文少波 臧利國(guó)

[摘 要]本文以汽車(chē)設(shè)計(jì)課程的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合本校學(xué)生知識(shí)水平和先修課程的情況，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)合理地引入到教學(xué)過(guò)程中，使學(xué)生在掌握汽車(chē)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，以滿足應(yīng)用性本科學(xué)生的培養(yǎng)需求。在教學(xué)過(guò)程中，分別以汽車(chē)離合器、變速器和驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)為例，從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、虛擬仿真和有限元分析三個(gè)方面對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探索。實(shí)踐證明，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)融入傳統(tǒng)課堂教學(xué)，能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；汽車(chē)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化；虛擬仿真；有限元分析

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）07-0049-03

○、引言

汽車(chē)設(shè)計(jì)是汽車(chē)工程專業(yè)的主干課程之一，主要內(nèi)容包括汽車(chē)總體設(shè)計(jì)、離合器、變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、懸架、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系等各總成的設(shè)計(jì)[1]。其目的是使學(xué)生在對(duì)汽車(chē)性能和基本結(jié)構(gòu)知識(shí)有較系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)運(yùn)用現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)方法，掌握先進(jìn)汽車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)，從而達(dá)到基本具備分析和解決該領(lǐng)域問(wèn)題的能力。汽車(chē)設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的課程，它綜合運(yùn)用了大學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的知識(shí)，其專業(yè)跨度大，涉及面廣，尤其涉及很多工程實(shí)踐和新技術(shù)的應(yīng)用，授課難度較大，尋求一種新的教學(xué)方法成為當(dāng)前教學(xué)中急需解決的問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)為輔助工具完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、繪圖、制造等工作，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的[2]。根據(jù)主要功能劃分，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有很多類，有側(cè)重于產(chǎn)品繪圖的CAD（Computer Aided Drafting）軟件，如AUTOCAD、Unigraphics（簡(jiǎn)稱UG）、Pro/Engineering等；側(cè)重于工程分析的CAE（Computer Aided Engineering）軟件，如MATLAB、ANSYS等；側(cè)重于制造的CAM（Computer Aided Manufacturing）軟件，如MasterCAM等。隨著計(jì)算機(jī)軟件水平的逐步提高和硬件價(jià)格的不斷降低，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在二十世紀(jì)后期開(kāi)始大量應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，目前已成為現(xiàn)代化企業(yè)的必備工具。鑒于此，在大學(xué)本科基礎(chǔ)教育階段，很多學(xué)校專門(mén)開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件課程。但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，往往都是將其作為一門(mén)專門(mén)課程來(lái)開(kāi)設(shè)，學(xué)習(xí)過(guò)程隨著課程結(jié)束而停止。這種現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目的性不太明確，學(xué)習(xí)效果欠佳，不能與所學(xué)專業(yè)結(jié)合起來(lái)，無(wú)法促進(jìn)其專業(yè)水平的提高和發(fā)展。作為應(yīng)用型本科學(xué)校，其根本目標(biāo)是為社會(huì)培養(yǎng)實(shí)用性人才[3]，培養(yǎng)學(xué)生如何解決實(shí)踐問(wèn)題，具體使用軟件解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力尤為重要。

因此，結(jié)合本校學(xué)生知識(shí)水平和先修課程的情況，把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用在汽車(chē)設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，改善傳統(tǒng)的課堂教學(xué)效果，同時(shí)提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用能力，值得我們探索。下面以汽車(chē)設(shè)計(jì)課程中的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際需求，從先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的角度出發(fā)，選用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件加以說(shuō)明。

一、優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)設(shè)計(jì)中很多零部件的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)出較佳的產(chǎn)品。例如在離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要確定離合器的性能參數(shù)和尺寸參數(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是采用先初選、后校核的方法進(jìn)行。這樣設(shè)計(jì)過(guò)程往往經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，最后所選的結(jié)果也只是一個(gè)相對(duì)合理的方案，不一定是最優(yōu)方案。

對(duì)于離合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可采用如下思路：

1.設(shè)計(jì)變量：離合器性能因素主要有后備系數(shù)和單位壓力，從理論分析可知，都取決于離合器的工作壓力F和摩擦片的內(nèi)外徑d和D。設(shè)計(jì)變量見(jiàn)式1。

2.目標(biāo)函數(shù)：離合器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)，是在保證離合器性能要求的條件下使其結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小，見(jiàn)式2所示。

3.約束條件：所設(shè)計(jì)的離合器，摩擦片的最大圓周速度、內(nèi)外徑比、后備系數(shù)取值范圍、減震彈簧的安裝、過(guò)載保護(hù)能力等都要滿足一定的要求，最后以一組等式約束（式3）和不等式約束（式4）來(lái)表示。

上述問(wèn)題為有約束條件的非線性優(yōu)化形式，常用的方法是采用懲罰函數(shù)法將其轉(zhuǎn)換成無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解[4]，這需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理和程序編制。對(duì)于應(yīng)用性本科大學(xué)的學(xué)生而言，按照此思路優(yōu)化計(jì)算有很大的難度。因此，在教學(xué)過(guò)程中，可以只講授優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，采用MATLAB軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程[5]。在MATLAB軟件中，對(duì)于不同形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，有相應(yīng)的工具箱函數(shù)可以調(diào)用。例如對(duì)于上述問(wèn)題，只需要分別建立目標(biāo)函數(shù)文件objective.m和約束函數(shù)文件constrant.m的子程序，再編制主程序main.m調(diào)用工具箱函數(shù)fmincon即可解決。

通過(guò)將MATLAB軟件引入離合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使學(xué)生將主要精力用在離合器的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)上，著眼于汽車(chē)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，而不必進(jìn)行深層次的數(shù)學(xué)分析處理。避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中復(fù)雜的理論和計(jì)算，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。

二、虛擬仿真設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中，為了降低成本，提高設(shè)計(jì)效率，廣泛采用虛擬仿真技術(shù)。它是以計(jì)算機(jī)三維實(shí)體建模為基礎(chǔ)，在虛擬條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試和分析。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，模擬實(shí)際工作狀態(tài)，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)的正確性，檢查運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證設(shè)備零件的干涉自由和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，并根據(jù)零部件的干涉和運(yùn)動(dòng)情況完善設(shè)計(jì)。

汽車(chē)變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況下工作。在汽車(chē)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)為學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。

在學(xué)習(xí)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)所給參數(shù)，計(jì)算各檔齒輪齒數(shù)是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。確定好各檔齒輪齒數(shù)后，可以對(duì)變速器進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。在UG軟件中，按照理論計(jì)算所得的參數(shù)對(duì)變速器的各檔齒輪和各軸進(jìn)行三維實(shí)體建模和虛擬裝配，并進(jìn)行干涉檢查，校驗(yàn)各零件位置關(guān)系。然后對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，輸出各檔速度傳動(dòng)比和動(dòng)力傳動(dòng)比[6] [7]，以確定所設(shè)計(jì)的變速器是否滿足要求。變速器虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分別見(jiàn)圖1和圖2所示。

通過(guò)虛擬仿真設(shè)計(jì)，可以直觀地顯示學(xué)生的設(shè)計(jì)成果，加深學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)的變速器理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

三、有限元設(shè)計(jì)

在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度的要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的零件，例如軸類零件，可以直接簡(jiǎn)化為梁的形式，按照理論力學(xué)的方法算出各部位的受力，然后按照材料力學(xué)方法得出各截面處的應(yīng)力大小及分布，用以進(jìn)行零件形狀和尺寸的設(shè)計(jì)或者校核是否符合強(qiáng)度要求。

但對(duì)于形狀和受力較為復(fù)雜的零件，例如汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋殼，它起著支撐汽車(chē)質(zhì)量，并承受由車(chē)輪傳來(lái)的路面反力和反力矩作用，同時(shí)它又是主減速器、差速器和半軸的裝配基體，結(jié)構(gòu)和受力都較為復(fù)雜。如果按上述方法簡(jiǎn)化計(jì)算，不可避免產(chǎn)生較大的誤差，不能真實(shí)表達(dá)其實(shí)際應(yīng)力大小及分布。在現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)中，往往是采用有限元分析來(lái)有效地解決此問(wèn)題。

但對(duì)于本科學(xué)生而言，直接編程建立有限元模型并求解不太現(xiàn)實(shí)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中較為成熟的用法，可以采用商用有限元分析軟件ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行分析。ANSYS是一種通用工程有限元分析軟件，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、汽車(chē)、電子、土木工程等各種領(lǐng)域[8]。 ANSYS軟件主要包括前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊用于建模及網(wǎng)格劃分；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析等模塊，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以各種形式顯示出來(lái)。

雖然ANSYS軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分、加載求解和后處理功能，但它的幾何建模功能相對(duì)較弱。如果采用ANSYS軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行實(shí)體建模，將是一個(gè)極其煩瑣的過(guò)程。因此可以采用UG軟件對(duì)橋殼進(jìn)行三維實(shí)體建模（圖3），然后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分（圖4）。添加載荷時(shí)，對(duì)于全浮式半軸驅(qū)動(dòng)橋，其殼體載荷分析時(shí)，根據(jù)橋殼的受力情況，主要考慮以下三種特殊形式：

（1）當(dāng)牽引力或制動(dòng)力最大時(shí)；

（2）當(dāng)汽車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)，側(cè)向力最大；

（3）當(dāng)汽車(chē)通過(guò)不平路面時(shí)，垂向力最大。

然后在ANSYS軟件的分析模塊中計(jì)算求解，得到在相應(yīng)載荷下殼體精確的應(yīng)力分布及大小，最后通過(guò)后處理模塊將其結(jié)果顯示出來(lái)（圖5），以此為基礎(chǔ)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度校核。同時(shí)可以得到殼體在載荷作用下各部位相應(yīng)的變形（圖6），進(jìn)行剛度分析。

通過(guò)ANSYS有限元分析，不僅提高了驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)精確度，而且可以形象地顯示強(qiáng)度分析的結(jié)果，能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解力和認(rèn)知力。

四、結(jié)論

將通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件引入汽車(chē)設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅可以有效地解決設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力，而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和軟件使用能力，也為學(xué)生畢業(yè)后能更有效地同生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合提供了一個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：張 雷]