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虚拟装配技术在汽车部件级产品研发中的应用
2010年12月4日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:熊欣 过学迅 胡朝峰

    近年来,世界汽车制造业市场竞争日趋激烈,为迅速适应市场变化的需求,国外汽车厂家将现代信息技术和先进设计方法应用于新车型研发中,以求缩短研制周期﹑提高质量和降低成本。随着计算机在设计中的应用发展,以计算机技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟装配技术也在汽车产品的研发中得到应用。

  1、虚拟装配技术

  1.1 概述

  虚拟装配(virtual assembly VA)是产品(汽车)数字化工程中一个极其重要的环节,在虚拟现实技术领域和过程仿真技术领域中得到了广泛的应用研究。到底什么是"虚拟装配"?至今仍然是学术界讨论的热门问题之一,其内涵目前仍没有统一的定义,许多学者从不同的角度进行了探索,并给出相应的定义,比较有代表性的有两个:(1)虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程,是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位﹑分析过程;(2)虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性,真实地模拟产品三维装配过程,并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程,以检验产品的可装配性。该定义着眼于产品物理装配过程的仿真过程,体现的思想也是一种分析过程。

  很明显,它们强调的方面是不同的,但是作为一项新概念和新技术,它的提出与实施,必须与具体行业的设计特性相结合才具有实际的操作意义,才能具有真正的应用内涵。因此,结合汽车研发的特点,给出如下的定义:虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现,即在计算机上完成产品(汽车)零部件的装配建模,进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程,并通过统一的产品数据管理(product data management)实现汽车三维研发过程与汽车零部件制造、装配过程的高度统一。它和CAD技术相结合,可以解决设计与装配对象在研发过程中难以实现的动态性能。

  虚拟装配虽然被定义为一种技术,实际上是许多相关技术的综合和利用,例如可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研究等等。它在实际应用中应考虑下面3个问题:(1)虚拟装配技术如何使工程设计、加工、装配、维护等得到关于装配问题的综合观察;(2)虚拟装配系统如何帮助工程研发人员做出正确决策;(3)如何实现虚拟装配和工程设计支撑系统及制造系统间的信息准确传递。

  1.2 虚拟装配基本思想

  在汽车研发中,按照与实际装配各个阶段的关系,可将虚拟装配技术分成三类,即以设计为中心的虚拟装配,以过程控制为中心的虚拟装配和以仿真为中心的虚拟装配。

  1.2.1以设计为中心的虚拟装配(design centered virtual assembly)是指将产品(汽车)的三维数字化定义应用于产品(汽车)研发过程中,结合产品(汽车)研发的具体情况,突出以设计为核心的应用思想。

  1)面向装配设计(design for assemble,DFA)在设计初期把产品(汽车)设计过程与制造装配过程有机结合,从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想,使设计的产品具有良好的结构,能高效地进行实际装配,能在产品研发的初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。

  2)自顶向下(Top-Down)的并行产品设计(concurrent product design,CPD)。分布在不同地点,不同部门的多个产品开发组(integrated product team,IPT)以产品(汽车)为核心的设计思想,从不同角度、不同需求出发进行协同地并行设计,从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响,把一切可能产生的错误和矛盾尽可能地及早发现,通过自顶向下的并行产品设计分层次地建立统一的产品动态虚拟样机。

  3)与主模型(master model)相关的可制造性设计和可装配性设计。产品(汽车)研发不同阶段的主模型提供了一个面向设计群体的虚拟装配设计环境,使得每个设计产品能有效地控制在可装配的范围之内,以不同阶段的主模型为核心,可以保证产品研发不同阶段装配模型数据结构的完整性和一致性,保证参与产品(汽车)研发的各个部门可以协同工作,实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成,有效地提高产品(汽车)可制造性和可装配性。

  1.2.2以过程控制为中心的虚拟装配(process centered virtual assembly)主要包含以下两方面内容:实现对产品总体设计进程的控制;(2)过程控制管理。

  1.2.3以仿真为中心的虚拟装配(simulate centered virtual assembly)是在产品(汽车)装配模型中溶入仿真技术,并以此来评估和优化装配过程。其主要是用来评价产品可装配性。

  1.3 虚拟装配设计流程

  在汽车部件级产品研发中,如在液力变矩器研发过程中,根据液力变矩器这一特殊产品自身的特点,可以将虚拟装配技术应用于其研发的过程划分为3个阶段(总体设计阶段、基础设计阶段、详细设计阶段),通过对3个设计阶段的控制,实现对液力变矩器研发进程的控制。虚拟装配技术设计流程如图1。


图1 虚拟装配设计流程

     1)总体设计阶段。为产品(液力变矩器)研发的初期阶段,完成初步的总体布局,主要包括:建立产品(液力变矩器)主模型空间;进行产品(液力变矩器)初步的结构、系统总体布局。

  2)基础设计阶段。为产品(液力变矩器)研发的主要阶段,基本完成产品(液力变矩器)的零部件装配建模设计,主要包括:产品(液力变矩器)零部件模型空间分配(虚拟装配区域、虚拟装配层次的划分);具体零部件模型定义,包括建立三维实体模型和装配约束;进行静态干涉检验,保证产品(液力变矩器)零部件三维模型干涉自由。

  3)详细设计阶段。为产品(液力变矩器)研发的完善阶段,完成产品(液力变矩器)装配建模的最终设计。主要包括:完成产品(液力变矩器)装配建模的最终设计;进行产品(液力变矩器)零部件三维模型的最终虚拟装配;进行动态干涉检验,保证产品(液力变矩器)零部件三维模型无干涉。

  2 工程应用研究

  2.1 硬、软件环境

  硬件:IBM M Pro图形工作站。

  软件:CATIA V5R10 SP4及其支持环境。

  2.2 某型轿车液力变矩器虚拟装配技术应用

  1)建立主模型

  在虚拟技术装配技术应用于整个产品(液力变矩器)研发的全过程中,主模型可以保证产品(液力变矩器)零部件数据结构完整一致,实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成,为协同设计和并行工程打下良好的基础,这也是实现自顶向下设计的前提条件。

  2)装配层次划分

  液力变矩器是由具有层次关系的零部件组成的复杂系统。体现在虚拟装配中,一个装配体(assembly)可以分解散为若干个零件(part)和子装配体(subassembly),一个子装配体又可以分解为若干个更下一层的零件和子装配体。这个过程实际就是一个自上而下的设计过程。在液力变矩器结构设计应用中,通过分级式多叉树状结构来描述,即按零部件间设计的逻辑依附关系来确定各模型间的父子关系,从而实现装配设计层次的划分,见图2。

图2 液力变矩器装配结构树
图2 液力变矩器装配结构树

  3)立装配约束

  装配约束管理包含对液力变矩器设计中几何模型间的关系进行控制和管理,这一机制彻底克服了自由建模的无约束状态,能确保设计的模型具有设计师所定义的约束的关系,如平行、共轴或共面等。通过约束管理,可使液力变矩器设计或改进、改型设计等重复过程中零部件模型特定的装配关系得以保存,而与对模型所进行的修改无关。图3为建立装配约束后的液力变矩器沿轴向的爆破图。

图3 液力变矩器装配爆破图
图3 液力变矩器装配爆破图

  4)干涉分析

  装配设计完成后,需要进行静态干涉检验和动态干涉检验。静态干涉检验是对产品(液力变矩器)零部件设计进行评估,在确定装配结构和总体设计后,进行零件细化设计,在装配过程中静态检验零部件之间的干涉、间隙等,并根据检验结果对零部件进行设计修改,从而得到正确的设计;动态干涉检验是对产品(液力变矩器)可装配性进行评估,在产品装配过程中,根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件,进行装配姿态调整、修改,直到得到正确的设计。

  3 结束语

  通过在液力变矩器研发中应用虚拟装配技术,为液力变矩器后续的机构运动仿真及动力学分析、有限元建模及强度模态分析、内流场模拟及液力传动分析等计算机分析研究奠定了坚实的基础。可以预见,虚拟装配技术将从根本上改变传统的产品研发模式,其目的是研究虚拟产品模型的建立和虚拟装配环境的建立,并将其应用于实际产品的研发中,对实际产品的性能和可装配性等进行评价,从而达到全局最优,以缩短产品研发周期,降低成本,提高产品快速响应市场变化的能力,获得最大的经济效益。

标签:虚拟装配汽车
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