羅中天

（中央民族大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100000）

汽車設(shè)計與制造

羅中天

（中央民族大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100000）

現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機(jī)、底盤、車身和電器或電子設(shè)備四大主要部分組成。而設(shè)計制造的工藝主要集中于車殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計、車身內(nèi)部自動化控制系統(tǒng)集成、車體零部件的拼裝和焊接。其中車殼和底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要主導(dǎo)因素在于當(dāng)代的車體流線型設(shè)計符合空氣動力學(xué)的原理，并且能夠減少風(fēng)阻，從而降低油耗的損失，除此之外底盤承重范圍內(nèi)的輕量化處理也能節(jié)約能量的損耗。車身內(nèi)部數(shù)字化控制系統(tǒng)精確分析車輛的行駛情況從而確定最優(yōu)控制方案，在一定程度上降低能源損失。車體結(jié)構(gòu)的緊湊性決定了車身的強(qiáng)度和壽命及加工拼接組裝焊接工藝等。因此就目前來看，汽車設(shè)計與制造如何達(dá)到我們理想的最優(yōu)化設(shè)計成為了主要考慮的的方面。

CAD/CAM仿形；沖壓成形模擬；焊接；鑄造

1 關(guān)于汽車發(fā)展的介紹

世界上第一臺汽車Daimler -Benz于1886年誕生至今，從最早期的根據(jù)直觀經(jīng)驗來設(shè)計汽車到按比例制作傳統(tǒng)的車輛模型，再到現(xiàn)如今通過各種計算機(jī)的仿真軟件進(jìn)行模擬加工，現(xiàn)在汽車基本上通過流水化生產(chǎn)已經(jīng)走入了我們的生活當(dāng)中。當(dāng)代汽車的設(shè)計要求需要符合：（1）應(yīng)用空氣動力學(xué)，對車身的流線型設(shè)計從而降低風(fēng)阻系數(shù)，從而減少油耗損失。（2）應(yīng)用人體工程學(xué)，對車身內(nèi)部環(huán)境的自動調(diào)節(jié)以及符合人體坐姿和最佳舒適度的行駛體感。（3）以環(huán)保綠色為理念，從汽車能量消耗著手，車體各種動力設(shè)備設(shè)計最優(yōu)算法從而降低動能損耗。（4）降低制造成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量以及提高汽車市場競爭力。

2 汽車設(shè)計的基本要求

2.1 傳統(tǒng)車身設(shè)計方法

首先初步設(shè)計的第一步驟就是先設(shè)計效果展示圖，即預(yù)先設(shè)計好對汽車總體的一個草繪圖或者計算機(jī)仿真圖，然后根據(jù)所給的效果圖初步定義1:5的車身模型，定好車身之后，再去定義剩下部分車身零件的油泥模型。接下來第二步驟就是通過上述油泥模型的修正和改進(jìn)，進(jìn)行一個初步的模擬，倘若符合制造要求，再繪制1:1的規(guī)劃圖，1:1的油泥模型和1:1的內(nèi)部模型。然后第三個步驟就是繪制車身主圖版，根據(jù)主圖版來制造車身部分內(nèi)外散件和車身主模型，至此完成半成品。再到半成品各個表面取樣進(jìn)行模具設(shè)計和圖紙設(shè)計。

這種設(shè)計在最初的階段中主要靠人工從油模到圖紙來確定各個參數(shù)，一旦中途出現(xiàn)稍許差錯就會導(dǎo)致主體和模型進(jìn)行大面積的修改，而這些修改往往會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增多，生產(chǎn)周期延長，人工勞動力加大以及誤差變大導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計難度加大等等系列問題。

2.2 CAD/CAM仿形設(shè)計方法

隨著計算機(jī)的發(fā)展，市面上越來越多的仿真軟件正在被汽車廠商廣泛使用，傳統(tǒng)的車身設(shè)計方法正在被目前隨科技逐漸發(fā)展的各類計算機(jī)仿形方法所代替。由于計算仿形能夠有效的精確地處理由于人為影響和尺寸參數(shù)因素影響下的各種復(fù)雜精密的曲面車身和部分車組零件，極大效率的縮短汽車的設(shè)計周期和加快汽車模型和圖紙的完成度和精度，由計算機(jī)輔助軟件代替了手工繁瑣的設(shè)計過程，更能加快一輛汽車的研發(fā)與設(shè)計制造。所以計算機(jī)仿真在汽車設(shè)計制造中占據(jù)了不可或缺的重要一環(huán)。

計算機(jī)仿形設(shè)計（例如CAD/CAM）方法的工作原理為通過現(xiàn)代數(shù)字化控制軟件建立一個類似soildworks的假設(shè)模型，然后通過計算機(jī)給定的各類參數(shù)來確定復(fù)雜曲面的信息，例如曲面的曲率，材料加工成型后的強(qiáng)度和剛度以及曲面的疲勞強(qiáng)度的模擬，甚至于對汽車撞擊的多種假設(shè)擬合，從而確定車體的設(shè)計是否符合或者達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

但是這種模型的建立也需要用到前期傳統(tǒng)車身設(shè)計中的手繪圖紙工藝，通過三坐標(biāo)測量技術(shù)對車身雕塑模型上面1:5比例的模型的點的數(shù)據(jù)采樣與測繪，將這些點的數(shù)據(jù)分析集成在計算機(jī)輔助軟件上建立一個數(shù)學(xué)模型來擬合人們預(yù)期對汽車的實際期望，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計，最終將計算機(jī)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)模型用于車間的模具設(shè)計與加工。這種設(shè)計方法聯(lián)系到有限元分析，優(yōu)化了現(xiàn)代化汽車生產(chǎn)加工工藝，在未來將會有廣泛的應(yīng)用。

3 汽車制造的基本要求

鑄造是生產(chǎn)汽車中最為重要的一個部分，為了得到手工達(dá)不到的模型，采用鑄造的形式通過高溫將金屬融化注入型腔，通過冷卻凝固最終得到鑄造件。在生產(chǎn)過程中，運用鑄鐵制成毛坯的零件很多，大概占據(jù)車身總重量的10%，如氣缸體、變速器箱體、轉(zhuǎn)向器殼體、后橋殼體、制動鼓、各種支架等。在汽車強(qiáng)度剛度和安全系數(shù)符合要求的情況下，通過各種優(yōu)化降低汽車的整體質(zhì)量，完成輕量化，進(jìn)而提升汽車的動力性，降低能源消耗，減少燃油產(chǎn)生的大氣污染。汽車整體質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。綠色與節(jié)能的需求日益增多，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車鑄件的輕量化也成為汽車鑄件的重要發(fā)展方向之一。

根據(jù)鑄件的強(qiáng)度與剛度的的安全性考慮，汽車鑄件主要設(shè)計方法為等厚度設(shè)計。由于等厚度設(shè)計在設(shè)計過程中的最大缺點就是不能很好的將車身輕量化處理。所以采用CAE 分析、拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對零部件進(jìn)行輕量化，使零部件各個部位的應(yīng)力值接近，即各個部位的壁厚不一致，受力小的部位減薄料厚或不要材料，從而減輕零件的重量。由于鑄造能夠?qū)崿F(xiàn)的是對于復(fù)雜的大型車身復(fù)雜零部件的成形。設(shè)計時，采用CAE或拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對零部件進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)力的分布，確定零部件的形狀和具體局部的材料厚度。通過對鑄件加筋、挖孔和變厚化，可使零部件的重量大大降低。

3.1 車身沖壓成形模擬

基于過去的經(jīng)驗，普遍認(rèn)為車體表面成形使用沖壓成形是合適的，實際上制造非對稱復(fù)雜殼體由兩焊接沖壓件制造，基于完整的流水線生產(chǎn)策略，數(shù)值模擬，和初始毛坯尺寸形狀確定。因為在生產(chǎn)過程中壓縮和拉伸的操作程序?qū)m用于制造殼的沖壓板的生產(chǎn)能力的防護(hù)方法進(jìn)行了數(shù)值模擬的評價?；谏鲜龅脑u價，穩(wěn)定性能好的數(shù)字化程序會被選定為沖壓模具的生產(chǎn)。然后對板材進(jìn)行液壓成形，綜合部分工藝進(jìn)行了優(yōu)化與可靠性的約束，生產(chǎn)的模具和產(chǎn)生的流體壓力利用有限元程序的計算機(jī)計算進(jìn)行大變形模擬。還有板材原料的作用對變形行為進(jìn)行了校核。板材液壓成形的實驗通常以比例尺度與實際尺寸為 1:5的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，液壓成形模擬出1:5的實物和小尺寸。以下將會討論新的部分，即簡化模型，模擬的步驟和假設(shè)邊界條件。

3.2 模型描述

通過沖壓車間里面的沖壓模具，將板件材料置于凸模與凹模之間，通過液壓動力進(jìn)行沖壓，這種方法能夠很好的降低機(jī)器產(chǎn)生的噪音，能夠得到許許多多的沖壓件，然后再對這些沖壓件進(jìn)行二次加工，但是往往加工這些模型是考慮模擬和實驗的形狀作品。所得到的模型往往都是非常復(fù)雜的，而傳統(tǒng)的沖壓工藝難以產(chǎn)生。

3.3 初始毛坯形狀和尺寸

定義初始毛坯形狀和尺寸是關(guān)鍵的一步，特別是在沖壓產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜形狀的時候。這是一個眾所周知的事實，如果初始毛坯形狀和尺寸設(shè)計不合理，沖壓操作不會成功達(dá)到預(yù)期效果，即使應(yīng)用精心設(shè)計的沖壓工具。因此，設(shè)計初始毛坯的形狀和尺寸，采用逆向有限元程序。對于數(shù)據(jù)的大小和形狀，借助于這個程序處理最終產(chǎn)品的參數(shù)，隨后在計算機(jī)上計算初始毛坯形狀和尺寸。在計算機(jī)程序模擬一個全尺寸的沖壓仿真從而預(yù)測未知或者復(fù)雜的車殼或者其他車體復(fù)雜零件形狀。

3.4 沖壓工具

用于形成殼圍護(hù)板材液壓成形的數(shù)值模擬，主要考慮的工具包括流體運轉(zhuǎn)、壓力室、半模裝置或引導(dǎo)沖頭。這些模擬的工具，通常被認(rèn)為是剛性的。

3.5 邊界條件

使用板材液壓成形生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的質(zhì)量，在很大程度上取決于工藝參數(shù)的設(shè)定與確定，如壓力、摩擦、初始空白的位置和尺寸、沖裁半模裝置等。建立適當(dāng)?shù)某绦騾?shù)組合后初期的空白往往就能通過幾種方法進(jìn)行計算，在不同模擬環(huán)境下，使用商用有限元邊界條件代碼。所有的模擬工具在金屬薄板構(gòu)成變形的材料（沖床、壓力室、零部件和半模裝置）通常被認(rèn)為是剛性的。流體壓力被認(rèn)為是均勻分布在金屬板的相對表面。因此，沖頭運動和液體壓力作用在相反的方向，能形成多種多樣的復(fù)雜形狀。流體的壓力變化范圍從0到30MPa。接觸表面定義了板件和工具表面之間的條件，這些都是基于非線性接觸面接觸策略制定。通常假定庫侖摩擦定律和摩擦系數(shù)被認(rèn)為等于0.01。殼體仿真生產(chǎn)，即鑄造之后的冷沖壓或板料沖壓是使金屬板料在沖模中承受壓力而被切離或成形的，在程序基礎(chǔ)上得出案件考慮工具的配置，可以建立凸模、壓邊、板材表面之間的聯(lián)系，而在一定范圍內(nèi)進(jìn)行運動流體壓力的其他副料表面被認(rèn)為是半?？刂?。

3.6 優(yōu)化程序

用于生產(chǎn)的最佳工藝確定后，板件（加工的過程）和定義流體壓力的變化適用范圍，提出了板材液壓成形模擬。這一系列的模擬嘗試，獲得毛坯的形狀和尺寸。（1）定義的最佳位置；（2）確定流體壓力和沖床行程最有效的組合；（3）研究使用附加工具的必要性（引導(dǎo)或半模裝置）。為減少可能發(fā)生的缺陷工件的部分，有選擇兩個主要標(biāo)準(zhǔn)的最佳條件；（a）盡可能多的應(yīng)變分布應(yīng)均勻；（b）應(yīng)變不應(yīng)超過最大定義的FLD片材允許雙軸應(yīng)變。幾個模擬進(jìn)行了基于上述兩個標(biāo)準(zhǔn)就能創(chuàng)造最佳的制造條件。

3.7 沖壓實驗工具

首先應(yīng)當(dāng)指出的是，實驗工具和程序是被設(shè)計為對成形參數(shù)影響的重要指標(biāo)，在實驗室小型車殼的生產(chǎn)制造與研發(fā)中，一種板材液壓成形性能評價包括對全尺寸車體板件的生產(chǎn)。所有的測試用40噸液壓單動壓力機(jī)進(jìn)行。所設(shè)計的實驗臺由一個壓力容器、蓋板、沖頭、導(dǎo)軌、稱重傳感器、引伸計和一些附件來控制壓力。壓力容器被設(shè)計成能承受液壓機(jī)加壓流體下最大功率下的壓力，并對變形的板件留出足夠的空間標(biāo)本。這種旋緊蓋板是用來關(guān)閉頂部的容器。中間穿過蓋板同心孔。在蓋板下面密封容器面使用O形圈。還有一塊2mm的橡皮。在蓋板下的膜片采用密封壓力容器。

3.8 沖壓實驗程序

在板材成形試驗開始，在所需的位置和方向經(jīng)過定位，在最初的空白橡膠膜片的上表面，蓋緊板擰好容器然后沖頭插入壓邊圈的位置。整個試驗臺是放置在一個模具，這定位在單動壓力機(jī)上。移動沉模具的上板，使用兩個液壓千斤頂。使用壓力器，容器中的流體壓力能增加而沖孔將向下移動，分別形成一個復(fù)雜的部分。變形過程中，內(nèi)部壓力可以通過壓力表記錄。同時繪畫這組裝在版料的液壓線，力和凸模行程可以用稱重傳感器和引伸計記錄。最后，成形后，殼的擋泥板和液壓機(jī)停止運動，流體壓力被釋放，然后上板使用液壓千斤頂提起模具。再將模具放到下一步焊接車間去進(jìn)行組裝。

3.9 汽車零部件的焊接

汽車焊接就是將上述各種沖壓件通過焊接的手段來組合拼裝在一起，這就是我們所講的白車身焊接。而工業(yè)上面的焊接分為很多種，但按其過程特點不同，可分為熔化焊、壓力焊和釬焊三大類。通過上述常用的焊接方法對汽車各個部件進(jìn)行焊接。白車身的焊接主體采用釬焊和熔化焊為主。在焊接車間由計算機(jī)輔助機(jī)械臂進(jìn)行智能焊接，這種技術(shù)對人體損害較少，減輕勞動力等。焊接也是汽車制造最為重要的一環(huán)。

4 汽車未來發(fā)展的展望

當(dāng)前隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國汽車生產(chǎn)的不斷完善，未來很大一部分工廠將會由車間無人化管理的人工智能取代，人們對于車身的設(shè)計模型和發(fā)展紀(jì)元將會達(dá)到前所未有的高峰。開發(fā)者在未來如果能夠改進(jìn)坐標(biāo)系龐大復(fù)雜的點的測量以及擺脫對實體模型的需要，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為在輔助軟件上通過對實時數(shù)據(jù)的分析自動將未來汽車的全息虛擬投影圖，例如通過頭部虛擬裝置在腦海中構(gòu)想出所要涉及的汽車模組，將虛擬的汽車零件擬合和組裝，將用戶與計算機(jī)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。進(jìn)一步說，對于計算機(jī)的輔助應(yīng)用運用在無人化行駛和可遠(yuǎn)程可持續(xù)操控上也需要更加進(jìn)一步的深入探究。

綜上，21世紀(jì)的強(qiáng)大計算機(jī)輔助軟件的運用是當(dāng)代汽車生產(chǎn)的必然趨勢，相信在未來對于汽車系統(tǒng)的科學(xué)改進(jìn)和虛擬設(shè)備的研發(fā)與實際投入將會是一條不斷摸索與探尋的道路。

[1]王宏雁.汽車車身造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[2]張暢, 張祥林,黃樹槐.快速造型技術(shù)中的反求工程[J]. 中國機(jī)械工程,1997(5).

[3]盧秉恒.基于RP的快速制造技術(shù)[M]. 西安:陜西科技出版社,1998.

[4]郭健.多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 西安:西北工業(yè)大學(xué),2001.

[5]范世杰.計算機(jī)輔助汽車造型設(shè)計方法與應(yīng)用[M]. 汽車技術(shù),1997.

[6]屈求真.轎車車身開發(fā)中的計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助工程[J]. 汽車技術(shù),1995(11).

F252；F426.471；F224

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