基于知識的概念汽車車身部件參數化設計方法

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

劉波胡平靳春寧丁祎來源:e-works
關鍵字:知識工程參數化概念車身 UG/NX
本文通過對汽車車身部件結構和設計流程的研究,闡述了基于知識的汽車車身零件參數化的過程和方法,由此提出了車身概念設計階段白車身參數化設計的新思路。以某車型車身側圍外板為例,在UGS/NX平臺上開發(fā)出一個基于知識的專業(yè)設計輔助工具,運用該工具可迅速生成側圍外板的全參數化模型。該設計工具內嵌了車身設計的專業(yè)知識和專家的經驗,成功實現了車身零件設計過程的參數化、自動化和智能化,極大提高了車身設計效率和品質。

1、前言

汽車車身的開發(fā)過程中,空間關系和約束關系復雜,實現方法和評價指標模糊,設計師的經驗和技巧仍然是影響設計效率的主要環(huán)節(jié)。現代計算機輔助設計技術(CAD)正從靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設計,變?yōu)榛谥R工程或專家系統(tǒng)的動態(tài)的智能化設計方法。

知識工程(KBE)系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)存在的問題提出了方案,如設計原理的體現、約束是否沖突、設計制造是否可行等。KBE系統(tǒng)所要達到的目的是使產品信息在整個生命周期中都可得到應用,從而獲得最優(yōu)化方案。

基于知識的工程設計系統(tǒng)的開發(fā),國內外都進行了長期研究和大量的工作。但是,到目前為止大部分產品都集中于應用行業(yè)法規(guī)和標準進行驗證和分析,如基于知識的汽車座椅布置、H點的優(yōu)化、視野校核、車門附件的布置等。而基于知識的白車身設計開發(fā),比如車身側圍板、發(fā)動機罩板等,則鮮有介紹。

本文以車身側圍外板為例,論述了基于知識的白車身結構參數化過程和方法,由此提出了全新的白車身的開發(fā)思路和設計方法。運用該思路和方法可幫助和指導工程師在車身概念設計階段,快速生成完全參數化的白車身原型,從而迅速提出和確定零部件結構設計方案,以此提高產品設計效率,縮短產品開發(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詳細車身零部件基礎上,去除特殊的或個別的細小結構,抽取共同的和普遍的形狀和結構,形成完全參數化的三維模型,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

零部件原型屬于對車身各種詳細零部件的高度概括和總結,是一種捕獲了專業(yè)知識和集成了專家經驗的全參數化的KBE模型。

本文所闡述的基于知識的白車身設計工具的開發(fā),其設計思想主要在于構建這種基于知識的產品原型,即通過軟件技術將專家的設計經驗和設計過程的有關知識集成在產品信息模型中,實現了產品設計智能化、自動化。使工程師在設計時能得到相關產品領域專業(yè)知識的幫助,從而提高產品的設計和創(chuàng)新能力。

3、基于知識的白車身設計方法

汽車車身設計過程是一個建立在工程師豐富的開發(fā)經驗以及集合專業(yè)性知識基礎上的創(chuàng)造性思維過程,同時也是在現有經驗知識基礎上的進一步積累創(chuàng)新,即是一個包含了對知識的繼承、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成的復雜空間形狀,很難像機械實體零件一樣進行參數化。以典型的四門車身側圍外板為例至少需要約100個參數以及至少20個以上的基本幾何輸入才能進行相對完整的描述,而且這些參數和幾何輸入之間又存在著相互依存相互影響的關系。所以,車身側圍不僅僅是一個單純幾何體,它還是一個非常復雜的參數化系統(tǒng)。

雖然車身的零件如此復雜,但通過仔細分析并結合專家的經驗,發(fā)現每個零件都有基本的參數,基本的幾何輸入以及主截面信息這些共同點。基于上述的分析,本文采用了“分區(qū)分層”的方法來實現車身零件的參數化設計。

3.1 白車身零部件結構參數化的“分區(qū)法”

以車身側圍外板為例,幾乎每種車型的尺寸和結構都是不同的。在車身側圍的參數化設計工具開發(fā)過程中,應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構,同時為將來的進一步修改留有余地。

采用“分區(qū)法”解決了的這個問題,其基本思路是將車身側圍進行分割:結構相對獨立且具有共同截面信息的區(qū)域劃分為一塊;各個結構的過渡區(qū)域劃分為一塊。這樣整個車身側圍就可以變成多個區(qū)域的柔性組合,然后比較容易單獨構建并控制每個區(qū)域的結構,使得車身側圍變成一個全參數化靈活可變的零件原型。
典型的四門車身側圍外板采用“分區(qū)法”可以分成七個區(qū),如圖3所示。分別對應側圍外板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 車身側圍外板的分區(qū)

3.2 白車身零部件結構參數化的“分層法”

圖3展示了車身零件參數化控制結構的不同層次已經各層組件之間幾何鏈接的關系。

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圖3 分層控制結構

Level 0(總體架構層),這個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(驅動幾何層),這個層包含了一些文件來對應總體架構層的每個輸出。可以導入新的造型曲面或者其他一些基本幾何元素。在驅動幾何層,有一些部件文件包含有車身結構主斷面的草圖信息,其中存儲了用于創(chuàng)建下游部件的截面參數。

Level 2(關系層),這個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,在各個區(qū)域之間建立過渡結構。其尺寸和相關性通過主截面中的參數控制。

Level 5(部件層),收集所有區(qū)域建模層的不同部件到相應的一個部件里,并最終縫合成一個片體,然后將次片體鏈接到產品總體結構中。

這種分層的控制結構是實現車身覆蓋件結構參數化的核心方法。層與層之間設計信息的傳遞與控制是通過UG/WAVE LINK技術和引用部件間表達式(Inter Part Expression)來實現,使得白車身變成了一個有機的全參數化的KBE模型。分層控制的思想體現了車身正向設計由粗到細、由簡單到復雜的設計原則。

3.3 車身零件結構斷面知識的獲取與管理

白車身的復雜性決定了描述其結構形式的特殊性。機械實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構斷面這種特殊的方法來來描述其結構細節(jié)。每一個結構斷面包括設計尺寸、圓角大小,翻邊長度以及相鄰零件相關信息,因此,結構斷面是白車身參數化設計工具的基本知識來源。

而如何獲取和管理知識(主要是典型結構斷面信息),則是實現基于知識的白車身參數化的重要問題。每一種車型都有典型的結構斷面,這些知識的獲取可以從工程圖紙、設計手冊、工程師經驗以及參考現有同類車型得到,并根據專家的意見加以進一步的提煉與總結,得到最終的參數化的結構截面。

圖4以車身側圍外板A柱結構斷面為例,表示了知識的獲取與知識的表示流程。

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圖4 知識的獲取與表示

對結構截面知識的存儲和管理主要通過UGS/NX平臺的內部電子表格(UG/spreadsheet)和向導式界面(UG/Wizard UI)來實現,如圖5所示。描述結構斷面的所有參數都以表達式(Expression)的形式存儲在系統(tǒng)的電子表格里形成知識庫。

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圖5 知識的存儲與管理

對于車身側圍外板來說,知識庫包括七大區(qū)域共六個典型截面結構的140個參數。對知識庫的管理和訪問主要是引用或編輯電子表格里的表達式來實現。知識庫里的表達式與KBE三維模型密切聯系,當表達式的值改變,就整個KBE三維模型就會相應更新。

UGS/NX Wizard UI 是UGS/NX軟件開發(fā)平臺提供的一種具有向導式功能的界面。它與傳統(tǒng)的UI界面相比,具有如下優(yōu)點:

1). 界面友好,有準確的提示語句和直觀的圖形來指導用戶工作。

2). 嚴格控制操作流程,嚴格區(qū)分生成和編輯兩個狀態(tài),出錯機會降低。

3). 向導式的操作界面之間可任意跳轉,便于靈活編輯。

向導式界面流程嚴謹清晰,參數和幾何體的輸入簡單,模型的修改和編輯方便,適合把工程師對白車身的傳統(tǒng)設計流程固定下來,這也是一個知識的積累和總結的過程。

4. 應用實例

以一個復雜的車身零件(四門車的側圍外板)為例,來驗證基于知識的白車身參數化的思想和方法。

4.1 定義幾何輸入

設計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,并存儲在數據結構里。四門車身側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、前門上下鉸鏈點等。

4.2 定義截面參數輸入

設軟件的參數輸入主要是側圍的各分區(qū)典型斷面的尺寸參數數值,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構。

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圖6 截面參數輸入

4.3 設計流程

軟件的設計流程如圖7所示。

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圖7 設計流程

4.4 設計輸出

此軟件工具的設計輸出結果是一個四門車身側圍外板的裝配結構,此零件的裝配結構與本文所闡述的“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圍外板全參數化模型。

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圖8 輸出的模型

5、結論

在車身概念設計階段,基于知識的汽車車身側圍設計工具能快速生成完全參數化的側圍原型零件。該原型零件內嵌了車身設計的專業(yè)知識和專家的經驗,成功實現了車身側圍設計過程的參數化、自動化。運用基于知識的白車身參數化方法和思想可以很容易應用到車身其他零部件中,從而開發(fā)出基于知識的白車身結構參數化設計系統(tǒng),使用該系統(tǒng)可提高白車身設計效率,大大縮短整個車身的開發(fā)周期。

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