SAE⁃C2009C158
汽车内外饰的虚拟技术发展
王晓 苏建波 陈雷
长安汽车股份有限公司
【摘要】 随着计算机技术的不断发展，虚拟产品开发(VPD⁃Virtual Product Development)已经广泛应用于航空航天㊁造船㊁建筑土木工程㊁汽车等领域㊂欧美以及日本汽车巨头从20世纪90年代起就已经将实现汽车全虚拟开发作为各自公司未来的发展方向，已积累几十年试验与理论分析的经验㊂本文主要通过介绍国内外虚拟技术应用的情况，引述国内汽车行业内外饰虚拟技术的发展，分别从内外饰材料数据库㊁理论与实际的结合以及虚拟技术与项目的结合等方面进行探讨，并重点介绍内外饰试验虚拟分析㊂
【关键词】 虚拟产品开发 CAX技术 开发流程 虚拟试验
The Development of Automobile Inner&Outer Trim Virtual Technology
Wang Xiao,Su Jianbo,Chen Lei
Changan Automobile Stock Go.,Ltd.
Abstract:As the development of computer technology,VPD(Virtual Product Development)has been widely used in fields such as aerospace,shipbuilding,architecture and automotive industry.Since1990s,automobile companies of western countries and Japan had begun to research in completely virtual product development,so they have a lot of experience in testing and analyzing.This article has introduced the worldwide application situation of virtual technology and its development in China.By focusing on CAE simulation of interior and exterior trim test,the article has discussed problems such as material database,the integration of theory and test,the inte⁃gration of virtual technology and project.
Key words:virtual product development CAX technology virtual test development process
1 汽车行业虚拟开发的发展趋势
虚拟开发技术，即根据开发实践集成CAX技术，通过对实际状态的模拟，实现产品的构思㊁设计㊁优化㊁分析㊁测试㊁制造等开发过程的全虚拟化㊂由图1可知，虚拟开发技术主要由两部分组成㊂①虚拟设计技术：主要针对前期的造型和结构设计，进行可行性的仿真，主要包括虚拟造型㊁虚拟人机布置㊁结构设计㊁虚拟制造㊁虚拟试验场(VPG)㊁虚拟实验(Virtual Test，包括虚拟碰撞㊁虚拟风洞试验㊁热流体系统仿真及零部件强度刚度分析㊁流体动力学分析㊁噪声和振动分析㊁热分析㊁应力和挠度分析㊁燃
油经济性分析㊁驾驶品质和动力性能分析等)㊁汽车模拟驾驶和汽车虚拟维修技术等一系列虚拟现实技术(VR,Virtual Reality)㊂②虚拟制造技术：主要包括制造工装设计和制造工艺仿真两部分㊂由此，汽车行业通过虚拟开发技术，已迎来了一场新的变革，汽车开发从此将由手工时代进入到虚拟设计阶段㊂
图1 虚拟开发技术的组成
虚拟开发的优势有:①降低开发成本;②缩短开发周期，从42个月缩短至12~18个月;③提前预测设计开发缺陷，使开发后期修改率减少50%;④提前进行制造技术仿真，提高产品性能㊁质量和可靠性，制造/试验成本减少50%㊂虚拟开发所带来的巨大效益，使得世界各大汽车公司都开始对其进行研究，并纷纷宣布具有了全数字化的开发能力㊂例如，福特公司通过采用参数化数学模型㊁快速原型制作等高科技手段，使新产品上市的开发周期从20世纪80年代后期的平均42个月缩短到2000年左右的30个月，并于
1999年底宣布已实现全数字化轿车开发；菲亚特的新车型Bravo在合作伙伴麦格纳斯太尔工程公司的开发过程中也几乎完全使用了虚拟现实工具，并将其整车开发时间缩短到了18个月左右㊂丰田公司实施 前期装载”概念，进行早期虚拟设计并配合相应的流程改进，使研发时间和成本降低了
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30%~40%㊂
在国外，内外饰虚拟开发作为整车虚拟开发的一部分，已经能够完全融入整车虚拟开发的体系，为内外饰品质和精细化的提高起到了重要的作用㊂而国内内外饰产品的设计和制造经验相比国外还有非常大的差距，使得国产汽车内外饰无论在外观造型㊁性能要求和细节处理上都使人感到差强人意㊂虚拟开发技术的应用为国内内外饰工程师赶超世界强国提供了一条捷径㊂
2 内外饰虚拟技术的探讨
目前内外饰的虚拟技术有：虚拟造型㊁虚拟模型制造㊁人机工程校核㊁结构设计和拓扑优化㊁法规和试验虚拟分析㊁制造和工艺模拟等㊂在国内，对于虚拟造型㊁虚拟模型制造㊁人机工程校核和结构设计等前期开发阶段的模拟几乎都已经实现了虚拟应用，而对于结构拓扑优化㊁法规和试验虚拟分析㊁制造和工艺模拟等分析方法，还处于起步阶段㊂2.1 内外饰虚拟开发的必备条件
2.1.1 材料对分析模型的影响
虚拟开发所需要的材料特性主要有应力应变曲线(非线性)㊁杨式模量㊁泊松比等㊂其中，非线性应力应变曲线的测量是材料特性测试的关键因素，它的准确性会直接影响到分析结果精度㊂高分子材料相对于
金属材料的受力曲线完全不同㊂高分子材料不仅具有各向异性的特点，而且其特有的蠕变性㊁应力松驰等现象更使得内外饰零部件的虚拟开发难度极大㊂但是，通过试验数据与CAE模型分析结果的不断对比和优化，目前许多公司都能够将内外饰零部件的分析精度提高至80%以上㊂这一精度已经完全能够指导虚拟开发㊂但由于各汽车厂所用的材料以及牌号都各不相同，必须首先建立自己材料数据库㊂
2.1.2 试验数据的积累和分析模型的不断对比优化 虚拟分析模型是另外一个影响分析精度的重要因素㊂要完全复制试验的模型是不可能的，特别是对于内外饰零部件中的一些特有的安装结构，如卡子连接㊁塑料倒扣连接㊁滑动连接等，所有这些内外饰零部件的特点都严重影响了分析的准确性和精度㊂因此只能通过分析模型与试验模型所获得的结果进行对比优化，不断更新分析模型来适应试验模型，以得到更加准确的分析结果㊂当然，试验模型的正确与否和一致性是分析模型准确性的前提，因此还需要建立一套完整㊁规范的试验程序来保证试验结果的准确性㊂
2.2 内外饰试验虚拟分析
通过模拟内外饰零部件的试验情况，运用软件分析，能够准确地对零部件潜在问题进行预测和优化㊂目前可以开展的内外饰试验虚拟分析主要包括以下几点㊂
2.2.1 内外饰零部件强度刚度分析
作为一般性的内外饰零部件强度刚度分析，主要用于分析零部件的整体质量情况，评价的主要方面有:①零部件的造型面或者结构设计在使用过程中或者误操作中是否符合强度刚度的要求㊂②根据零部件变形量来评价该零部件强度刚度对人的感受㊂最常使用的方法就是指压分析㊂对应的试验方法就是选取零部件最薄弱的区域，采用拉力计或者压力计来测试规定力下的零部件变形量㊂
图2及表1为某产品的按压分析实例㊂经验证，分析的结果与实际的测量数据基本接近㊂通过对不同方案的分析，获得了按压手感较好的加强方案，提高了产品的适用性㊂
图2 某车型发动机装饰罩的按压分析
表 1
方 案变形量/mm
实际测量变形值17~18
分析变形值21
2.2.2 内外饰异响分析
内外饰的异响是内外饰舒适度的一个重要评价项目㊂一般确定产品异响的方法都是在生产样车完成之后再进行主观的评价㊂目前已经能够通过建立虚拟分析模型，输入采集的路谱对内外饰可能存在的异响点进行预测，帮助改进内外饰的结构和强度，消除异响㊂图3所示为某款车对风管系统的异响分析㊂
图3 某车型风管系统的异响分析
2.2.3 内外饰碰撞及乘员/行人保护分析
如今汽车开发对乘员和行人的保护越来越重视，而内外饰在整车碰撞中对乘员和行人所起的保护作用也越来越大㊂因此，通过虚拟分析模型，模拟碰撞试验过程，达到优化内外饰结构，改善碰撞过程中驾乘人员的伤害㊂目前内外饰可以进行的碰撞分析有：膝部碰撞分析㊁头部碰撞分析㊁门内饰板侧碰分析和行人保护碰撞分析等㊂
2.2.4 内外饰热应力分析(CTE)
内外饰零部件由于其特殊的材料特性，在受热情况下会
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产生应力释放和较大程度的变形，而热应力分析主要就是模
拟温度场对零部件的影响，分析零部件在全面或局部约束状
态下的热应力和热变形情况，从而提前预测零部件的问题
点，并对结构和安装方式等提出改进建议㊂
通过热应力分析(图4和表2)，反映出不同结构对温度
场的敏感度，从而实现优化结构和安装方式的作用，将后期
可能产生的质量问题控制在设计阶段㊂
图4 某车型扰流板热应力分析的结果汽车风洞
表 2
方 案恢复后永久变形
/mm
90℃时刻最大变形量
/mm
方案1(原始方案)0.6512.8方案20.6212.9方案30.5612.2方案40.5312.32.2.5 内外饰零部件装配中的下垂分析(SAG) 零部件在装车的时候，会受到地球引力的作用而自然下垂，特别是对于大型零部件或者总成来说，这种现象会更加严重，而零部件的这种特性将会严重影响安装质量(如间隙㊁断差等)，并影响整车内外饰的品质感㊂内外饰零部件装配中的下垂分析可以通过虚拟分析模型，真实再现零部件在装配过程中的情况，并对结构和安装方式等提出改进建议㊂2.3 内外饰制造工艺性仿真
零部件的制造工艺仿真主要是运用分析软件，建立相关的分析模型，通过模拟零部件的制造过程，分析零部件的制造可行性㊂目前，有多种软件都可以精确地模拟多种注射制造工艺，如一般注塑㊁嵌件注塑㊁微孔发泡等，并能够预测零部件的多种注射缺陷和变形情况，为设计工程师在零部件结构和型面的优化上提供指导㊂
2.4 内外饰虚拟开发流程的集成和优化
内外饰的虚拟开发是应用CAD/CAE/CAM等技术对内外饰零部件从概念阶段一直到生产制造过程的全方位模拟，它具有高度集成化㊁协同化的特点，可以很好地融入不同公司的设计开发流程，并对该公司
的开发流程进行不断的优化㊂通过内外饰虚拟开发流程的集成，在CAE工程师的分析下，可以帮助产品工程师将大多数设计缺陷解决在设计开发阶段，避免模具开发以后的大量设计变更，实现质量控制的提前，并为汽车开发节约大量试验费用㊂图5所示为长安公司虚拟开发与项目开发进行集成的示意图㊂
图5 长安公司虚拟开发与项目开发集成示意图
3 结论
自主品牌在内外饰技术上的相对落后是影响国内汽车高品质㊁高质量和精细化的重要因素，只有积极引进先进的科学技术方法，利用虚拟分析技术，才能不断缩小与一流汽车品牌的差距㊂
参考文献
[1] 施普尔㊃克劳舍.虚拟产品开发技术[M].宁汝新,
等译.北京：机械工业出版社,2000.
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[J].吉林大学学报：工学版,2002(2):42⁃44. [3] 王树凤，余.车辆虚拟试验系统的实现[J].农业
机械学报,2002(6):21⁃23.
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