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CATIA V5及其在轿车数字化工程中的应用

2019-9-9 20:05| 发布者: 叶秋| 查看: 76| 评论: 0|原作者: 熊 欣 ,钟诗清 ,马洪阁

摘要: CATIA V5及其在轿车数字化工程中的应用熊 欣 ,钟诗清 ,马洪阁(1. (1. 武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉 430070;2. 上海江达科技发展公司武汉办事处,湖北武汉 430015)摘 要:论述了虚拟制造、轿车数字化工 ...
CATIA V5及其在轿车数字化工程中的应用
熊  欣 ,钟诗清 ,马洪阁 
(1. (1.  武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉 430070;
2. 上海江达科技发展公司武汉办事处,湖北武汉 430015)
摘  要:论述了虚拟制造、轿车数字化工程等相关概念,介绍了CATIA V5的发展和技术特点,然后,从轿车整个开发周期的角度阐述了CATIA V5在轿车数字化工程中的应用,包括数字样机、功能虚拟样机、虚拟加工、虚拟生产等,提出了一个基于CATIA V5的轿车数字化工程开发流程。
关键词:虚拟制造;轿车数字化工程;CATIA V5;虚拟产品开发
CATIA V5 and Its Application in Digital Engineering for Car
XIONG Xin ,ZHONG Shi-qing ,Ma Hong-ge 
(1. Wuhan University of Technology,Automobile Engineering Institute,Huibei Wuhan 430070;
2. Jiangda Technology Development Co.,Ltd.Wuhan Branch,Huibei Wuhan 430015)
Abstract:Firstly, this paper discourse upon the concept about virtual manufacturing, digital engineering for car etc. and introduce the development and technique future of CATIA V5.Then the application of CATIA V5 in Digital Engineering for Car is expatiated from the viewpoint of whole development cycle for car in the paper, including digital mock-up, the functional virtual car, the virtual machining and the virtual production etc. Finally, a virtual development flow of Digital Engineering for Car based on CATIA V5 was brought forward.
Keyword:virtual manufacturing;digital engineering for car;CATIA V5;virtual product development
 
 
一、 一、           前言
当今世界,在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下,全球制造企业之间的竞争日趋激烈,制造业对市场的快速响应(交货期)在工业发达国家已经成为竞争的焦点。特别是我国加入WTO后,随着汽车制造业保护年限的日益迫近,国内轿车生产企业要想赢得竞争,就要以市场为中心,以满足顾客需求为主线,以技术创新为驱动力,最快速的响应市场变化,并迅速赢得市场与用户。换句话说,企业就是必须以最短的产品开发时间(T—Time)、最优的产品质量(Q—Quality)、最低廉的制造成本和销售价格(C—Cost)、最好的技术支持和全过程服务(S—Service)、最佳的环保效果(E—Environment)以及最快速的市场适应性(F—Flexibility)来生产适销对路的产品(P—Product),即:“TQCSEFP”,去进入市场,占领市场,进而领导市场。面对不可预测、瞬息多变的市场,企业的生产活动必须具有高度的敏捷性(Agility)、动态性(Dynamic)和柔性(Flexibility)。
随着信息技术取得了迅速发展,特别是计算机软硬件技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们以想不到的进步,各种现代先进设计制造技术应运而生,例如:计算机辅助技术(CAX:Computer Aided Design、Manufacturing、Engineering …)、计算机集成制造(CIM:Computer Integrated Manufacturing)等,这些技术的出现和实施,为实现这一目标(TQCSEFP)提供了强有力的支持与保障。
二、 二、           轿车数字化工程
汽车行业的CAD/CAM/CAE技术在二十世纪七、八十年代已经流行,主要以零部件的设计为对象,使得零部件的缺陷大大降低,例如汽车零部件缺陷降低了40%。然而,整机厂却并未得到对应的效益。优化的零部件组成的系统并不能保证是最优的,例如设计完美的制动器与设计优良的悬架及底盘组成的系统,其应用效果并不总是理想的,必须从系统水平进行设计。从九十年代中开始,面向整车设计开发的汽车虚拟制造应运而生。
虚拟制造(VM:Virtual Manufacturing)是一个处于发展中的新概念。目前比较通行的说法是:虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现,即采用计算机建模与仿真技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,通过三维模型及动画或虚拟现实,实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。
尽管虚拟制造技术出现只有短短的几年时间,但它已在汽车业界得到广泛的重视,而且其革命性的影响也很快地显示了出来。典型的例子有:克莱斯勒新型汽车开发周期由36个月缩短至24个月,福特公司也在1999年底宣布开发出了全数字化轿车。奔驰汽车公司1998年之前已经完成了数字化轿车样机,并实现了较强的虚拟现实技术,可在设计阶段对轿车的总体性能匹配和车身系统布置设计等进行直观、全面的仿真分析、评价和改进。
虚拟制造技术已被公认为未来汽车设计、开发的必然趋势,也是我国尽快消化、吸收国外先进技术,迅速提高自主设计能力,开发自主知识产权汽车,实现由“追随模式”到“自主开发”的跨越发展的有效手段。
轿车数字化工程本质上就是要利用计算机生产出“数字轿车”。不难看出,数字化工程技术是一个跨学科的综合性技术,它包括轿车数字化定义、仿真、可视化、虚拟现实、数据集成、优化等。轿车数字化工程的目标是对轿车整个生命周期(包括设计、开发、加工、生产)的“可制造性”(Manufacturability)的决策支持。“可制造性”又可以进一步分解为“可行性”、“可开发性”、“可加工性”和“可生产性”。这四个方面是相互关联的,因此,应从“数字轿车设计”(形状虚拟样机—Shape Virtual Prototyping,SVP)、“数字轿车开发”(功能虚拟样机—Function Virtual Prototyping,FVP)、“虚拟加工”、“虚拟生产”(虚拟设备与生产线)四个层次提供轿车全生命周期的数字化工程开发的基本支持。
三、 三、           CATIA V5的发展和技术特点
CATIA V5是IBM/DS在充分了解客户的经验、并积累了大量客户的应用需求后基于Windows核心重新开发的新一代高端CAD/CAM软件系统。CATIA——Computer Aided Three & Two Dimensional Interaction Application System,计算机辅助三维/二维交互式应用系统,自1999年3月法国达索系统(Dassault Systems)正式发布第一个版本即CATIA V5R1(CATIA Version 5 Release 1)以来,平均每年发布2~3个版本,到2003年4月发布的CATIA V5R11(CATIA Version 5 Release 11),模块总数出最初的12个增加到了146个。将原来运行于IBM主机和AIX工作站环境的V4版本彻底改变为微软Windows NT环境,99%以上的用户界面图标采用MS-Office形式,并且自己开发一组图形库,使得Unix工作站版本与Windows微机版具有相同的用户界面。CATIA V5充分发挥了Windows平台的优点,一经推出市场后立刻就得到业界广泛的认可,被很多CAD/CAM领域的资深咨询专家评价为第四代CAD/CAM软件,代表了CAD/CAM未来发展的方向。
CATIA V5在开发时大量使用了最新和最前沿的计算机技术和标准,其中包括基于JAVA 和Web技术、C++语言、面向对象的设计思想(O-O)、STEP-SDAI、OpenGL、OLE/CORBA和Visual Basic Journaling等,这使CATIA V5具有与众不同的鲜明的特点:单一的数据结构,各个模块全相关,某些模块之间还是双向相关;端到端的集成系统,拥有宽广的专业覆盖面,支持自上向下(Top-down)和自下向上(Bottom-top)的设计方式;以流程为中心,应用了许多的相关工业优秀开发设计经验,提供经过优化的流程;创新的用户界面,把使用性和功能性结合起来,易学易用;独一无二的知识工程架构,创建、访问以及应用企业知识库,把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起;先进的混合建模技术,建立在优秀的、可靠的几何实现原理基础上,具有领先的几何建模和混合建模功能;CATIA建立在STEP产品模型和CORBA标准之上,具有在整个产品周期内方便的修改能力,尤其是后期修改; CATIA提供多模型链接的工作环境及混合建模方式,实现真正的并行工程的设计环境;强大的电子样机技术;开放平台,为各种应用的集成提供了一个开放的平台;面向设计的工程分析,作为设计人员进行决策的辅助工具,开放性允许使用第三方的解算器(如NASTRAN);完善的加工解决方案,唯一建立在单一的基础架构上、基于知识工程、覆盖所有CAM应用;支持电子商务,支持即插即用(Plug & Play)功能的扩展等。
四、 四、           基于CATIA V5的数字化轿车
⒈ 数字轿车设计—形状虚拟样机
这是支持轿车总体设计的支撑平台,用于数字概念车设计。包括数字轿车造型设计、数字轿车车身设计、数字轿车发动机和底盘零部件设计、数字轿车管路和电子线路设计以及数字轿车电子样机设计。
1.1 数字轿车造型设计
在计算机技术在轿车设计中广泛应用的今天,许多人仍然认为轿车造型设计是属于艺术创作的范畴,全靠造型师的灵感、艺术的想象力和创作意识,计算机几乎无能为力。其实不然,按照传统工艺模式,造型师一般先绘制轿车风格造型图(轴视图或者三视图);接着根据风格造型图制作1:5(或者1:10)的油泥模型,再从几个视角观察、修改,很可能同时需要几个小模型相互比较,直到造型师觉得其中一个满意为止,定型;根据这个已经定型的比例模型做1:1的全尺寸油泥模型,继续反复手工修改……这样将耗费大量的人力和物力,才能完成最终的造型(造型冻结),周期长、效率低,影响整车开发、制造和投放市场的时间。
针对这种情况,CATIA V5开发出一种崭新的造型方式——基于草图的自由曲面设计(FSK:CATIA Freestyle Sketch Tracer),它可以快速导入造型师绘制的轿车2D风格造型图(Tif、Jpg或者Bmp格式)。达索系统公司采用新的计算机2D图形算法,可以使CATIA V5系统中导入的造型图在不失真的情况下放大:普通的放大,以牺牲原图的分辨率为代价,放的越大,图形分辨率越低,试想一下如果采用普通的算法将造型图放大到实车尺寸大小,分辨率会低得无法从造型图中提取相关的信息,而新的算法完全解决这一问题,可以在不损失分辨率的情况下,将造型图放大到实车尺寸大小。
将导入的几张造型图在3D环境中定位后,就可以利用CATIA V5的丰富的曲面造型工具(如FSS等)在造型图的基础上,绘制3D轿车模型。自由曲面设计(FSS:CATIA Freestyle Shape)提供了大量基于曲面的实用工具,允许设计师快速生成具有特定风格的外形及曲面。交互式外形修形功能甚至可使设计师更为方便地修改、光顺和修剪曲线和曲面。借助于多种面向汽车行业的曲线曲面诊断工具、可以实时检查曲线曲面的质量。由于系统提供了一个可自由匹配的几何描述,支持NURBS和Bezier数学表达,因而设计师可直接地处理修剪后的曲面,同时保持同其基础外形的相关性。这就大大提高了从最初2D造型图的平面型线构思到最终的3D模型生成这一过程的效率。
 
图一  基于CATIA V5的数字轿车造型设计
1.2 数字轿车车身设计
采用快速原型制造(RPM:Rapid Prototyping Manufacturing)技术,将CATIA V5生成的三维轿车造型数字模型数据传给数控机床,迅速加工出供校验和审批用的1:1轿车物理模型,然后打光,进行局部修改、完善,最后喷漆,定型。返回修改原始的三维造型数字模型,这就涉及逆向工程(RE:Reverse Engineering)技术的应用:形状(几何)反求。利用接触式或者非接触式的测量设备采集轿车物理模型的外表面数据,生成三维点云数据。CATIA V5数字化外形编辑(DSE:CATIA Digitized Shape Editor),可以方便快捷的导入多种格式的点云文件,如:Ascii free、Atos、Cgo等十余种,还提供了数字化数据的输入、整理、组合、坏点剔除、截面生成、特征线提取、实时外形质量分析等功能,对点云进行处理,根据处理后的点云直接生成车身覆盖件的曲面。
为了创建更高质量的曲面,CATIA V5创成式曲面设计(GSD:CATIA Generative Shape Design)可根据基础线架与多个曲面特征组合,设计复杂的满足要求的轿车车身。它提供了一套涵盖面广泛的工具集,用以建立并修改用于复杂车身或混合造型设计中的曲面。它基于特征的设计方法,提供了高效、直观的设计环境,包括的智能化工具和定律(law)功能,允许用户对设计方法和技术规范进行捕捉并再用。
轿车车身曲面设计的最高级别:汽车A级曲面设计,它的标准是曲面曲率三阶可导,这对三维曲面设计提出了很高要求。针对这一难题,CATIA V5汽车A级曲面设计(ACA:CATIA Automotive Class A)采用其独有的逼真造型、自由曲面相关性造型和设计意图捕捉等曲面造型技术,可生成和构造优美、环保的轿车车身外形。它可以大幅度提高工作效率,并方便使用。开创了A级曲面处理的新方法,提高A级曲面造型的模型质量,大大提高了A级曲面设计流程的设计效率并在总开发流程中达到更高层次的集成,将A级曲面整个开发过程提高到一个新的水平。
 
图二  基于CATIA V5的数字轿车车身设计
1.3 数字轿车发动机和底盘零部件设计
在对轿车发动机和底盘零部件设计难点仔细研究的基础上,CATIA V5零件设计(PDG:CATIA Part Design)提供了3D机械零件设计的强大的设计工具。应用“"智能实体”的设计思想,广泛使用混合建模、关联特征和灵活的布尔运算相结合的方法,允许设计者灵活使用多种设计手法:可以在设计过程中或设计完成以后,进行参数化处理;可以在可控制关联性的装配环境下进行草图设计和零件设计,在局部3D参数化环境下添加设计约束;由于支持零件的多实体操作,还可以轻松管理零件更改,如进行灵活的设计后期修改操作。此外,PDG图形化的结构树可表示出模型特征的组织层次结构,以便更清晰地了解影响设计更改的因素。设计人员可以对整个特征组进行管理操作,以加快设计更改。
作为PDG的补充,CATIA V5线架与曲面设计(WSF:CATIA Wireframe and Surface Design)在零件设计的初始阶段,创建上下关联的线架结构特征元素和基本曲面。线架特征元素和基本的曲面特征元素的使用,大大丰富了现有的3D机构零件设计方法。它所采用的基于特征的设计方法提供了高效直观的设计环境,使得曲面和实体混合建模成为可能。
当完成零件设计后,CATIA V5装配设计(ASD:CATIA Assembly Design)可以帮助设计师用自顶向下(Top-down)或自底向上(Bottom-up)的方法定义和管理多层次的大型装配结构,可真正实现装配设计和单个零件设计之间的并行工程。
通过简单地移动鼠标或选取图标,设计人员就能将零件拖动到或快速移动到指定的装配位置;选择各种形式的机械约束,用来调整零件的位置并建立起约束关系;选择手动或自动的方式进行更新,可以重新排列产品的结构,并进行干涉和缝隙检查;无需复制相同零件或子装配数据,就可以在同一个装配件或不同装配件中重复使用。
建立标准零件或装配件的目录库,爆炸图的自动生成使用对设计的理解非常容易,分析功能可检查是否发生干涉以及是否超过了定义的间隙限制。无论多么复杂的装配,BOM(Bill of Material)表自动生成功能可得到所有零部件的准确信息。柔性子装配功能可以动态地切断产品结构和机械行为之间的联系,这一独特的命令能够在父装配中移动子装配的单独部件,或者管理实例化子部件不同的内部位置……ASD提供的这些高效的工作方式,使得装配设计者可以大幅减少设计时间和提高设计质量。
 
图三  基于CATIA V5的数字轿车发动机和底盘零部件设计
1.4 数字轿车管路和电子线路设计
1.4.1 管路设计
CATIA V5管路设计(PIP:CATIA Piping Design)提供完整的工具用于创建、修改和分析管路设计,并进行建档和管理,该工具主要用于创建能捕获所有适当设计信息和意图的智能化管路布置,自动放置弯管、弯头、三通和减压阀等标准部件,这种智能化的管路设计功能可使设计人员更高效地实现设计过程并对设计内容进行验证。PIP功能驱动的设计可确保设计意图在任何修改中得到贯彻,与设计规则引擎的集成可实现设计过程的自动化,并可确保企业的标准在整个设计过程中得到很好地贯彻。
1.4.2 电气导线布线设计
CATIA V5电气导线布线设计(EWR:CATIA Electrical Wire Routing)根据电气信号的功能定义,在数字化样机中进行电缆布局的定义和管理,专门用于电气系统的物理形状设计,允许设计人员在虚拟环境下解决复杂布线问题,同时使链接物理电气系统与其功能性定义成为可能。针对电缆布线的广泛性,EWR提供了线束的3D设计功能,设计人员可以在虚拟环境特别是在虚拟维护操作过程中随意提取物理电缆的功能性用途。
1.4.3 电气线束安装设计
CATIA V5电气线束安装设计(EHI:CATIA Electrical Harness Installation)是一个专门用于在3D虚拟环境下进行电气装置物理形状设计的产品,自然地,电气设计从机械设计环境开始,然后二者完全集成。在3D环境和电气装置之间可以很方便地进行关联,也可以很方便地修改。EHI提供了一系列带有几何及电气属性的标准件,可以在机械装配中进行线束设计,因此可以得到完整的包含电气系统的3D电子样机。由于与机械装配的集成,电气线束可以连接在电气设备上,也可以连接在机械部件上。设计人员可以充分享受了电气设计与机械装配完全集成的带来的益处。
1.4.4 电气线束展平设计
CATIA V5电气线束展平设计(EHF:CATIA Electrical Harness Flattening)可以将EHI创建的3D线束展平,并产生相关的2D工程图,以进行检查和归档。EHF提供了一整套工具来根据位置处理线束的不同线段以得到多种解决方案,允许设计人员根据线段的刚性情况来决定是展开,还是继续保留原始弯曲形状。而EHI所定义的3D机械约束关系仍然保留,因此该线段的弯曲半径和长度仍是被约束的。
1.4.5 电气元件库设计
CATIA V5电气元件库设计(ELB:CATIA Electrical Library)专用于建立和管理电气系统库,如连接件、电气设备、电缆束支架、电缆等,以便定义电气装置。允许设计人员扩展机械零件和装配件使其带有电气属性以定义成为电气设备,使用的目录库是机械和电气共用的。除管理电气目录库以外,ELB还可以根据CSV文件中电气属性及数字化电气系统中设备安装匹配规则等有关定义,批处理方式生成电缆定义,包括电气特性和属性,以及在设计电气系统时集成电气设备所需的兼容规则的管理等。
 
图四  基于CATIA V5的数字轿车管路和电子线路设计
1.5 数字轿车电子样机设计
电子样机(DMU:Digital Mock-Up)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DMU 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。”
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。
电子样机技术,不只是单纯的3D装配,具有以下的功能和特点。
(1)与CAX系统完全集成,并以“上下关联的设计”方式作业。
(2)提供强大的可视化手段,除了虚拟显示和多种浏览功能,还集成了DMU漫游和截面透视等先进手段。
(3)具备各种功能性检测手段,如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。
(4)具有产品结构的配置和信息交流功能。由于电子样机(DMU)技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成,在产品开发过程中不断对电子样机进行验证,大部分的设计错误都能被发现或避免,从而大大减少实物样机的制作与验证。
CATIA V5的电子样机功能由专门的模块完成,从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多CAX支持、产品结构管理等各方面提供了完整的电子样机功能,能够完成与物理样机同样的分析、模拟功能,从而减少制作物理样机的费用,并能进行更多的设计方案验证。
1.5.1 电子样机漫游设计
CATIA V5电子样机漫游设计(DMN:CATIA DMU Navigator)使设计人员可以通过最优化的观察、漫游和交流功能实现高级协同的DMU检查、打包和预装配等。提供的大量工具(如添加注释、超级链接、制作动画、发布及网络会议功能)使得所有涉及DMU检查的团队成员可以很容易地进行协同工作。高效的3D漫游功能保证了在整个团队中进行管理和选择DMU的能力。DMN指令自动执行和用可视化文件快速加载数据的功能大大提高设计效率。批处理模式的运用进一步改善了存储管理。借助与其它DMU产品的本质集成,使完整的电子样机审核及仿真成为可能,满足设计人员处理任何规模电子样机(如轿车等大型装配体)的需求。
1.5.2 电子样机优化设计
CATIA V5电子样机优化设计(DMO:CATIA DMU Optimizer)能够生成零件或装配件的几何描述替代体,以减少模型数据量,或更好地满足特定应用的特殊要求。通过只保留外部描述的方式,生成数据量少而表达精确的零件或装配件。在与供应商交流时仅提供零件简单的外形信息,保护商业技术机密。零件外形信息还可以转换成体积信息来做DMU仿真分析。通过运动包络体或计算剩余空间大小的方法可以很方便地得到下一步设计的可用空间。对这样生成的模型很容易进行管理,设计人员可以保存,并在对DMU进行检查和分析时重新调用。
1.5.3 电子样机装配模拟设计
CATIA V5电子样机装配模拟设计(FIT:CATIA DMU Fitting Simulator)用来定义、模拟和分析装配过程和拆卸过程,通过模拟维护修理过程的可行性(安装/拆卸)来校验原始设计的合理性。FIT可以产生拆卸预留空间等信息以便于将来的设计修改,还可以帮助标识和确定装配件的拆卸路径。FIT所提供的的模拟和分析工具可以满足产品设计、再生利用、服务和维护等各部门的具体要求,直观显示、仿真和动画制作等功能为销售、市场和培训等部门提供了有益的帮助。
1.5.4 电子样机运动机构模拟设计
CATIA V5电子样机运动机构模拟设计(KIN:CATIA DMU Kinematics Simulator)通过调用大量已有的多个种类的运动副或者通过自动转换机械装配约束条件而产生的运动副,对任何规模的电子样机进行运动机构定义。通过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动分析。KIN可以生成运动零件的轨迹、扫掠体和包络体以指导未来的设计。它还可以通过与其它DMU产品的集成做更多复杂组合的运动仿真分析,能够满足从机械设计到功能评估的各类工程设计人员的需要。
1.5.5 电子样机空间分析设计
CATIA V5电子样机空间分析设计(SPA:CATIA DMU Space Analysis)使用先进的干涉检查与分析工具、高级的断面分析工具、测量工具、距离分析工具和3维几何对比工具等进行最佳的DMU校验。SPA以交互式或以批处理方式进行碰撞、间隙及接触等干涉检查计算,并得到更为复杂和详尽的分析结果。距离分析和3D几何模型对比工具能够分析比较3D几何模型并将结果进行可视化显示,运用剖面观察器,设计人员可以对计算结果进行剖视,并在剖面上进行测量以便更进一步的了解并评估被比较对象之间的差异。SPA通过与CATIA目标管理器(COM)的集成,还能够进行质量和惯性等物理性质的测量及计算。SPA先进的校验功能,保证其能够处理电子样机审核及产品总成过程中经常遇到的问题,能够对产品的整个生命周期(从设计到维护)进行考察。
 
图五  基于CATIA V5的数字轿车电子样机设计
⒉ 数字轿车开发—功能虚拟样机
数字轿车开发是轿车数字化工程的核心,也是区别于以往早期零部件级别的虚拟设计最重要的方面,它面向整车系统——功能虚拟样机。产品设计人员在新型轿车开发的早期就全面考察数字轿车在各种工况下的性能,真正使数字轿车设计由“形似”提高到“神似”,并进行整车系统的调整,使数字轿车功能、成本、安全性、可靠性、舒适性等相互矛盾的性能之间达到系统平衡与优化。
2.1 人机工程学分析
人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识,研究组成人机系统的机器和人的相互关系,以提高整个系统工效的新兴边缘科学。人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力,以及人受机器、作业和环境条件的限制。为了在进行产品设计过程中就很好地解决“人—机—环境”之间的问题,CATIA V5最早提出了人体设计与分析(Ergonomics Design & Analysis)解决方案。
2.1.1 人体模型构造
CATIA V5人体模型构造(HBR:CATIA Human Builder)在虚拟环境中建立和管理标准的数字化“虚拟”人体模型,以在产品生命周期的早期进行人机工程的交互式分析。HBR提供的工具包括:人体模型生成、性别和身高百分比定义、人机工程学产品生成、人机工程学控制技术、动作生成及高级视觉仿真等。一个友好的用户接口确保了人体因素分析能够由非人体分析专家进行研究。
HBR能够满足来自轿车、工厂设计和电气产品等行业的设计工程师、技术支持维修工程师和概念设计师等不同工业界人士的需要。有效地将HBR与HAA(人体行为分析)、HME(人体模型测量编辑)及HPA(人体姿态分析)结合起来可以生成更高级的人体模型,得到更详尽的分析结果,使设计更符合人机工程学对舒适性、功能性及安全性的要求。这些产品的结合可以为设计人员提供人体工程设计详细的解决方案。
2.1.2 人体行为分析
CATIA V5人体行为分析(HAA:CATIA Human Activity Analysis)作为HBR的辅助模块,可以对处于虚拟环境中的人机互动进行特定的分析。HAA的优点在于能够精确地预测人的行为。它提供了多种高效的人体工程学分析工具和方法,可以全面分析人机互动过程中的全部因素。
2.1.3 人体模型测量编辑
CATIA V5人体模型测量编辑(HME:CATIA Human Measurements Editor)允许设计人员通过大量的先进人体测量学工具生成高级的用户自定义的人体模型。该模型依靠它的指定目标人群,可以用于评价设计与其目标的吻合程度。HME能够满足专业人机工程分析师、技术支持维护工程师等不同设计人员的需要。
2.1.4 人体姿态分析
CATIA V5人体姿态分析(HPA:CATIA Human Posture Analysis)可以定性和定量地分析人机工程学上的各种姿态。人的整个身体及各种姿态可以从各个方面被全面系统地反复检验和分析,以评定驾驶者的舒适性,并可以与以公布的舒适性数据库中的数据进行比较,来检查、纪录和重放人体全身或局部的姿势,确定相关人体的舒适度和可操作性。界面友好的对话框提供了人体模型各个部位的姿势信息,颜色编码技术可以通过使用不同的颜色标记,快速发现有问题的区域,重新做出分析,并进行姿态优化。HPA允许设计人员根据自己的实际应用,建立起自己的舒适度和强度数据库设计,来满足不同的需要。
 
图六  基于CATIA V5的人机工程学分析
2.2 工程分析
CATIA V5提供了一套既适于设计人员又适于专业分析人员使用并且经过工业验证的有限元分析解决方案(Analysis & Simulation),用来作为设计人员进行决策的辅助工具,其无与伦比的易用性,使设计人员可以进行设计与分析的反复叠代。与设计的完全集成和关联,设计人员不需要进行传统有限元分析软件的前后置处理,只需在模型上添加载荷和约束,系统就可以对设计进行验证。CATIA V5的分析解决方案覆盖了工程分析的各个方面,包括线性的零件和混合装配分析、接触分析、屈曲分析、热机械分析、零件和混合模型的模态分析、可变形装配公差分析等。
2.2.1 创成式结构分析
CATIA V5创成式零件结构分析(GPS:CATIA Generative Part Structural Analysis)拥有先进的前处理、求解和后处理的能力,为产品设计人员和分析工程师提供了一种简便的应用和分析环境,允许设计者对零件进行快速的、准确的应力分析和变形分析。GPS所具有的明晰的、自动的模拟和分析功能,使得在设计的初级阶段,就可以对零部件进行反复多次的设计和分析计算,从而达到改进和加强零件性能的目的。作为分析运算的核心模块,GPS集成了一系列的更高级的可定制的专业级的分析求解工具,可以使设计人员很好地完成机械零件性能评估中所要求的应力分析、振动分析和接触分析。对于实体部件、曲面部件和线框结构部件都可以在GPS中实现结构分析。在一个非常直观的环境中,用户可以对零件进行自动的应力分析(包括接触应力分析)和模态频率分析。GPS自适应技术支持应力计算时的局部细化,对于计算结果也提供先进的分析功能,例如实时动态剖面。
建立在GPS基础上的CATIA V5创成式装配件结构分析(GAS:CATIA Generative Assembly Structural Analysis)很好地继承了GPS核心模块提供的所有的功能,允许设计人员直接对装配进行定义,可以直接调用通过ASD定义的装配连接来进行分析。GAS自动地完成以下过程:对每个零件自动化分网格,然后将不能匹配的网格通过独特的组合机制自动连接。可以实现对各种类型装配件结构的应力分析和振动分析,而且通过在多部件之间建立起来的良好的连接关系,使得在整个的分析过程中,模型中各个特定的装配关系可以得到完美的体现。
2.2.2 Elfini结构分析
CATIA V5 Elfini结构分析(EST:CATIA Elfini Structural Analysis)提供了可以满足分析专家需求的高级分析选项。EST继承了GPS的所有功能。同时,它进一步给出了更多的分析类型和补充选项,扩展了GPS功能,以便进行更为高级的前、后处理和分析解算。EST通过与GAS结合使用,既能够对零件进行结构分析, 也可以对装配件进行结构分析。作为一个集成化的模块,EST结合CATIA V5其它设计模块,提供了完全相关的分析规范,设计上的变化会直接反映到分析结果的变化,因此可以快速完成高质量的设计。
2.2.3 变形装配件公差分析
CATIA V5变形装配件公差分析(TAA:CATIA Tolerance Analysis of Deformable Assembly)提供一套基于单个零件公差,运用变形与装配分析,对钣金件进行装配公差分析预测的工具,能够预测钣金零件焊接体(螺钉连接或铰接)的公差一致性,分析预测过程中会充分考虑装配中的产品、流程和资源等因素。TAA可以直接应用到设计阶段,帮助设计者确定或验证装配流程(例如装配次序或焊接/铆接次序等)、相应的装配公差、钣金结构件的几何外形与各种属性值(例如厚度、材料等)。同样可以应用到生产制造阶段,用来发现一些需要纠正的流程错误,而且可以结合灵敏度分析来组织加工过程(例如增加一些新的定位装置、修改焊接次序)。TAA与CATIA V5其它分析环境相集成,使设计人员不仅能够分析单个零部件的有效期影响而且能够考虑整个装配过程中发生的变形,从而为零件优化设计和装配工艺优化提供反馈,使产品进行全面质量改进成为可能。
 
图七  基于CATIA V5的工程分析
2.3 中间数据格式接口
2.3.1 初始图形交换规范IGES
初始图形交换规范(IGES:Initial Graphics Exchange Specification)是美国国家标准局和工业界于1975年共同制定并实施的。CATIA V5提供的IGES接口(IGI:CATIA IGES Interface)可以帮助多个CAD/CAM系统并存的制造企业通过IGES中性数据格式进行数据交换。该实用程序支持IGES V5.3版本,并具有IGES元素名字和CATIA V5几何元素标识之间的名字匹配管理功能,能够处理3D线架元素、曲面和剪载曲面元素、等距偏置曲线、表皮和表皮边界、二次曲线和颜色。转换完成后,同时产生一个HTML格式转换报告。设计人员可以在两个完全不同的系统之间直接进行可靠的双向数据交换,也可以自动存取IGES文件。
2.3.2 产品模型数据交换标准STEP
1983年12月,国际标准化组织所属技术委员会TC184(工业自动化系统技术委员会)下的“产品模型数据外部表示”(External Representation of Product Model Data)分委会SC4所制定的国际统一CAD数据交换标准:产品模型数据交换标准(STEP:Standard for the Exchange of Product Model Data),到1994年已完成了其中12个分号标准。CATIA V5配备的STEP核心接口(STI:CATIA SETP Core Interface)能自动识别STEP文件类型,支持几何体和装配结构,并能够输入、输出拓扑关系(如实体、壳体类零件)。允许设计人员交互式地以STEP AP203和STEP AP214数据格式读写数据。
 
图八  基于CATIA V5的中间数据格式接口
2.4 第三方软件无缝接口
2.4.1 与ANSYS、NASTRAN的专用接口
基于设计员级的有限元分析及优化,由CATIA V5创成式结构分析模块完成,包括零部件和装配件的结构分析、静载分析及模态分析。
对于复杂的非线性有限元分析可在CATIA V5中进行网格划分,然后进入市场上流行的有限分析软件ANSYS或NASTRAN系统中,进行分析计算,最后再由CATIA V5进行后置处理。CATIA V5与ANSYS及NASTRAN分别都有专门的接口,不必做任何数据转换。NASTRAN还专门针对CATIA V5开发了分析模块V5i。
2.4.2 与ADAMS软件的专用接口
CATIA V5与市场上流行的动力学分析软件ADAMS软件有专门的接口,运行该接口后,ADAMS软件可在CATIA V5中使用,就像CATIA V5的一个模块一样。
⒊ 虚拟加工
根据虚拟制造的要求,虚拟加工平台要进行数字轿车可加工性分析,包括零部件制造设计与分析(如:焊接、钣金和模具)、制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验(如:数控加工)等。
3.1 虚拟焊接设计
CATIA V5可以在高效、直观的环境中进行焊接装配设计(WDG:CATIA Weld Design),为设计人员提供了角焊、对接焊、铲边焊、坡口焊和型槽焊(V型、U型和J型)等八种类型的焊接设计方法和先进的焊接工艺,用于创建焊接和相关的标注,在3D数字样机中实现焊接,可使设计者对数字化预装配、质量惯性、空间预留和工程图标注等进行详细的管理。
 
图九 基于CATIA V5的虚拟焊接设计
3.2 虚拟钣金设计
CATIA V5提供的钣金件设计(SMD:CATIA Sheetmetal Design)使用基于模型特征的技术方法专门进行钣金零件设计,包括许多标准的设计特征,如加强筋、压印和扫掠特征等。允许设计人员在钣金零件的非展开表示和展开表示之间实现并行工程。SMD可以直接从草图或已有实体模型开始,还可以与之前和之后的CATIA V5其它应用模块如零件设计、装配设计和工程图生成模块等结合使用,因此加强了设计的上游和下游之间的信息交流与共享。
与SMD配合使用的钣金加工设计(SHP:CATIA Sheetmetal Product)专门应用于钣金零件的加工准备工作。可将3D折叠的钣金模型转换为可加工的展开模型,提供可加工性检查等实用工具及与其它外部钣金加工软件进行数据交换的接口。从而提供了覆盖钣金零件从设计到制造的整个流程的完备的解决方案。
 
图十  基于CATIA V5的虚拟钣金设计
3.3 虚拟模具设计
CATIA V5凹凸模设计(CCV:CATIA Core and Cavity Design)使得设计人员快速和经济地设计模具加工和生产中所使用的凹模和凸模。CCV可进行模具凹凸模的关联性定义, 评估零件的可成型性、加工可行性、和凹凸模模板的详细设计。它的技术标准(是否可用模具成型)可以决定零件是否可以被加工,快速分模工具可将曲面或实体零件分割为带滑块和活络模芯的凹凸模,允许设计人员在凹凸模曲面上填补技术孔、识别分模线和生成分模曲面。
在此基础上,CATIA V5模具工具设计(MTD:CATIA Mold Tooling Design)通过调用标准库中已有的部件或自定义的设计,提供快捷、低成本的塑料注射模具的设计工具。MTD支持包括凸凹模固定板定义、组件实例化、注射和冷却特征定义等模具设计的所有工作,用于定义和管理模具设计。它提供高效的设计环境,如生成分型线和分型面、设计新类型的模具部件、模具仿真、装配图纸生成及模具组装、加工等。以标准目录库(DME、DME-AMERICA、EOC、FUTABA、HASCO、MISUMI、NATIONAL、RABOURDIN和STRACK等)访问功能为基础,通过对组件及其关联孔的混合实例化,使得模具零件和装配的自动配置。在的知识驱动的环境下,与用该模具制造的零件建立强关联的关系,快速、经济地创建复杂的注塑模具。 
 
图十一  基于CATIA V5的虚拟模具设计
3.4 虚拟数控加工设计
CATIA V5 数控加工解决方案是唯一的一个建立在单一的基础架构上、基于知识工程、覆盖所有CAM应用的集成解决方案。基于CATIA独有的产品/流程/资源(PPR)模型,使产品模型、加工工艺和加工时使用的机床、刀具、工装夹具、人员等加工资源达到高层次的关联,从而实现高效的更改管理,更好地支持并行工程和管理加工流程。通过集成知识工程的能力使加工自动化和标准化。CATIA V5的NC加工覆盖了从快速成型、车削到高级5轴切削最全面的加工方法,从而减少管理费用。
3.4.1 高级加工设计
CATIA V5高级加工设计(AMG:CATIA Advanced Machining)可在单一平台下很方便地进行NC编程,在加工那些复杂的3D零件(例如:轿车车身覆盖件模具、液力变矩器叶片模具等)时,可以提供的加工操作涵盖了铣削加工中包括固定轴加工在内的从2轴半到5轴的所有加工流程。CATIA V5系列数控加工设计模块已经为设计人员提供了一整套加工编程方法。除此以外,AMG还引入了多轴侧刃轮廓加工方法和高级的多轴加工方法。
3.4.2 车削加工设计
CATIA V5车削加工设计(LMG:CATIA Lathe Machining)用来方便地定义3D轴类(旋转类)零件在立式或卧式车床上进行2轴车削和点位加工的NC程序,提供了高级的自动化和知识重用功能。特别针对所有类型的轴类零件,可满足机加工行业和装配行业,以及需要进行车削加工的所有待业的需求。对于CAM加工中心,LMG特别偏重于产品的易用性和高水平的加工能力,因此可以作为车间一级的独立产品使用。
3.4.3多轴曲面加工设计
CATIA V5多轴曲面加工设计(MMG:CATIA Multi-Axis Surface Machining)能够在多轴模式下方便地定义加工三维零件复杂曲线曲面的NC程序。MMG采用多轴曲面加工操作,配置包括倾斜轴线在内的各种不同的刀具轴线机制,可以选择多种刀轴策略,包括刀轴的动态倾斜以防止碰撞,快速生成刀具轨迹,并可将刀具轨迹生成、仿真(材料切除)和编辑紧密地联系在一起。
MMG特别合适于轿车的电子样机及模具加工仿真,以5轴联动的加工为轿车提供高质量的曲面。另外,MMG也能满足原型加工、5轴切削及特种切削的要求。5轴加工能够保证加工的快速和精确。MMG的易学易用及强大的加工能力使它既可以作为一个单独产品在CAM加工中心的某一车间使用,也非常适合于整个CAM加工中心。
3.4.4 两轴半曲面加工设计
CATIA V5两轴半曲面加工设计(PMG:CATIA Prismatic Machining)采用2.5轴铣及钻孔加工技术,模型简单方便地定义和管理3D零件2轴半铣切和点位加工的NC程序,提供了高级的加工知识重用的功能,支持高速切削技术。刀具可以直接调用外部刀具库。PMG特别针对工装和平面类零件(棱柱件),适用于轿车制造和装配行业。简单易用和广泛适用性的加工能力,使其特别适用于车间一级的CAM加工中心。
3.4.5 三轴曲面加工设计
CATIA V5三轴曲面加工设计(SMG:CATIA 3 Axis Surface Machining)用来定义和管理3轴NC程序,专门针对于3轴加工技术,面向3D几何体。可以很容易地定义3 轴铣切加工和钻孔操作,可以生成、仿真(材料切削)和分析刀具轨迹。基于图形对话框的直观的用户界面可以快速地进行刀具轨迹定义。实时周期更新技术(Instant Cycle Update Technology)可以快速更新刀具轨迹。高速铣削技术支持所有的操作,刀具可很容易地在刀具库中创建和存储。
通过一个集成的后处理器,SMG可以生成包括从刀具轨迹定义到NC代码生成的整个加工过程。车间加工文档可以生成为HTML格式文件,与其它CATIA V5设计模块紧密相关,它能够有效地进行设计修改和管理。SMG功能涵盖了轿车全部的制造工艺过程,特别适用于工、模具加工等方面的需求;同时也适用于其它曲面加工流程,如原型加工等;还可以独立运用于以CAM为中心的加工车间,非常适合于要求高质量、短周期的大型制造企业。
3.4.6 STL快速成形设计
CATIA V5 STL快速成形设计(STL:CATIA STL Rapid Prototyping)提供了通过删除或重组三角形单元、填充孔以及整体或局部重新划分网格的功能来改进网格质量的高级工具。可以通过对CAD数据划分网格来快速准确地生成STL文件;可以导入已有的STL文件,显示网格并分析其质量;还可以微量偏置网格生成实体以及对网格分割与合并。生成的网格可以导出为标准的二进制STL文件提供给快速成型机。
 
图十二  基于CATIA V5的虚拟数控加工设计
⒋ 虚拟生产
该平台将支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化,进行可生产性分析。包括虚拟设备集成、虚拟生产环境布局和虚拟计划与调度。
4.1 虚拟生产线设计
4.1.1 电缆布线设计
CATIA V5电缆布线设计(ECR:CATIA Electrical Cableway Routing)进行电缆系统的3D设计实施,允许在3D空间实现所有在电气原理图中定义的电气组件。ECR能自动管理空间预留项的创建、根据电气连通信息(原理图)来管理它的放置、以及隔离空间生成。通过使用ECR,设计人员可以把电气特性和机械特性集成起来,可以解决在虚拟环境中的复杂电缆布线问题。
4.1.2 系统空间预留设计
CATIA V5系统空间预留设计(SSR:CATIA Systems Space Reservation)可以优化电气系统的布线和布局,提供了一种高效低成本的方法,用于为管线和电缆设计预留空间,以及进行审查和验证。SSR定义包括组件和通道的空间预留网络,并隔离这些空间预留网络。整个过程可以通过简单直观的用户界面来完成,能把传统的2D布置图和3D设计建模功能结合起来。还可自定义曲面连接通道,通道可随时在自由空间动态生成。这一强大的功能使设计人员可以在通道的任意不同界面形状之间转换,例如从圆形截面到矩形截面。
作为集成的可扩展的模块,SSR保证了从概念设计的空间预定,到基本设计的布线及设备放置之间的无缝连接。SSR是专门为轿车等交通行业设计,新的解决方案帮助制造企业有效地建立和管理其系统布局,特别是电气系统。
4.1.3 系统布线设计
CATIA V5系统布线设计(SRT:CATIA Systems Routing)是概念设计应用模块,可以在概念设计早期就根据所有要求来优化他们的布线设计,可以优化管道系统、传输系统、风管系统、电缆系统及排水管道系统等各种专业系统的布局,使系统规划人员可以为最终的功能以及详细布置预留必要的合适的空间。
SRT允许完全地定义一个零件或一个布线设计,然后将其演化为真实的几何体或零件。这种“演化”能力使设计人员能够自由以自己的速度进行系统布局的详细设计,并能最大程度地利用前人已有的设计成果。SRT可以从概念设计到厂房维护阶段对系统组成进行强有力且灵活有效的管理,也可以从概念设计到详细设计阶段不断地迭代其布局定义,以优化产品。
4.1.4 设备布置设计
CATIA V5设备布置设计(EQT:CATIA Equipment Arrangement)提供一系列工具,采用工业标准规范、术语和工程惯例建立、修改、分析和管理制造企业所应用的工业设备和系统,这些设备包括锅炉、升降机、压缩机、抽水泵、加热器、电气设备、机械人等。它主要用于流水生产线、电力和离散型加工制造工业,例如轿车。
与ENOVIA的数据管理结合使用,EQT为设计人员提供了从原始设计到制造和厂房操作整个过程的管理功能,在某种程度上提高了工作方法的灵活性。EQT侧重能够捕捉与设备有关信息的智能化表示和管理,可以更高效地进行设计和验证。另外,捕捉到的智能知识可以在下一流程的设计过程中重用,使其在整个设计过程中具备了更多的优点。
4.1.5 支架设计
CATIA V5支架设计(HGR:CATIA Hanger Design)向设计人员提供了一整套工具,来迅速设计(定义、放置、修改和分析)和管理用于支撑3D系统(如:管道和电气系统)的支架以及在支架内进行电缆布线,这些工具采用了业内标准的惯例、术语和经验。设计人员可以自定义支架属性和支架类型。这样就可以对属性数据进行标准化,以便查询、摘要及统计报告。
通过与知识规则引擎集成,HGR可以进行设计校验并确保企业标准在整个设计过程中被贯彻。捕捉的智能信息可以被后续过程重复应用,使客户能从整个业务流程中受益。HGR与ECR紧密集成,提供了很容易在预先定义好的支架内进行电缆布线的功能;与SSR紧密集成,允许设计人员声明所需要的空间,用于干涉检查。HGR全面而灵活的设置功能包括定义项目标准和目录库的简易方法,这种标准和目录库可以使企业快速形成生产力。HGR还带有参数化支架库。所有这些使得设计人员可以快速简捷地创建、修改和管理自己的支架布置。
4.1.6 线槽与导管设计
CATIA V5线槽与导管设计(RCD:CATIA Raceway and Conduit Design)提供完整的工具来创建、修改和分析3维线槽与导管设计,提供规划工具来实现零件的智能布置和设备的自动布置。设计人员可以使用业界标准的约定和经验创建并管理以规则驱动的线槽与导管系统设计。
RCD还提供了一个线槽与导管参数化设计零件库。该库通过定义沟槽、管道网络与电缆布线产品集成,可以根据设计信息进行智能规划。与设计规范引擎的集成可以实现设计过程的自动控制并保证了设计过程与企业标准的一致性。设计人员可以查询和提炼所获取的设计信息和知识,并将其用于后续的设计过程中。RCD与PDM产品集成后,可以以很容易接受的方式,从初始设计到运行或IES/Plant操作全面地管理系统。
4.1.7 管线设计
CATIA V5管线设计(TUB:CATIA Tubing Design)主要进行管线及管线系统的物理形状设计和管理。特点是2维原理图和3维设计相集成,通过把功能原理图的信息(如数据和设计意图)自动传递到3D详细设计,可以优化设计流程。两个设计阶段的集成确保了在详细设计阶段能够捕捉设计意图。原理图驱动的设计方式可以在3维设计时自动调用管线和零件,从而动态地保持了原理图与3维设计的一致性。设计人员可以加注释并验证模型、查询数据、生成相应的报告。TUB提供有丰富的功能用于快速查询设计信息,并产生相关报告信息。通过与PDM集成,可提高企业的生产效率,缩短产品开发周期。
 
图十三  基于CATIA V5的虚拟生产线设计
4.2 虚拟厂房设计
如今,每一个制造企业都在不停地寻找新办法减少设备闲置时间、减少生产车间出现问题的次数及停工期,以便将产品快速地投放市场。为了帮助企业成功地实现上述目标,CATIA V5厂房布置设计(PLO:CATIA Plant Layout)应运而生。它可以优化企业的生产设备布置和厂房布置,从而优化生产过程、生产效率和产品输出。
PLO擅长于工厂设施的空间组成设计,主要用于处理“空间利用”和厂房内设备的布置问题,可实现快速的厂房布置和厂房布置的后续工作,方便快捷地生成总体布局,同时也便于下游设计的修改与完善。它也提供由传统的2D布局图到3D布局的转换功能。它的智能性可以帮助厂房设计者与系统布置设计组在设备还未安装或还未运送至厂房之前便可确定有关厂房的布置安排,发现并解决生产流程问题。不仅可使设计人员迅速地完成设计任务,还可显著提高设计质量。利用CATIA V5集成的设计环境,企业可拥有一个完全满足自身对制造环境所有需求的最佳解决方案。
 
图十四  基于CATIA V5的虚拟厂房设计
五、 五、           CATIA V5数字化轿车集成技术
⒈ 产品数据管理
产品数据管理(PDM:Product Data Management)技术最早出现于八十年代初期,目的是为了解决大量工程图纸、技术文档以及CAD文件的计算机化的管理问题,后来逐渐扩展到产品开发中的三个主要领域:设计图纸和电子文档的管理、材料报表(BOM)的管理以及与工程文档的集成、工程变更请求/指令的跟踪与管理。按照专门从事PDM和CIM相关技术咨询业务的国际公司-CIMdata公司总裁EdMiller在《PDMtoday》一文中给出的PDM的定义,PDM是管理所有与产品相关的下述信息和过程的技术:
(1)与产品相关的所有信息,即描述产品的各种信息。包括零部件信息、结构配置、文件、CAD档案、审批信息等;
(2)对这些过程的定义和管理。包括信息的审批和发放。
PDM的核心思想是设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享,通过人、过程、技术三者的平衡使虚拟制造过程进一步增值。遵循这一思想,CATIA V5内嵌了SmarTeam的某些模块,通过增强协同关联设计链,加强了CATIA-SmarTeam集成。CATIA V5通过SmarTeam进一步支持上下关联设计环境的链接,改善了关联设计能力,方便了产品生命周期管理。
通过ENOVIA工作交换包(EWE:CATIA ENOVIA Work Package Exchange),OEM可在ENOVIA VPM V4 或V5平台内定义工作环境,并且装载CATIA V5中所有相关的数据。然后,OEM生成提供给供应商的“可移动”文件。于是,供应商可完成由OEM提出的所有数据修改或创建工作并返回经过更新的“可移动”文件。最后,OEM装载由供应商提供的CATIA V5数据,并使用EWE在 ENOVIA VPM V4 或 V5平台内导入上述数据,完成最终的数据。
为了保证最新的数据为全部有关用户应用,包括工程设计人员、数控机床操作人员、财会人员及销售人员都能按各自需求方便地存取和使用相关数据,在产品生命周期内, PPR xPDM 接口(PXG:CATIA PPR xPDM Gateway)提供 CATIA V5和任何 PDM之间的综合接口,以实现不同环境中数据的输入/输出。不论用户使用何种PDM系统均可管理和优化所有产品的相关信息,并以同步方式保持数据的完整性和可靠性。
⒉ 知识工程
1977年,第五届国际人工智能联合大会上,美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆(E.A.Feigenbaum)教授所作的“人工智能的艺术:知识工程课题及实例研究”特约演讲中第一次提出“知识工程KE”这个词,它的出现改变了传统的知识记载和传播的方式。知识工程(KE:Knowledge Engineering)是一个非常广泛的概念,最基本的含义就是人工智能在知识信息处理方面的发展,利用大型技术基础设施(网络平台与计算机系统),完成知识的采集、整理、加工、制作、存贮和发送的工作。一般采用“规则”的形式来存放、维护和应用所得到的知识。
知识工程具有极其广阔的应用领域,最重要的方面之一就是与CAX系统相结合,注重知识应用的CAX系统是现代制造业的关键需求。基于知识工程的CAX系统起源于20世纪90年代初的美国,最初通过与CATIA和ICAD软件相结合应用于波音公司的飞机冲压件设计中。通过近10年的发展,知识工程已成为CATIA V5软件系统的核心技术之一。
CATIA V5的知识工程主要体现为一系列智能化软件模块,包括知识工程顾问(KWA:CATIA Knowledge Advisor)、知识工程专家(KWE:CATIA Knowledge Expert)、产品知识模板(PKT:CATIA Product Knowledge Template)、业务流程知识模板(BKT:CATIA Business Process Knowledge Template)、产品工程优化(PEO:CATIA Product Engineering Optimizer)、产品功能定义(PFD:CATIA Product Function Definition)和产品功能优化(PFO:CATIA Product Function Optimization)等,通过提供方便易用的知识工程环境来创建、访问以及应用企业知识库,在保存企业知识的同时,充分利用这些宝贵经验。
(1)帮助企业把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含的知识轻易地转化为正规的显式的知识。将“知识”以参数(Parameters)、公式(Formulas)、规则(Rules)、检查(Checks)、报告(Reports)、设计表(Design Tables)、应变(Reactions)、创成式脚本(Generative Scripts)等多种形式表示出来,还可以把这些智能资产封装为产品设计模板直接使用,一方面应用了企业的最佳设计经验,另一方面也保护了企业的智能资产,并且企业可以在任何时候定义、修改、插入任何类型的“知识”。
(2)给企业提供了在产品全生命周期都可以捕捉与重用企业知识的能力。建立知识库的目的是为了在产品开发过程中所有相关技术人员都可以高效利用CATIA V5自动捕捉建立在系统中的知识。
这种独一无二的知识驱动以及产品设计方法,不仅适用于产品造型阶段,还适用于从设计分析到制造,从单个零件的设计到整个产品的电子样机,这样在设计效率上远远超过了传统的参数化或变量软件系统。CATIA V5通过知识工程还把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起,从而带动企业相应各部门间的紧密联系以及产品信息共享,更好地支持了并行工程和协同设计能力。
⒊ 并行工程
1988年12月,美国国防部防御分析研究所(IDA:Institute for Defense Analysis)发表了非常著名的IDA/R388研究报告,第一次提出了“并行工程CE”的概念。并行工程(CE:Concurrent Engineering)又称同步工程或同期工程,是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法,它的实质是在产品的设计阶段就充分地预报该产品在制造、装配、销售、使用、售后服务以及报废、回收等环节中的“表现”,发现可能存在的问题,及时地进行修改与优化。并行工程的目的是减少产品开发中的弯路与反复,缩短产品的开发周期,甚至做到产品开发一次成功。实践证明:并行工程能够缩短产品开发周期40%~60%,减少工程变更次数50%以上,降低产品成本30%~40%。
一些著名企业通过并行工程的实施取得了显著效益,其中最著名的是美国波音公司在波音777大型民用喷气式客机的研制中,采用CATIA和ENOVIA软件系统,运用了CIMS和CE技术,在企业南北地理分布51英里的区域内,由230多个研制小组(Team)形成了群组协同工作,产品全部进行了数字定义,建立了电子样机,除起落架舱外,成为世界上第一架无物理原型样机而一次成功飞上蓝天的喷气客机,也是世界航空发展史上最高水平的“无图纸”飞机。
CATIA V5所提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式,使得并行工程设计模式不再是崭新的概念。它通过多模型相关联(MML:Multi-Model Link)技术,把一个项目中的所有成员的信息连接起来,下游设计结果可方便地作为上游的参考;同时,上游设计者对设计的修改能直接影响到下游工作的更新;在允许的条件下,每个人都可以访问到项目组成员的最新设计结果。MML技术使得这个设计过程成为一个上下关联设计的过程,即Design-in-Context。总体设计部门只要将基本的结构尺寸及空间预留发放出去,各分系统的人员便可开始工作,既可协同工作,又不互相牵连,实现真正意义上的并行工程设计。
 
图十五  基于CATIA V5轿车数字化工程
六、 六、           结束语
本文论述了虚拟制造、轿车数字化工程等的基本内涵,并结合CATIA V5系统的技术特点,讨论了轿车设计、开发和制造全生命周期中CATIA V5的具体应用,包括数字轿车设计、数字轿车开发、虚拟加工和虚拟生产等。由此可以深刻体会到CATIA V5已不仅仅是一个简单的辅助设计工具,早已远远超过了在屏幕上定义产品的阶段,它所提供的先进建模与仿真技术,为现代轿车的设计、开发和制造的建立了一个相当完善的软件系统支撑环境,加快了新车型的开发速度和增强了其对市场的快速响应能力,无疑会给制造企业带来更加强大的竞争力。
 
 
参考文献
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[3]  丁良旭.虚拟技术与汽车工业[J].客车技术与研究,2002,24(2):1-5. 
[4]  刘战强,艾兴.虚拟制造技术及其应用的现状与发展展望[J].山东大学学报(工学版),2002,32(3):211-217.
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[6]  Wiens G J.An Overview of Virtual Manufacturing[A]. Virtual Manufacturing-Proceedings of the 2nd Agile Manufacturing Conference(AMC’95)[C].Albuquerque,New

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