刘兆剑;熊欣
【摘 要】从电子样机技术的内涵和优势出发，结合客车设计与开发的特点，建立客车电子样机并进行协调性分析，为同行提供参考。%Proceeding from connotation and advantage of digital mock-up （DMU） technology, the bus / coach digital mock-up（DMU） is constituted according to the characteristics of the bus / coach design and development. On this basis, the DMU harmony analysises are been done emphatically. The authors will provide a reference for the same occupationers.
【期刊名称】《客车技术与研究》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】4页(P16-19)
【关键词】电子样机;客车;设计;开发
【作 者】刘兆剑;熊欣
【作者单位】桂林大宇客车有限公司,广西桂林541003;武汉理工大学汽车工程学院,武汉430070
【正文语种】中 文
【中图分类】U462;TP35
1 电子样机技术概述
1.1 电子样机技术的内涵
在传统的三维设计年代，物理样机（PMU：Physical Mock-Up）使工程技术人员对自己设计方案的了解更为形象和直观，同时使工程技术人员可以进行一些产品的功能性分析，并且进一步进行设计方案的研讨和验证。但是二十世纪90年代以来，随着各种产品的更新换代越来越快，采用物理样机进行新产品设计的测试验证，需进行加工、装配、测试和再设计，导致新产品开发周期长、成本高，难以适应新产品开发的需求，同时，计算机三维辅
助设计技术却出现了飞速的发展。所以，通过计算机三维设计技术建立电子样机（DMU：Digital Mock-Up）实现物理样机的作用，并缩短周期和降低成本，就成为一种新的思路。
电子样机技术被很多人理解为就是通过三维模型将零件装配在一起，其实，实现三维是实现电子样机的最基本的一步。根据欧洲高级信息化技术组织的定义：“电子样机是对产品的真实化计算机模拟，满足各种各样的功能，提供用于工程设计、加工制造、产品拆装维护的模拟环境；是支持产品和流程、信息传递、决策制定的公共平台；覆盖产品从概念设计到维护服务的整个生命周期。”[1]
由此可见，电子样机技术主要是指在计算机平台上，通过三维CAD/CAE/CAM软件，建立完整的产品数字化样机，组成电子化样机的每个部件。除了准确定义三维几何图形外，还赋有相互间的装配关系、技术关联、工艺、公差、人力资源、材料、制造资源、成本等信息，电子样机应具有从产品设计、制造到产品维护各阶段所需的所有功能，为产品和流程开发以及从产品概念设计到产品维护整个产品生命周期的信息交流和决策提供一个平台[2]。
1.2 电子样机技术的优势
电子样机技术的核心部分是利用先进的CAD建模技术和多体系统运动学与动力学建模技术。近年来，计算机可视化技术的发展为这些技术提供了友好的用户界面，计算机的计算速度和存储容量的飞速提高为研究和实施电子样机技术提供了技术可能（如图1所示）。工程师完全在计算机上建立数字化产品模型，从工业设计开始到产品工程化设计、工艺工装设计的全过程，采用三维数学模型进行产品的设计、评估、修改和完善，并采用电子样机尽可能多地来代替原来的物理样机试验，在数字状态下仿真计算，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样常常只需要制作一次最终的物理样机，就可使新产品开发获得一次成功。
图1 基于电子样机技术的新产品开发环境
电子样机技术在新产品开发过程中的推动作用主要表现在以下几个方面：
1）在产品的概念设计阶段，应用系统工程的方法，确定产品的总体参数和局部参数，并定义两者的关联控制结构，实现产品级的参数化。这样可以很好地贯彻设计师的设计意图和实现对概念模型因个性化需求的快速修改、优化和评估。
2）在产品的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立部件级的几何关联结构和约束层次关系，并确定详细设计步骤实现部件级的相关修改。
3）在产品的详细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零件级的数字化主模型。
4）通过虚拟装配技术，方便实现复杂的大装配并检验产品是否干涉及几何结构是否正确，并对其进行修改、优化。这样可减少物理样机数量，节约成本。最重要的是，再次修改设计时没有重复成本。
5）通过进行关键零件的加工仿真和工装仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现问题，避免开发风险。
6）通过对零件、部件以及产品级的运动学和动力学性能分析仿真，及时发现性能失真和结构不合理等问题，提高产品的可靠性和正确性。
7）整个设计过程中，贯彻并行工程的开发方法，缩短产品上市时间，缩短开发周期。
2 客车电子样机的设计与开发
客车电子样机的设计与开发的核心是基于骨架模型与电子样机集成的自顶向下设计方法。此设计方法的中心思路是先整体规划，后细节设计。即在产品整车设计的初期,就要考虑产品的总体设计和功能设计。
骨架模型就是产品设计信息的载体，这个骨架模型的建立需要考虑到不同零件之间的参数关系与驱动关系，这些信息会用来作为后期详细模型设计的基础。由于在骨架模型设计阶段就考虑到了整体装配的相互关联信息，所以，很多设计上的缺陷与问题可以在整个设计的早期阶段得到及时发现和更正。设计后期发现的问题也可以通过修改骨架模型来实现后续相应零部件的自动更改工作[3]。这种设计思想现在有些客车设计公司已得到广泛的使用，但是只提到了基于骨架模型的关联设计，而忽视了骨架模型的另外一个很重要的作用，即作为车身运动部件（乘客门、行李舱门、发动机舱门等）进行运动机构仿真一个基础模型。它的作用贯穿于整个客车的始终。
以骨架驱动的客车电子样机自顶向下设计流程分为三个主要阶段：客车骨架模型设计阶段（客车总布置骨架模型）、客车零部件详细设计阶段（基于骨架的各子系统模型的建立）、客车电子样机设计阶段（虚拟装配与电子样机协调性分析）。大宇客车报价
2.1 客车电子样机虚拟装配
客车是由许多零部件装配而成，而这些零部件又是由一些子零部件装配而成，这样就形成了一个树型关系，即装配结构树。将客车总成中的各分总成及其子部件和零件结构转化成装配结构树，以便协调零部件之间在尺寸参数和位置参数间的相互关系，实现客车零部件合理的总布置。因此，在建立客车总布置骨架之前，需要先构建客车总成的装配结构树。装配结构树的根节点为所要建立的客车总成，各分总成模型作为树型结构的一级子节点，对于复杂的分总成，如包含有前围骨架、后围骨架、顶棚骨架等的车身骨架总成，还有二级甚至三级子节点。父节点与子节点之间的关系由相关参数联系，这些参数包括配合参数和安装定位参数（尺寸参数、位置参数）等[4]。
基于客车总布置骨架模型建立各子系统模型，如车身骨架模型（图2）、车架布置模型（图3）、发动机装配模型（图4）及前桥装配模型（图5）等。
图2 车身骨架模型
图3 车架布置模型
图4 发动机装配模型
图5 前桥装配模型
2.2 客车电子样机协调性分析
一个完整的客车电子样机主要作以下几种协调性分析，但是在作分析前，一定要检查模型的完整性，具体检查的方面有：是否正确命名；是否处于更新状态；是否按正确的分总成分类；是否版本统一。
2.2.1 静态和动态的干涉分析
在客车设计中，设计工作量最大的是发动机分总成的安装位置设计，将发动机分总成的模型虚拟装配进入客车电子样机中进行静态干涉是非常有必要的第一步[5]。接下来的动态干涉分析主要步骤是：定义运动机构骨架模型；创建运动机构；添加各种对应的运动副；添加固定零部件；根据需要添加辅助模型；运动仿真；定义相应的实体模型到对应的骨架；进行相关分析[6]。从这个动态干涉分析过程的主要步骤中可以看出，电子样机骨架模型是依据设计骨架模型而得到的，所以，设计与电子样机分析实现了很好的集成，充分发挥了
骨架模型的作用。骨架模型设计在进行零件详细设计控制的同时，也实现了对电子样机模型的控制，即骨架模型的修改可以直接反映在零件的详细设计模型上，也可以直接反映在运动机构的定义上。整个产品的设计、修改和电子样机验证可以协同工作，支持并行工程，这样的集成式设计与分析方法可以显著提高开发的效率和质量。
发布评论