目錄

CONTENTS

第1章緒論

1.1汽車CAD/CAE技術概述

1.1.1汽車CAD／CAE概念

1.1.2汽車CAD/CAE集成的關鍵技術

1.1.3汽車CAD/CAE技術的應用

1.2汽車CAD／CAE技術的發展

1.2.1CAD／CAE技術發展的歷史

1.2.2CAD／CAE技術發展的趨勢

1.3汽車CAD／CAE繫統結構

1.3.1CAD／CAE集成繫統的特點

1.3.2CAD/CAE集成繫統的典型體繫結構

第2章CAD/CAE技術在汽車行業中的應用

2.1CAD技術在汽車行業中的應用

2.1.1CAD技術在汽車行業中的應用領域

2.1.2國外汽車行業CAD技術應用情況

2.1.3我國制造業和汽車行業CAD技術應用情況

2.1.4我國制造業和汽車企業應如何應用CAD技術

2.2CAE技術在汽車設計中的應用

2.2.1計算機輔助工程概述

2.2.2CAE技術在汽車產品開發中的全面引入

2.2.3CAE技術需要解決的關鍵問題

2.2.4國內汽車行業的CAE技術應用情況

2.2.5發展中的汽車CAE技術

2.3常見的汽車CAD／CAE繫統

2.4CAD／CAE繫統軟硬件選用原則

2.4.1CAD／CAE繫統的硬件選用原則

2.4.2CAD／CAE繫統的軟件選用原則

第3章汽車CAE的部分主流軟件繫統及其應用

3.1CAE軟件及選擇

3.2ADAMS軟件及其應用

3.2.1MSC.ADAMS簡介

3.2.2基於ADAMS/Car四輪轉向汽車操縱動力學仿真

3.3ANSYS軟件及其應用

3.3.1ANSYS簡介

3.3.2基於ANSYS的白車身結構分析

3.4Nastran軟件及其應用

3.4.1MSC.Nastran簡介

3.4.2MSC.Nastran在輕型客車NVH特性研究中的應用

3.5SYSNOISE軟件及其應用

3.5.1LMS. SYSNOISE簡介

3.5.2應用SYSNOISE進行車身乘坐室聲振模態分析

3.6MATLAB/Simulink軟件及其應用

3.6.1MATLAB/Simulink簡介

3.6.2應用MATLAB/Simulink進行四輪轉向車輛的控制研究

3.7RecurDyn軟件及其應用

3.7.1RecurDyn簡介

3.7.2應用RecurDyn進行汽車發動機正時鏈繫統仿真

3.8RADIOSS軟件及其應用

3.8.1RADIOSS簡介

3.8.2應用RADIOSS進行保險杠踫撞仿真

第4章汽車驅動橋殼CAD建模與優化設計

4.1驅動橋殼的功用及結構形式

4.2UG NX軟件簡介

4.2.1UG產品的特點

4.2.2UG各功能模塊

4.3驅動橋殼建模

4.3.1橋殼本體總成建模

4.3.2橋殼半軸套筒建模

4.3.3橋殼凸緣建模

4.3.4橋殼加強環建模

4.3.5制動器支架固定板建模

4.3.6彈簧固定座建模

4.3.7橋殼蓋總成建模

4.4驅動橋殼分析

4.5結構靜力學分析

4.5.1滿載荷靜力學分析

4.5.22.5倍滿載荷靜力學分析

4.6結構模態分析

4.7優化分析

4.7.1結構優化設計

4.7.2參數化優化設計

第5章汽車車輪鋼圈結構強度分析

5.1車輪鋼圈的功用及結構形式

5.2建模設計平臺簡介

5.2.1CATIA草圖設計平臺

5.2.2零件設計平臺

5.2.3創成式曲面造型設計平臺

5.2.4FreeStyle(自由曲面設計)平臺

5.3車輪鋼圈建模

5.3.1鋼圈本體總成建模

5.3.2梅花形分布沉頭孔建模

5.3.3梅花形分布凹槽建模

5.3.4環形下沉切割凹槽建模

5.3.5輪輻主體建模

5.4CATIA V分析的特點

5.5車輪鋼網格劃分

5.6車輪鋼圈結構強度分析

第6章轎車前懸架動力學仿真及優化設計

6.1ADAMS的設計流程

6.2前懸架設計基本思路

6.2.1設計內容及要求

6.2.2建模過程中的假設

6.2.3分析優化的依據

6.3前懸架模型的建立

6.3.1建立汽車前懸架模型

6.3.2測試前懸架模型

6.3.3細化前懸架模型

6.3.4定制界面

6.3.5優化前懸架模型

6.4仿真結果分析

第7章汽車雙離合自動變速器傳動機構建模與仿真

7.1雙離合器自動變速器結構及工作原理

7.2傳動機構結構及工作原理

7.3DSG傳動機構齒輪的建模

7.3.1斜齒輪傳動相關知識

7.3.2創建表達式

7.3.3漸開線的繪制

7.3.4齒輪模型的創建

7.4軸及其他零件的建模

7.5DSG傳動機構虛擬裝配

7.5.1UG裝配模塊介紹

7.5.2軸上零件裝配

7.5.3軸間裝配

7.6DSG傳動機構運動仿真分析

7.6.1建立運動分析方案

7.6.2一擋運動學仿真

7.6.3倒擋運動學仿真

第8章汽車自動變速器殼體逆向工程設計

8.1Geomagic軟件特點

8.2殼體點雲數據的處理

8.2.1多邊形階段的處理過程

8.2.2粗糙多邊形的銳化

8.2.3孔的生成和整合

8.3曲面模型的創建

8.3.1檢測曲率

8.3.2構造曲面片

8.3.3構造格柵

8.3.4生成曲面

8.4實體模型的創建

第9章DSG自動變速器離合器建模與虛擬裝配

9.1DSG自動變速器基本結構和原理

9.2離合器參數化建模

9.2.1離合器K1

9.2.2離合器K2

9.2.3驅動盤

9.2.4離合器鼓

9.2.5離合器內部構件

9.3離合器虛擬裝配

9.3.1離合器各部件總裝

9.3.2虛擬裝配動畫制作

第10章基於熱應力場耦合的渦旋壓縮機動、靜渦分析

10.1渦旋壓縮機概述

10.2渦旋壓縮機工作原理

10.3動、靜盤模型前期處理及其模型分析

10.3.1實體建模

10.3.2材料屬性

10.3.3

10.3.4定義分析步

10.3.5邊界條件及載荷

10.3.6提交分析作業

10.4動、靜分析

10.4.1熱應力作用下的強度和變形結果分析

10.4.2氣體壓力作用下的強度和變形結果分析

10.4.3溫度場和氣體壓力耦合作用下的應力與變形分析

10.4.4模型優化後的應力與變形分析

10.5總結與展望

第11章虛擬現實技術在自動變速器3D仿真的應用

11.1虛擬現實概述

11.2繫統開發工具簡介及其作用

11.2.1三維模型建模平臺CATIA

11.2.2模型的格式轉換平臺3DVIA Composer

11.2.3三維模型的渲染以及分坐標平臺3D Max

11.2.4虛擬交互平臺Virtools

11.2.5輔助工具Photoshop CS4

11.3模型從CATIA到Virtools之間的關鍵技術

11.3.1格式問題

11.3.2模型的渲染

11.3.3分坐標

11.3.4模型導入Virtools的初步設置和對像建立

11.4虛擬裝配平臺開發

11.4.1虛擬交換環境

11.4.22D幀的設置

11.4.32D幀的BB設計

11.4.4動作BB的設置

11.4.5整體界面

11.5總結與展望

11.5.1操作BB的技巧

11.5.2模型以及界面的分組

11.5.3IC的設置

11.5.4命名技巧

11.5.5展望

第12章面部踫撞對行人頭部生物力學模型損傷影響

12.1研究背景及意義

12.2頭頸模型

12.3面部踫撞對頭部生物力學模型損傷影響

12.3.1應力波傳播路徑

12.3.2顱內生物力學參數

12.4討論

12.5總結與展望

第13章基於3D打印制造的汽車踏板設計優化

13.1基於3D打印制造踏板的設計背景及功用

13.2Altair Inspire軟件簡介

13.2.1Altair Inspire產品的特點

13.2.2Altair Inspire各功能模塊及優化流程

13.3踏板結構拓撲優化詳細過程

13.3.1踏板模型導入與優化空間指定

13.3.2拓撲優化工況設定

13.3.3拓撲優化設置並計算

13.3.4優化結果驗證確認設計可靠性

13.3.5利用PolyNURBS擬合優化結果建模

13.3.6利用仿真分析驗證終設計的可靠性

參考文獻

前言

FOREWORD

當代汽車工業已成為國民經濟的支柱產業，其發展水平反映了國家工業技術的綜合實力，而是否具有獨立自主的產品設計開發能力，則關繫到民族汽車工業的生死存亡。現階段，作為先進設計技術的代表，CAD/CAE技術已成為汽車企業產品設計開發的有效手段，以CAD/CAE為核心的技術體繫成為企業核心技術的有效載體。目前，我國汽車產銷量均躍居世界，隨著行業總量的不斷提升和市場競爭的白熱化，加上知識產權問題的壓力，產品自主設計開發能力的培養和提升已成為汽車企業生存與發展的關鍵問題，而CAD/CAE技術的推廣應用正是解決這一問題的銳利武器。
現階段，CAD/CAE技術的推廣應用已受到國內汽車行業的高度重視，相關企業迫切需要掌握CAD/CAE技術的高素質人纔，而國內高校汽車專業針對這方面的人纔培養工作明顯滯後於企業需求。其中，缺乏針對性的教材成為亟待解決的問題。為了適應培養高素質應用型工程技術人纔的需要，作者拋棄了現有市面有關汽車(機械)CAD或CAE書籍主要介紹一兩種軟件具體操作的弊端，將重點放在汽車零部件CAD/CAE的具體操作和學習上。作者結合了多年來在汽車CAD/CAE技術教學、科研和工程培訓實踐中的經驗，在編寫過程中形成如下的鮮明特點：
1. 強調繫統集成應用的觀念，注重現代設計方法與技術手段的結合。
汽車CAD/CAE技術正經歷著由技術向繫統集成的重要轉變，CAD/CAE作為建模和分析的工具是建立在科學和繫統的技術與設計方法的基礎之上的。針對車輛工程設計的特點，本書有選擇地介紹了現代設計方法的常用技術，並且融入設計案例之中，讀者在掌握應用工具軟件的同時，可以學習CAD建模技術、動態設計分析、繫統動力學等設計思想，培養現代設計思維。
2. 加強與相關課程和教材的銜接，注重專業知識與CAD/CAE技術的結合。
為了加強與“工程制圖”“汽車設計”“汽車理論”“汽車構造”等課程及其教材的銜接，本書從三維設計分析軟件的教學入手，利用三維設計功能完成汽車繫統及其零部件的結構設計、分析仿真及結構優化。
3. 理論聯繫實際，提高解決問題的能力。
本書理論聯繫實際，結合設計對像，把CAD建模與繫統分析和仿真結合起來，通過案例給出解決問題的具體思路、應用技術和方法，注重提高解決實際問題的能力。從工程應用的角度出發，帶領讀者學習相關的技能和應用方法。

針對國內汽車CAD/CAE技術日益增長的需求，本書作者在長期從事CAD/CAE領域教學和科研的基礎上，參閱了國內外數十種同類書籍和有關文獻資料，同時緊密結合現代設計和工程應用現狀，以三維實體建模、運動學和動力學仿真分析為主線，介紹了現代設計理論與方法。以具有代表性的CAD軟件CATIA/UG NX軟件ANSYS/NASTRAN、機械繫統動力學仿真軟件ADAMS/RecurDyn為對像，對汽車CAD/CAE的建模理論、方法、求解及典型工程應用等進行了由淺入深的講解，力求做到汽車基礎知識和方法介紹兩者兼顧。全書結合實例編寫，方便讀者學習，並做到舉一反三，觸類旁通。本書可作為高校本科生教材，也可作為研究生和工程技術人員的參考書，教學時數為40學時。為適應各類不同院校、不同專業的教學需要，教師可根據各校具體情況選擇其中的部分章節，仍能保持整個教材體繫結構的完整性。
在學習新技術時，邊學邊動手是更有效的方法，邊學邊做正是學習本教材的方法。為此，本教材非常強調實戰能力的提高，在每一章裡都有一個實例，帶領讀者去學習相關的技能和應用方法。讀者隻要在計算機上照著做一遍，就可以基本了解汽車CAD/CAE的功能及其方法。另外，由於汽車CAD/CAE技術發展迅猛，軟件繫統版本更新周期很短，讀者在使用本教材時，建議注重汽車零部件建模和分析思維的訓練。本書示例所用的模型文件，讀者可通過清華大學出版社網站下載，也可通過Email向作者索取。書中示例中打開的文件如無特別說明，即為下載文件中的同名文件。
本書由南京工程學院羊玢和湖南大學鄂加強任主編，南京理工大學紫金學院楊敏、南京工程學任副主編，湖南大學曹立波教授擔任主審。南京工程學和臧立國、長沙理工大學吳剛、南京理工大學紫金學院謝繼鵬、Altair大中國區徐成斌和王琮翔參編，全書由羊玢統稿。
本書在編寫過程中參閱了國內外有關的書籍和資料，並得到了南京工程學院車輛工程繫、Altair大中國區總部李征的大力支持，王群、苗中良、張清、周健、張維民、鄭慶乾等同學也付出了不少努力，在此一並表示感謝。
由於作者水平有限，編寫時間倉促，雖經反復琢磨，書中錯誤和不足之處在所難免，敬請專家和廣大讀者不吝指正，也歡迎讀者來信共同探討。聯繫方式： yangb123@126.com。
編者
2019年2月

第1章緒論
1.1汽車CAD/CAE技術概述
1.1.1汽車CAD／CAE概念

在汽車產品開發過程中，設計人員迫切需要一種能對所作的設計進行正確評價和精確分析的工具，而不再僅僅依靠以往積累的經驗和知識去估計。鋻於這種目的，人們希望將工程領域裡廣泛應用分析方法與計算機輔助設計技術集成，共同實現“設計—評價—再設計”任務的自動化，以提高設計的精確程度和效率。
汽車CAD/CAE(Computer Aided Design/Computer Aided Engineering)技術就是通過計算機及圖形輸入/輸出設備進行汽車產品的交互設計，並建立產品的數字模型，然後在統一的產品數字模型下進行結構的計算分析、性能仿真、優化設計、自動繪圖。汽車CAD/CAE技術是用於支持汽車產品開發的計算機輔助設計、分析的理論、方法與工具等相關技術的總稱，包括現代設計理論與方法學(如並行設計、協同設計、虛擬設計、大規模定制設計、分形設計等)，以及與設計工具相關的技術(如產品數字化定義及建模技術、基於PDM的產品數據管理與過程管理技術、集成的CAx和DFx工具、智能技術等)，能使設計工作實現信息化、集成化、網絡化和智能化，達到產品設計質量高、成本低和周期短的目標。
以汽車CAD/CAE為基礎，還可以將產品的數字模型高效及時地傳送並應用到整個汽車企業產品價值鏈所涉及的各個重要環節，包括工藝規劃、工裝設計、生產、加工、質量控制、編制技術文檔、供應、銷售和服務，實現人、財、物、產、供、銷信息的集成管理、科學決策。它從根本上改變了從設計到產品生產整個過程的傳統工作方式和管理方法，使設計和制造領域發生了深刻的變革。
隨著中國加入WTO，汽車制造業企業不得不參與國際市場競爭，傳統的產品開發方式已不再適應企業對產品的時間、質量、成本的要求，特別是基於二維CAD的設計過程，隻能處理二維圖形信息，無法直觀地得到三維實體產品模型，進行產品的裝配分析、工程分析、物理特性計算等。而汽車CAD/CAE設計分析平臺，以建立全參數化三維實體模型為基礎，再分析等方法進行關鍵零部件的強度、穩定性以及整車或零部件的運動性能和動力性能的仿真分析，為汽車企業建立起一套產品開發體繫。它支持“自頂向下”和“自底向上”等設計方法，使設計更加符合實際設計過程，比使用二維CAD設計的質量高，設計原型錯誤減少80%，重復設計減少50%，了時間和資金，可以大批量生產的速度生產定制產品，縮短產品開發周期，便於企業增進全球性合作。因此，汽車CAD/CAE是一種嶄新的設計模式，汽車制造企業應從設計和管理兩方面分析考慮，通過產品設計手段與設計過程的數字化和智能化，縮短產品開發周期，促進產品設計的數字化，提高企業的產品創新能力。
汽車CAD/CAE應包括如下幾方面的內容：
(1) 建立汽車產品所有零部件及各繫統總成和整車的三維CAD模型，並使三維模型參數化，適合於變形設計和部件模塊化設計；
(2) 與三維CAD模型相關聯的二維工程圖；
(3) 零部件和整車的三維CAD模型能適合運動分析、動力分析和優化設計；
(4) 汽車CAD/CAE的過程就是基於三維CAD的產品開發體繫建立的過程，要形成基於三維CAD的PDM(Product Data Management，產品數據管理)結構體繫；
(5) 從汽車CAD/CAE過程中摸索出定制產品的開發模式及所遵循的規律；
(6) 為了驗證和修正CAD/CAE模型，需要與整車和零部件的檢測與試驗相結合。
1.1.2汽車CAD/CAE集成的關鍵技術
在CAD/CAE技術的集成中，目前存在的主要困難是：
(1) 如何實現從幾何模型到CAE分析模型的自動轉換；
(2) 如何從CAE分析的結果出發提出評價和修改設計。
產分析模型需要把CAD建立的幾何模型經過簡化，並進行網格劃分、載荷、約束和材料的定義。而這種模型抽像化的過程常常要依賴於有經驗的分析人員，而且需要花費大量的時間和精力。雖然各分析軟件的後處理器憑借優異的圖形功能，能以等高線、矢量、陰影、動畫、多模型、多窗口、圖表、表格等方式表現解析結果，但都不具備分析結果進行解釋和評價的功能。同時，對設計的修改也要由設計者經過分析和判斷後自行給出方案，而沒有利用計算機強大的計算和推理功能對設計的修改進行優化指導。因此，有必要應用人工智能技術，結合先前積累的知識和經驗，建立一個包分析模型的建立、分析和解釋的專家繫統，並加入到CAD分析集成繫統中，在“機器專家”的指導下，自動完分析模型的建立、分析和解釋，並可自動評計算結果及修改設計，進一步豐富和完善前後處理功能，使其與設計者共同完成設計的優化。
機械繫統自動動力學分析軟件(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS)、動力學分析和設計繫統軟件(Dynamic Analysis and Design System，DADS)等，它們集成了多體繫統仿真的基本步驟、動力學理論成果、參數化的建模工具，可以提供靜力學、運動學和動力學分析的求解器、功能強大的後處理模塊和可視化界面等，極大地提高了機械繫統仿真的效率。然而，由於這些軟件的重點是在力學分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是一些復雜汽車繫統零部件的三維建模很難實現，所以很有必要利用CAD軟件建模來解決這個問題，同時需要合適的接口程序來完成。
特征造型是幾何造型技術的延伸，它是從工程的角度，對形體各個組成部分的形狀、尺寸及其結構、材料和精度等特征進行定義，使所描述的形體信息具有工程意義。特征模型既包含低層幾何信息，又能為下遊的分析、加工提供高層語義信息。因此，實現特征建模是實現CAD與CAE集成的關鍵。CAD/CAE技術集成繫統的結構如圖1.1所示。


圖1.1CAD/CAE技術集成繫統的結構圖


1. 特征造型
設計者通過調用特征庫裡的特征(必要時自定義特征)進行產品特征建模。在特征造型過程中，設計者要全面周到地考慮設計對像，盡可能地將以後各種應用(如分析、加工等)所要用到的特征信息考慮進來。

2.分析建模
從特征的觀點看分析建模就是將設計特征轉換分析特征； 從集成的觀點看分析建模就分析的前處理部分。在建模過程中，專家繫統訪問建模知識庫，利用其中存儲的規則進行判斷推理； 訪問基於特征的產品數據庫，利用其中的數據信息進行逐步計算，終形成分析模型。
3.分析
目前求解算法已經比較完善和成熟，工程化的分析軟件也不少，可直接應用。
4. 分析結果解釋和評價
在解釋和評價知識庫的指導下，對分析結果進行解釋，對本次設計進行評價。該模塊決定是否對本次設計進行修改。如果不修改設計，則繫統將各種數據存入產品數據庫，並將任務交給其他繫統； 如果需要修改設計，則任務轉入修改設計模塊。
5. 指導再設計
根據優化知識庫中的規則做出判斷，對產品數據庫中的特征信息進行修改，同時對於多種修改方案進行優化選擇。
從汽車CAD/CAE總體架構來看，CAD/CAE集成繫統有兩方面工作要做： ①基於特征前處理； ②基於特征後處理。繫統存在三個知識庫和一個基於特征的產品數據庫。建模知識庫與前處理相聯繫，解釋評價知識庫和優化設計知識庫與後處理發生作用。通過規則，這三個知識庫分別對前處理、後處理進行驅動。基於特征的產品數據庫與集成繫統的整個過程相聯繫，為各個模塊提供所需的各種信息。在知識庫和產品數據庫的支持下，作為後臺核心的專家繫統控制整個過程的運行，與設計者共同完成“設計—分析—再設計”任務。
1.1.3汽車CAD/CAE技術的應用
近年來，由於市場競爭日益激烈，提高汽車產品及相關過程的質量，降低產品成本和縮短產品開發周期就成為汽車企業生存和發展的關鍵，因此研究先進的設計方法和理論具有極其重要的意義。CAD/CAE集成技術引起了學術界和企業界的廣泛關注，成為研究的熱點之一，它對產品設計影響深遠，機械行業典型的例子有：
(1) 波音777整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發周期從過去的8年時間縮短到5年。
(2) 歐洲“空中客車”飛機采用CAD/CAE集成技術，改變傳統產品研制及開發方法，把“空中客車”的試制周期從4年縮短為2.5年，不僅提前投放市場，而且顯著降低了研制費用及生產成本，大大增強了全球競爭能力。
(3) 作為制造業的中堅，汽車工業一直是CAD/CAE繫統應用的先鋒。CAD技術的應用，有效地推動了汽車制造業的前進，汽車業的需求也極大地帶動了CAD技術的發展。
(4) 福特汽車公司通過設施C3P(CAD/CAM/CAE/PDM)，用一個PDM把CAD、CAE和CAM集成起來，融彙到一個遍布全球的公用數據繫統之中。一個新車型的開發周期從過去的36個月縮短到18個月乃至12個月，新車開發的後期設計修改減少50%，原型車制造和測試成本減少50%，投資收益提高30%。
(5) 我國的汽車模具制造業20年前是以傳統的手工設計、有經驗的鉗工師傅為主導的技藝型生產方式為主，模具工業年產值隻有約，模具進出口總額隻有約260，進出口之比是18∶1。而如今，通過CAD/CAE/CAM技術的應用，我國汽車模具制造業已進入現代模具工業生產的時代，數字化、信息化、CAD/CAM/CAE技術和數控加工機床已普遍采用，成為技術密集型和資金密集型的高技術產業。模具制造水平有了很大的提高，生產的模具精度已達到微米級，模具壽命提高了幾十倍，模具生產周期縮短了約3/4，模具標準件的使用覆蓋率幾乎是從零發展到現在的45%左右，模具工業年產值現在已達到4以上，進出口總額達到1，進出口之比達到4∶l。