能化、自動(dòng)化。使工程師在設(shè)計(jì)時(shí)能得到相關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的幫助,從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

3、基于知識(shí)的白車身設(shè)計(jì)方法

汽車車身設(shè)計(jì)過程是一個(gè)建立在工程師豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及集合專業(yè)性知識(shí)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維過程,同時(shí)也是在現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步積累創(chuàng)新,即是一個(gè)包含了對(duì)知識(shí)的繼承、集成、創(chuàng)新和管理的過程。

眾所周知,車身的大型覆蓋件一般都是自由曲線曲面構(gòu)成的復(fù)雜空間形狀,很難像機(jī)械實(shí)體零件一樣進(jìn)行參數(shù)化。以典型的四門車身側(cè)圍外板為例至少需要約100個(gè)參數(shù)以及至少20個(gè)以上的基本幾何輸入才能進(jìn)行相對(duì)完整的描述,而且這些參數(shù)和幾何輸入之間又存在著相互依存相互影響的關(guān)系。所以,車身側(cè)圍不僅僅是一個(gè)單純幾何體,它還是一個(gè)非常復(fù)雜的參數(shù)化系統(tǒng)。

雖然車身的零件如此復(fù)雜,但通過仔細(xì)分析并結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)每個(gè)零件都有基本的參數(shù),基本的幾何輸入以及主截面信息這些共同點(diǎn)?；谏鲜龅姆治?本文采用了“分區(qū)分層”的方法來實(shí)現(xiàn)車身零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.1 白車身零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)化的“分區(qū)法”

以車身側(cè)圍外板為例,幾乎每種車型的尺寸和結(jié)構(gòu)都是不同的。在車身側(cè)圍的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具開發(fā)過程中,應(yīng)該怎樣處理才能使零件原型提供最大的柔性,足以涵蓋大部分典型結(jié)構(gòu),同時(shí)為將來的進(jìn)一步修改留有余地。

采用“分區(qū)法”解決了的這個(gè)問題,其基本思路是將車身側(cè)圍進(jìn)行分割:結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立且具有共同截面信息的區(qū)域劃分為一塊;各個(gè)結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域劃分為一塊。這樣整個(gè)車身側(cè)圍就可以變成多個(gè)區(qū)域的柔性組合,然后比較容易單獨(dú)構(gòu)建并控制每個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu),使得車身側(cè)圍變成一個(gè)全參數(shù)化靈活可變的零件原型。
典型的四門車身側(cè)圍外板采用“分區(qū)法”可以分成七個(gè)區(qū),如圖3所示。分別對(duì)應(yīng)側(cè)圍外板A柱上部、A柱下部、B柱上部、B柱中部、B柱下部、C柱上部和C柱下部。

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圖2 車身側(cè)圍外板的分區(qū)

3.2 白車身零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)化的“分層法”

圖3展示了車身零件參數(shù)化控制結(jié)構(gòu)的不同層次已經(jīng)各層組件之間幾何鏈接的關(guān)系。

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圖3 分層控制結(jié)構(gòu)

Level 0(總體架構(gòu)層),這個(gè)存放一些基本曲線和曲面,用來定義車身零件的主要部分。

Level 1(驅(qū)動(dòng)幾何層),這個(gè)層包含了一些文件來對(duì)應(yīng)總體架構(gòu)層的每個(gè)輸出?？梢詫?dǎo)入新的造型曲面或者其他一些基本幾何元素。在驅(qū)動(dòng)幾何層,有一些部件文件包含有車身結(jié)構(gòu)主斷面的草圖信息,其中存儲(chǔ)了用于創(chuàng)建下游部件的截面參數(shù)。

Level 2(關(guān)系層),這個(gè)層里的文件可以基于如上所述的主要特征,創(chuàng)建與主截面相關(guān)的曲面。

Level 3(區(qū)域收集層),用劃分區(qū)域的方法來控制主截面之間的過渡部分,而且可以從關(guān)系層收集所有信息用于創(chuàng)建過渡部分。

Level 4(區(qū)域建模層),通過Trim和Fillet的方式,在各個(gè)區(qū)域之間建立過渡結(jié)構(gòu)。其尺寸和相關(guān)性通過主截面中的參數(shù)控制。

Level 5(部件層),收集所有區(qū)域建模層的不同部件到相應(yīng)的一個(gè)部件里,并最終縫合成一個(gè)片體,然后將次片體鏈接到產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)中。

這種分層的控制結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)車身覆蓋件結(jié)構(gòu)參數(shù)化的核心方法。層與層之間設(shè)計(jì)信息的傳遞與控制是通過UG/WAVE LINK技術(shù)和引用部件間表達(dá)式(Inter Part Expression)來實(shí)現(xiàn),使得白車身變成了一個(gè)有機(jī)的全參數(shù)化的KBE模型。分層控制的思想體現(xiàn)了車身正向設(shè)計(jì)由粗到細(xì)、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的設(shè)計(jì)原則。

3.3 車身零件結(jié)構(gòu)斷面知識(shí)的獲取與管理

白車身的復(fù)雜性決定了描述其結(jié)構(gòu)形式的特殊性。機(jī)械實(shí)體零件可由若干基本幾何體組合而成,而車身零部件一般是由若干結(jié)構(gòu)斷面這種特殊的方法來來描述其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。每一個(gè)結(jié)構(gòu)斷面包括設(shè)計(jì)尺寸、圓角大小,翻邊長(zhǎng)度以及相鄰零件相關(guān)信息,因此,結(jié)構(gòu)斷面是白車身參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的基本知識(shí)來源。

而如何獲取和管理知識(shí)(主要是典型結(jié)構(gòu)斷面信息),則是實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的白車身參數(shù)化的重要問題。每一種車型都有典型的結(jié)構(gòu)斷面,這些知識(shí)的獲取可以從工程圖紙、設(shè)計(jì)手冊(cè)、工程師經(jīng)驗(yàn)以及參考現(xiàn)有同類車型得到,并根據(jù)專家的意見加以進(jìn)一步的提煉與總結(jié),得到最終的參數(shù)化的結(jié)構(gòu)截面。

圖4以車身側(cè)圍外板A柱結(jié)構(gòu)斷面為例,表示了知識(shí)的獲取與知識(shí)的表示流程。

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圖4 知識(shí)的獲取與表示

對(duì)結(jié)構(gòu)截面知識(shí)的存儲(chǔ)和管理主要通過UGS/NX平臺(tái)的內(nèi)部電子表格(UG/spreadsheet)和向?qū)浇缑?UG/Wizard UI)來實(shí)現(xiàn),如圖5所示。描述結(jié)構(gòu)斷面的所有參數(shù)都以表達(dá)式(Expression)的形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)的電子表格里形成知識(shí)庫。

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圖5 知識(shí)的存儲(chǔ)與管理

對(duì)于車身側(cè)圍外板來說,知識(shí)庫包括七大區(qū)域共六個(gè)典型截面結(jié)構(gòu)的140個(gè)參數(shù)。對(duì)知識(shí)庫的管理和訪問主要是引用或編輯電子表格里的表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)。知識(shí)庫里的表達(dá)式與KBE三維模型密切聯(lián)系,當(dāng)表達(dá)式的值改變,就整個(gè)KBE三維模型就會(huì)相應(yīng)更新。

UGS/NX Wizard UI 是UGS/NX軟件開發(fā)平臺(tái)提供的一種具有向?qū)焦δ艿慕缑?。它與傳統(tǒng)的UI界面相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):

1). 界面友好,有準(zhǔn)確的提示語句和直觀的圖形來指導(dǎo)用戶工作。

2). 嚴(yán)格控制操作流程,嚴(yán)格區(qū)分生成和編輯兩個(gè)狀態(tài),出錯(cuò)機(jī)會(huì)降低。

3). 向?qū)降牟僮鹘缑嬷g可任意跳轉(zhuǎn),便于靈活編輯。

向?qū)浇缑媪鞒虈?yán)謹(jǐn)清晰,參數(shù)和幾何體的輸入簡(jiǎn)單,模型的修改和編輯方便,適合把工程師對(duì)白車身的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程固定下來,這也是一個(gè)知識(shí)的積累和總結(jié)的過程。

4. 應(yīng)用實(shí)例

以一個(gè)復(fù)雜的車身零件(四門車的側(cè)圍外板)為例,來驗(yàn)證基于知識(shí)的白車身參數(shù)化的思想和方法。

4.1 定義幾何輸入

設(shè)計(jì)軟件模塊工具的幾何輸入主要是通過從軟件圖形窗口拾取,并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里。四門車身側(cè)圍外板的幾何物體輸入包括前/后門洞線、前/后門洞面、腰線、門開口線、B柱外表面、沖壓方向、前門上下鉸鏈點(diǎn)等。

4.2 定義截面參數(shù)輸入

設(shè)軟件的參數(shù)輸入主要是側(cè)圍的各分區(qū)典型斷面的尺寸參數(shù)數(shù)值,如圖6所示。用戶還可以定義自己的截面庫,以適合各種車型的特殊結(jié)構(gòu)。

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圖6 截面參數(shù)輸入

4.3 設(shè)計(jì)流程

軟件的設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

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圖7 設(shè)計(jì)流程

4.4 設(shè)計(jì)輸出

此軟件工具的設(shè)計(jì)輸出結(jié)果是一個(gè)四門車身側(cè)圍外板的裝配結(jié)構(gòu),此零件的裝配結(jié)構(gòu)與本文所闡述的“分區(qū)分層”思想是一致的。

圖8顯示了軟件最后輸出的車身側(cè)圍外板全參數(shù)化模型。

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圖8 輸出的模型

5、結(jié)論

在車身概念設(shè)計(jì)階段,基于知識(shí)的汽車車身側(cè)圍設(shè)計(jì)工具能快速生成完全參數(shù)化的側(cè)圍原型零件。該原型零件內(nèi)嵌了車身設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)和專家的經(jīng)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了車身側(cè)圍設(shè)計(jì)過程的參數(shù)化、自動(dòng)化。運(yùn)用基于知識(shí)的白車身參數(shù)化方法和思想可以很容易應(yīng)用到車身其他零部件中,從而開發(fā)出基于知識(shí)的白車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),使用該系統(tǒng)可提高白車身設(shè)計(jì)效率,大大縮短整個(gè)車身的開發(fā)周期。

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