汽车设计开发技术的发展过程.doc

绪 论

0.1 汽车设计开发技术的发展过程

国际上汽车产品设计可以大致分为四个阶段:
第一阶段是1959年前-原始设计与经验设计结合的阶段, 一般认为是原始的经验设计和传统的人工设计方法;
第二阶段是1960~1979- 经验设计与试验试错(TRAIL-ERROR)相结合的设计阶段, 经验设计与设计计算, 以图板手工为主少量计算机二维设计结合的试验试错设计阶段;
第三阶段是1980~1989-先进设计与试验试错相结合的设计阶段, 本阶段是经验设计与分析优化紧密结合, 全部采用了二维计算机设计阶段, 设计水平明显提高, 设计速度和质量有了明显的提高,很多计算和仿真开始采用机算机, 部分的代替了试验试错(TRIAL & ERROR)的模式, 但不同程度的以试验试错为设计依靠;
第四阶段1990~至今-先进的设计阶段, 采用三维设计分析优化与仿真一体化技术,充分利用人类积累100多年的知识和经验实现了高速度高质量低成本的产品开发, 在不断摆脱试验试错的模式, 越来越多的试验只用于最终确认和检验. 尤其1995年后汽车开发的全部都采用了三维参数化全相关实体建模技术和CAD/CAE/CAM一体化技术.
1995年后国际上最先进的汽车设计开发技术与方法, 随着汽车工业和现代科技的发展，汽车行业的竞争十分激烈，能否以最短的周期，最少的开发费用，最好的质量和性能开发出新产品或车型关系到汽车企业的生存和发展。在90年代出现了汽车工业的大购并，并提出了车型平台化的概念，平台化是设计开发技术要实现快速反应和低成本开发的必然选择。在80年代前汽车开发技术是建立在“试错”型的开发基础和试验基础上，而在90年代实现了以计算机仿真与分析技术为主体的快速开发技术的革命。它正以难以预计的速度实现向以信息和知识工程技术为基础的虚拟设计方向发展。

0.2技术创新与先进的产品开发技术的国际动态

美国早在80年代末就提出了以计算机与信息技术实现产品的快速高水平开发, 90年后尤其95年后100%采用三维CAD/CAE/CAM一体化技术, 仿真技术等数字化技术, 1999年ford和GM宣布实现全新车型开发周期为22个月和24个月,最终目标是12—18个月. 经济学家认为假如开发周期12个月可获得100%市场, 那么开发周期24个月时只能有70%市场, 如果开发周期36个月,只能剩下35%市场, 如果开发周期48个月, 那么几乎只有0%市场, 因此产品开发速度十分重要. 为了实现高速度开发, 2000年, 美国 三大集团签订了共用零部件协议, GM 提出在INTERNET环境采购零部件计划, 美国提出了产品协同开发与协同商务的概念(Collaborative Product Development and Commerce ), 德国大众提出了平台化技术, ford公司提出了零部件矩阵的概念, 其目的是实现零部件系列化,低成本和高质量的开发. GM ，VW，和TOYOTA 三大集团协议共建部分标准零部件数据库,等等。这些变化促进的先进设计技术的发展与应用, 同时也是由于先进的设计技术使如上变化成为可能或促进了如上变化. 对于复杂的汽车结构与设计如果采用80年代以前的技术方法简直就是不可能, 用两维设计而不用三维设计就象拿刀伐木而不用锯子伐木一样.
人类科技为我们更快更好更省钱的开发汽车提供了可能.

0.3 国际最先进的产品设计开发技术

0.3.1 汽车优化设计方法

必要性：
若一个设计对象，例如减振器，它需要优化
的设计参数达50多个，它们之间又相互关联。若每个参数变化10次，那总共要进行 次试验才可找出最优的减振器，需要数万年才能完成. 因此优化设计方法就显得的十分必要。
优化设计的步骤与方法：
1). 设计对象及相关性能与
设计参数建模；
2). 建立优化目标函数J=f(x)和约束条件；
3). 选择优化算法：梯度法、牛顿法、变尺度法、
单纯形法、随机方向搜索法、惩罚函数法、
拉格朗日法等；
4). 编制优化程序，建议用C++编程；
5). 试算并用仿真方法或试验法来验证.

0.3.2 汽车载荷谱与动态设计方法
载荷谱：
根据试验进行数理统计或用试验经验统计分析
确定的规律性载荷水平与频率的关系和载荷谱。

如图0.3.2 中, A --- 静态工作载荷，静态设 计区；

B --- 低循环高幅值工作载荷；
C --- 有限寿命设计区；

D --- 无限寿命设计区；
E --- 工作强度设计区；
10
103
载荷级别
作用频率
0
102
104

图0.3.1 载荷谱

最大应力
循环次数（寿命）
A
B
C
D
E
应力与疲劳寿命曲线

图0.3.2 疲劳寿命曲线

0.3.3 汽车可靠性设计
可靠度（Reliable）：产品在规定的条件和时间下，
完成规定功能的概率，称为可靠度。常用R(t)来表示。

用可靠度等描述的产品设计性能成为可靠性。

可靠性设计是指运用可靠性理论和分析方法，明确汽车系统可靠性指标，进行汽车系统设计的一种方法。
可靠性设计可从两个方面来进行，一方面是实际生产
质量检测，然后用统计分析来计算。另
一方面是通过可靠性模型来计算可靠性，并结
合设计要求来优化设计参数，最后确定产品设
计。后者真正具有先手和超前性，可实现快速
设计开发。

0.3.4 汽车结构动力学与模态分析设计方法
采用有限元方法，利用汽车的动力学关系和结构动力学特性、模态特性对汽车系统及零部件进行设计的方法

主要应用：
车身设计、悬架设计、车架及梁的设计、变速器壳体设计
及扭转振动设计、离合器壳体设计、
其它结构件设计。

0.3.5 汽车系统建模与仿真设计方法
建立与汽车设计对象、设计参数与使用性能有关的数学模型，然后编制针对性能的仿真算法和程序，进行仿真分析，以求得到最好性能的设计参数，这种设计称为仿真设计。

仿真设计主要应用于：
1）. 整车匹配和总体设计；
2）. 变速器、悬架、减振器等部件结构设计；
3）. 发动机各部件总成设计；

0.3.6 汽车相似理论与模化技术设计方法
采用相似理论对设计对象进行缩比研究，并对缩比后的影响进行补偿和分析，最终以模型设计或试验研究代替整车1:1试验。以实现省钱、省力、快速的目的。

主要应用：
1）. 车身设计；
2）. 主要零部件设计；
3）. 大型试验系统设计.

0.3.7 基于知识和经验的设计开发方法与知识驱动的设计自动化方法
对人类已有设计知识的总结、学习、推论和应用于设计是知识工程与专家系统设计方法的核心。

主要研究内容：
1）. 数据库与知识库；
2）. 学习机与知识获取；
3）. 推理机与知识应用；
4）. 神经网络算法；
5）. 应用模式；

主要应用：可应用于任何设计系统中
.
0.3.8 汽车三维参数化智能CAD/CAE/CAM及一体化设计方法
智能是指CAD/CAE/CAM技术在功能上具有很多智能化的内容和功能，比如：软件中有一些经验方法和默认值等。另外CAD/CAE/CAM一体化,知识和经验的应用也体现了智能化。

主要软件：UGS公司的UGII,CATIA,PROE 等，它们都是基于参数化、三维实体特征建模、全相关的CAD软件，基本都是90年代开始成熟起来的软件技术。可应用于任何设计。

0.3.9 汽车设计平台化与模块化设计方法
汽车平台化设计就是实现在几个大的平台基础上，实现产品的快速开发和系列化变型的设计方法。这与模块化设计有相类似之处，每一个总成的设计需要选用相关的总成或零部件，这些小总成或零部件都是模块化选用或模块化设计。全球采购是发展趋势.

图0.3.3 模块图
0.3.10 三次设计方法
三次开发是指产品的系统设计、参数设计及容差设计。

系统设计：也称一次设计，它是运用汽车的专业知识，进行产品的功能和结构设计。这种设计能基本确定产品规划所定目标的具体结构和基本参数、尺寸。

参数设计：也称第二次设计，它是在系统设计的基础上，对系统中各相关的参数建立函数关系式，来确定系统各参数的最优水平，或优化具体设计参数。以保证产品性能的稳定性。
容差设计：也称第三次设计，在系统参数设计
中的值确定后，合理地确定对产品性能指标影
响大的各项参数的允许波动范围。所谓容差，
即方差的一半。

0.3.11 虚拟现实与虚拟设计
采用声、光、电和CAD三维实体建模、虚拟现实环境等技术，实现产品开发设计的方法，称为虚拟设计。

优点：可以利用虚拟现实环境，实现产品工作性能和外观的检查和评估，减少开发周期，提高开发质量。

组成：（主要应用于车身开发及零部件开发）

图0.3.4 虚拟设计框图

0.4 我们的对策

1)、树立创新意识
学习不等于照抄--专利回避，创造是学习加创新。

2)、知道创造是无极限的,
任何产品要实现其功能的方法为几十种, 甚至上百种，而每 种方案可变设计参数几十个上百个，这种组合的可能性是无限的。因此创造是无极限的.

3)、多实践来增加 Know How & Idea，在开发中实现开发能力。

4)、必需采用先进的开发设计技术，计算机仿真及信息技术，实现低成本开发，高质量开发和高速度开发。因为我们没有足够的钱，购买大量的设备，以“试错”方式开发产品。而且是淘汰的技术。中国有好的数学和力学基础，人才众多，而且人工费用是美国的十分之一到三十分之一。这是我们的竞争力。最重要的是我们要有足够的信心和投资。多一些骨气和民族志气。从三维设计技术角度看, 我国并不落后,全世界都是从1995年开始, 而且中国人才数量和质量是世界领先的. 全世界都在从中国引进人才. 关键是民族信心和骨气, 还有体制, 必须采用全球最先进的汽车设计公司模式来实现中国汽车设计自主的梦想.

汽车设计公司与汽车产品开发, 美国和德国等国家都有数百家大小设计公司，全球最大的设计公司-MSX约有17000多人, 20亿美元的年营业额。全球设计公司占全球汽车整车，车身和零部件开发设计工作量的50%~60% ,德国大于60% 。在开发人才方面占汽车开发设计人才的50%左右。设计公司掌握专门的产品设计技术。已成为汽车整车和零部件厂必不可少的开发力量。从发展趋势来看, 越来越多的新产品设计任务由汽车设计公司承担。产品设计和技术创新专业化. 汽车公司主要管核心技术, 生产和市场。设计公司有很多优势: 1)由于设计公司从整车厂退休的高级专家请到公司, 因此know how比汽车厂好; 2)又由于设计公司给很多汽车公司设计产品,因此掌握不同汽车公司的设计标准和技术, 具有汽车公司无法具有的技术交叉和杂交优势. 因此整车厂必须依赖设计公司. 3) 设计公司不要知识产权和名声, 而且可以派人到汽车企业去, 这也是设计公司的优势所在. 4) 设计公司机制很好效率也高于汽车厂. 美国和德国等很多汽车集团每家都有10000多设计开发技术人员, 但还有50%以上的车型设计工作量请设计公司完成. 因此设计公司是汽车公司提高开发能力的必然选择. 可以减少设备的重复投入, 关键是汽车大公司人多后,管理机制不好, 效率低下, 我国更应如此.
本书从我国的实际国情出发, 将系统的讨论中国怎么实现产品的高速度,低成本和高水平的产品开发方法, 并将本作者和课题组多年在汽车设计开发中的经验与国际上大的汽车公司, 汽车设计公司的开发技术和方法结合起来, 加以归纳整理. 目的是为中华民族的汽车制造业的伟大振兴而贡献一些力量.