近年來,世界汽車制造業(yè)市場競爭日趨激烈,為迅速適應(yīng)市場變化的需求,國外汽車廠家將現(xiàn)代信息技術(shù)和先進設(shè)計方法應(yīng)用于新車型研發(fā)中,以求縮短研制周期﹑提高質(zhì)量和降低成本。隨著計算機在設(shè)計中的應(yīng)用發(fā)展，以計算機技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)為支撐的虛擬裝配技術(shù)也在汽車產(chǎn)品的研發(fā)中得到應(yīng)用。

　　1虛擬裝配技術(shù)

　　1.1概述

　　虛擬裝配(virtual assembly VA)是產(chǎn)品(汽車)數(shù)字化工程中一個極其重要的環(huán)節(jié),在虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域和過程仿真技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究。到底什么是"虛擬裝配"?至今仍然是學(xué)術(shù)界討論的熱門問題之一,其內(nèi)涵目前仍沒有統(tǒng)一的定義,許多學(xué)者從不同的角度進行了探索,并給出相應(yīng)的定義,比較有代表性的有兩個:(1)虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進行重新定位的過程,是有效分析產(chǎn)品設(shè)計合理性的一種手段。該定義強調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進行定位﹑分析過程;(2)虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。該定義著眼于產(chǎn)品物理裝配過程的仿真過程,體現(xiàn)的思想也是一種分析過程。

　　很明顯,它們強調(diào)的方面是不同的,但是作為一項新概念和新技術(shù),它的提出與實施,必須與具體行業(yè)的設(shè)計特性相結(jié)合才具有實際的操作意義,才能具有真正的應(yīng)用內(nèi)涵。因此,結(jié)合汽車研發(fā)的特點,給出如下的定義:虛擬裝配是實際裝配過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn),即在計算機上完成產(chǎn)品(汽車)零部件的裝配建模,進行計算機裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計過程,并通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management)實現(xiàn)汽車三維研發(fā)過程與汽車零部件制造、裝配過程的高度統(tǒng)一。它和CAD技術(shù)相結(jié)合,可以解決設(shè)計與裝配對象在研發(fā)過程中難以實現(xiàn)的動態(tài)性能。

　　虛擬裝配雖然被定義為一種技術(shù),實際上是許多相關(guān)技術(shù)的綜合和利用,例如可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、決策理論、裝配和制造過程的研究等等。它在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮下面3個問題:(1)虛擬裝配技術(shù)如何使工程設(shè)計、加工、裝配、維護等得到關(guān)于裝配問題的綜合觀察;(2)虛擬裝配系統(tǒng)如何幫助工程研發(fā)人員做出正確決策;(3)如何實現(xiàn)虛擬裝配和工程設(shè)計支撐系統(tǒng)及制造系統(tǒng)間的信息準確傳遞。

　　1.2虛擬裝配基本思想

　　在汽車研發(fā)中,按照與實際裝配各個階段的關(guān)系,可將虛擬裝配技術(shù)分成三類,即以設(shè)計為中心的虛擬裝配,以過程控制為中心的虛擬裝配和以仿真為中心的虛擬裝配。

　　1.2.1以設(shè)計為中心的虛擬裝配(design centered virtual assembly)是指將產(chǎn)品(汽車)的三維數(shù)字化定義應(yīng)用于產(chǎn)品(汽車)研發(fā)過程中,結(jié)合產(chǎn)品(汽車)研發(fā)的具體情況,突出以設(shè)計為核心的應(yīng)用思想。

　　1)面向裝配設(shè)計(design for assemble,DFA)在設(shè)計初期把產(chǎn)品(汽車)設(shè)計過程與制造裝配過程有機結(jié)合,從設(shè)計的角度來保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計思想,使設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu),能高效地進行實際裝配,能在產(chǎn)品研發(fā)的初期使設(shè)計部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。

　　2)自頂向下(Top-Down)的并行產(chǎn)品設(shè)計(concurrent product design,CPD)。分布在不同地點,不同部門的多個產(chǎn)品開發(fā)組(integrated product team,IPT)以產(chǎn)品(汽車)為核心的設(shè)計思想,從不同角度、不同需求出發(fā)進行協(xié)同地并行設(shè)計,從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計直至消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響,把一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾盡可能地及早發(fā)現(xiàn),通過自頂向下的并行產(chǎn)品設(shè)計分層次地建立統(tǒng)一的產(chǎn)品動態(tài)虛擬樣機。

　　3)與主模型(master model)相關(guān)的可制造性設(shè)計和可裝配性設(shè)計。產(chǎn)品(汽車)研發(fā)不同階段的主模型提供了一個面向設(shè)計群體的虛擬裝配設(shè)計環(huán)境,使得每個設(shè)計產(chǎn)品能有效地控制在可裝配的范圍之內(nèi),以不同階段的主模型為核心,可以保證產(chǎn)品研發(fā)不同階段裝配模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性和一致性,保證參與產(chǎn)品(汽車)研發(fā)的各個部門可以協(xié)同工作,實現(xiàn)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的高度集成,有效地提高產(chǎn)品(汽車)可制造性和可裝配性。

　　1.2.2以過程控制為中心的虛擬裝配(process centered virtual assembly)主要包含以下兩方面內(nèi)容:實現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制;(2)過程控制管理。

　　1.2.3以仿真為中心的虛擬裝配(simulate centered virtual assembly)是在產(chǎn)品(汽車)裝配模型中溶入仿真技術(shù),并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要是用來評價產(chǎn)品可裝配性。

　　1.3虛擬裝配設(shè)計流程

　　在汽車部件級產(chǎn)品研發(fā)中,如在液力變矩器研發(fā)過程中,根據(jù)液力變矩器這一特殊產(chǎn)品自身的特點,可以將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于其研發(fā)的過程劃分為3個階段(總體設(shè)計階段、基礎(chǔ)設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段),通過對3個設(shè)計階段的控制,實現(xiàn)對液力變矩器研發(fā)進程的控制。虛擬裝配技術(shù)設(shè)計流程如圖1。

　　圖1 虛擬裝配技術(shù)設(shè)計流程

　　1)總體設(shè)計階段。為產(chǎn)品(液力變矩器)研發(fā)的初期階段,完成初步的總體布局,主要包括:建立產(chǎn)品(液力變矩器)主模型空間;進行產(chǎn)品(液力變矩器)初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。

　　2)基礎(chǔ)設(shè)計階段。為產(chǎn)品(液力變矩器)研發(fā)的主要階段,基本完成產(chǎn)品(液力變矩器)的零部件裝配建模設(shè)計,主要包括:產(chǎn)品(液力變矩器)零部件模型空間分配(虛擬裝配區(qū)域、虛擬裝配層次的劃分);具體零部件模型定義,包括建立三維實體模型和裝配約束;進行靜態(tài)干涉檢驗,保證產(chǎn)品(液力變矩器)零部件三維模型干涉自由。

　　3)詳細設(shè)計階段。為產(chǎn)品(液力變矩器)研發(fā)的完善階段,完成產(chǎn)品(液力變矩器)裝配建模的最終設(shè)計。主要包括:完成產(chǎn)品(液力變矩器)裝配建模的最終設(shè)計;進行產(chǎn)品(液力變矩器)零部件三維模型的最終虛擬裝配;進行動態(tài)干涉檢驗,保證產(chǎn)品(液力變矩器)零部件三維模型無干涉。

　　2工程應(yīng)用研究

　　2.1硬、軟件環(huán)境

　　硬件:IBM M Pro圖形工作站。

　　軟件:CATIA V5R10 SP4及其支持環(huán)境。

　　2.2某型轎車液力變矩器虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

　　1)建立主模型

　　在虛擬技術(shù)裝配技術(shù)應(yīng)用于整個產(chǎn)品(液力變矩器)研發(fā)的全過程中,主模型可以保證產(chǎn)品(液力變矩器)零部件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致,實現(xiàn)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的高度集成,為協(xié)同設(shè)計和并行工程打下良好的基礎(chǔ),這也是實現(xiàn)自頂向下設(shè)計的前提條件。

　　2)裝配層次劃分

　　液力變矩器是由具有層次關(guān)系的零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。體現(xiàn)在虛擬裝配中,一個裝配體(assembly)可以分解散為若干個零件(part)和子裝配體(subassembly),一個子裝配體又可以分解為若干個更下一層的零件和子裝配體。這個過程實際就是一個自上而下的設(shè)計過程。在液力變矩器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中,通過分級式多叉樹狀結(jié)構(gòu)來描述,即按零部件間設(shè)計的邏輯依附關(guān)系來確定各模型間的父子關(guān)系,從而實現(xiàn)裝配設(shè)計層次的劃分,見圖2。

　　圖2 液力變矩器裝配結(jié)構(gòu)樹

　　3)立裝配約束

　　裝配約束管理包含對液力變矩器設(shè)計中幾何模型間的關(guān)系進行控制和管理,這一機制徹底克服了自由建模的無約束狀態(tài),能確保設(shè)計的模型具有設(shè)計師所定義的約束的關(guān)系,如平行、共軸或共面等。通過約束管理,可使液力變矩器設(shè)計或改進、改型設(shè)計等重復(fù)過程中零部件模型特定的裝配關(guān)系得以保存,而與對模型所進行的修改無關(guān)。圖3為建立裝配約束后的液力變矩器沿軸向的爆破圖。

　　圖3 液力變矩器裝配爆破圖

　　4)干涉分析

　　裝配設(shè)計完成后,需要進行靜態(tài)干涉檢驗和動態(tài)干涉檢驗。靜態(tài)干涉檢驗是對產(chǎn)品(液力變矩器)零部件設(shè)計進行評估,在確定裝配結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計后,進行零件細化設(shè)計,在裝配過程中靜態(tài)檢驗零部件之間的干涉、間隙等,并根據(jù)檢驗結(jié)果對零部件進行設(shè)計修改,從而得到正確的設(shè)計;動態(tài)干涉檢驗是對產(chǎn)品(液力變矩器)可裝配性進行評估,在產(chǎn)品裝配過程中,根據(jù)零部件的裝配路徑、裝配關(guān)系和約束條件,進行裝配姿態(tài)調(diào)整、修改,直到得到正確的設(shè)計。

　　3結(jié)束語

　　通過在液力變矩器研發(fā)中應(yīng)用虛擬裝配技術(shù),為液力變矩器后續(xù)的機構(gòu)運動仿真及動力學(xué)分析、有限元建模及強度模態(tài)分析、內(nèi)流場模擬及液力傳動分析等計算機分析研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。可以預(yù)見,虛擬裝配技術(shù)將從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式,其目的是研究虛擬產(chǎn)品模型的建立和虛擬裝配環(huán)境的建立,并將其應(yīng)用于實際產(chǎn)品的研發(fā)中,對實際產(chǎn)品的性能和可裝配性等進行評價,從而達到全局最優(yōu),以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低成本,提高產(chǎn)品快速響應(yīng)市場變化的能力,獲得最大的經(jīng)濟效益。