汽車CAD技術的發展趨勢

　　汽車行業是CAD技術最先應用的領域之一，國外一些著名的汽車公司很早就自行開發CAD軟件。本文對汽車CAD技術的發展趨勢進行概述，分析CAD技術對汽車企業的重要性。

　　《汽車工業研究》(月刊)創刊于1986年，由中國第一汽車集團公司主辦。該刊主要報道國內外汽車工業發展戰略、政策法規、市場分析預測、經濟技術分析、產銷動態。本刊從創刊后在汽車行業久負盛名，以報道國內外汽車產業及其相關產業發展戰略內容為主。

　　1、 前言

　　1963年，麻省理工學院的研究小組在美國計算機聯合會會議上發表了關于計算機輔助設計的論文，開始了計算機輔助設計技術的發展歷程，時至今日，CAD技術已經歷了40多年的發展日趨成熟，

　　CAD技術從出現到現在大致經歷了三個歷史階段。

　　(一)二維繪圖階段，主要是在計算機上表達二維幾何圖素，并且圖素之間缺乏聯系，很難保持各階段設計的一致性。因此，此時的CAD僅僅是手工繪圖板的替代工具。另外，在硬件支持系統的價格昂貴，限制了CAD的應用。

　　(二)第二代CAD軟件在二維造型基礎上引入三維造型，但也只是極為簡單的線框模型。這種初期的線框造型系統只能表達基本的幾何信息，不具備表達幾何數據間拓撲關系的能力，實體拓撲信息以及形體表面信息的缺失使得CAM及CAE均無法實現。

　　(三)在三維造型階段，幾何造型技術經歷了三次技術革命。由于線框系統已經不能滿足人們的實際需求，法國的達索飛機制造公司的開發者們，在二維繪圖系統CADAM的基礎上，開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統CATIA。它的出現為人類帶來了第一次CAD技術革命。

　　實體造型技術能夠準確表達零件的大部分屬性(至少還不能表達零件的材料信息)，從CAD系統獲得的設計數據可以用于CAM、CAE等系統，給設計、分析、制造帶來了加大的便利。可以說，實體造型技術的普及和應用是CAD發展史上的第二次技術革命。

　　創建PTC公司(即參數技術公司)的技術精英們，開始研制名為Pro/E的參數化軟件，第一次實現了尺寸驅動零件設計修改。到了90年代，參數化技術開始逐步走向成熟，充分體現出其在許多通用件、零部件設計上簡便易行的優勢。可以認為，參數化技術的應用主導了CAD發展史上的第三次技術革命。

　　但是參數化技術并沒有完全解決所有問題。例如，全尺寸約束這一硬性規定就干擾和制約著設計者創造力及想象力的發揮，而變量化技術既保持了參數化技術的原有的優點，同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用，為CAD技術的發展提供了更大的空間和機遇，驅動了CAD發展的第四次技術革命。

　　總的說來，現如今的CAD系統采用了統一的數據結構和公用數據庫，采用實體造型技術、參數化技術和特征造型技術，給設計人員帶來了前所未有的便利。

　　2、 CAD技術對汽車企業的重要性

　　汽車行業是CAD技術最先應用的領域之一，國外一些著名的汽車公司很早就自行開發CAD軟件。到現在，CAD技術幾乎被所有汽車公司所采用，可以說CAD技術(包括計算機輔助制造、計算機輔助工程分析)的應用水平，已經成為評價一個國家汽車工業水平的重要指標。在我國，汽車企業一直都作為國家和地方的利稅大戶，同時也是CAD技術應用的先鋒。CAD技術在企業中的成功應用，不僅帶來了企業技術上的創新，同時帶動了企業經營、管理舊模式的變革。因此，它對我國傳統產業的改造、新技術的興起，以及汽車工業提高國際競爭力等方面，起到了巨大的推動作用。

　　傳統的汽車車身設計方法的整個過程是基于手工設計完成的，其特點是整個過程是通過實物、模型、圖紙、樣板等來傳遞信息。隨著計算機技術的發展，計算機逐步代替人腦承擔起復雜的計算和分析，同時引進CAD等現代設計方法，幫助工程師們拋掉傳統的手工方式，既方便設計，又能改善設計質量，縮短設計周期。因此，國外著名汽車公司都不惜花巨資實施CAD技術，一方面加快新車型上市的速度滿足復雜多變的市場需求，另一方面節省開發成本，向消費者提供物美價廉、物超所值的產品，從而提高自身市場競爭力。

　　CAD技術對于中國汽車企業的重要性是不言而喻的。盡管在2002年，中國汽車行業發生“井噴”，一時間汽車成為和手機、房子一樣炙手可熱的商品，中國汽車業就此迎來了發展的大好時機。同時，國外汽車企業看到了中國廣闊的汽車市場，紛紛在華投資建廠，而國內的汽車公司趁機和國外公司合資，以為可以借助外國公司先進的技術來提高自身的研發能力，可實際上事與愿違。外國公司并不愿意把先進的技術介紹給中國的公司，中國公司始終充當著OEM的角色，僅僅是外國公司在中國的制造基地，汽車研發水平仍難有所提高。

　　在2006年，國家將按照對WTO的承諾取消汽車進口配額。步入21世紀的中國汽車工業將受到來自跨國汽車公司的巨大生存壓力，以及數字化和產品、技術不斷創新的嚴峻挑戰。因此，全面應用CAD技術是中國汽車工業發展過程中的必由之路，應納入到各個汽車企業的發展戰略中。

　　3、 CAD技術在汽車工程領域的應用狀況

　　美國福特汽車公司在上世紀80年代初就開始CAD系統的規劃與實施，到了1985年有一半以上的產品設計工作在圖形終端上實現，至90年代初其產品開發全面采用CAD。早期的CAD系統已自行開發的PDGS和CAD為主，后來逐步過渡到以I-DEAS為其核心主流軟件。

　　在CAD技術發展初期，美國通用公司就自主研發以設計車身為目標的 DAC—1系統，來分析和綜合車身的三維曲線設計。到上世紀90年代初，美國通用汽車公司選中UG作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主導系統。經過不斷的發展，公司已100%采用CAD來進行設計制造，并取消了中間過程，使計算機與制造終端直接相連，最終實現了系統網絡化。

　　我國從上世紀70年代開始研究和推廣CAD，使得CAD技術在國內得到了廣泛的應用，并從中取得了不錯的經濟回報。到目前為止，國內大型制造型企業如汽車企業已普遍實施了CAD系統，取代手工作業，一些大型汽車企業的CAD應用水平也接近國際先進水平。但由于我國CAD軟件自主研發術水平與發達國家之間存在巨大的差距，國內一些研究機構和公司推出的CAD系列軟件得不到更廣泛的應用，市場占有率低，尤其在CAD系統集成方面還是剛剛起步。隨著我國市場化程度的加深，市場競爭的加劇，迫使汽車企業必須改變傳統的設計、制造、管理、銷售模式，來提升企業競爭力和市場應變能力。可以說，實施CAD系統是最有效的方式之一。

　　3.1 汽車模具CAD技術

　　模具是能生產出具有一定形狀和尺寸要求的零件的一種生產工具，也就是通常人們所說的模子。模具生產具有高效、節材、成本低、保證質量等一系列優點。

　　在60年代初期，國外一些汽車制造公司就開始了模具CAD的研究。例如DIECOMP公司研制成功的模具CAD系統，使整個生產準備周期由18周縮短為6周。目前我國已有許多企業采用模具CAD技術，取得了豐富的經驗和技巧，使模具精度和生產率大為提高，但是由于多方面的原因，盡管有些企業已經實現了無圖紙設計，其模具CAD工作大多局限于計算機畫圖(Computer Aided Draft)和二維設計，只有個別企業的汽車模具設計和制造能力接近國際先進水平。此外，國內也出現了一些擁有自主版權的軟件，如北京航空航天大學華正模具研究所開發的CAD系統CAXA等，解決了生產中的一些問題，但還沒有得到很好的推廣和使用。

　　我國在對汽車新車型的開發上遠遠落后發達國家，其中一個重要原因就是覆蓋件模具的設計效率低。國內傳統的模具設計方法已不能適應汽車工業的發展需要，而引進國外的覆蓋件模具產品花費過高，而且會嚴重阻礙汽車產品的更新換代。要解決上述問題，就必須研究開發我國自己的模具CAD技術，同時在國外先進的通用造型軟件基礎上進行二次開發無疑是一種必要而又有效的手段。

　　模具結構設計一般可分為二維設計和三維設計兩種，兩種方法各有其優、缺點。計算機二維設計優點是設計速度快、占用計算機內存小、對計算機硬件配置要求不高，使用成本低廉;缺點是設計錯誤不易被發現，不能直接用于分析和加工。而三維設計可實現參數化、基于特征、全相關等，使得產品在設計階段易于修改，同時也使得并行工程成為可能。另外，三維設計形象、直觀，設計結構是否合理使人一目了然，但三維設計會導致計算機運算速度低、軟件占用硬盤和內存的空間大、設計速度慢等。

　　國外汽車覆蓋件模具CAD技術的發展已進入實質性的應用階段，不僅全面提高了模具設計的質量，而且大大縮短了模具的生產周期。近些年來，我國在汽車覆蓋件模具CAD技術的應用方面也取得了顯著的進步，但目前依然存在著一些問題，如設計效率低、標準化程度低、專用性差、開發手段落后、用戶界面不能滿足要求等，針對此，模具CAD技術主要向參數化、智能化、集成化、專業化等方面發展。

　　3.2 汽車車身CAD技術

　　車身是汽車的一個非常重要的總成，占汽車車身質量和造價的40%—60%，其設計的好壞直接影響著汽車的使用性能。車身又決定了汽車外形的美觀程度，而汽車外形是消費者在購車時首先考慮的因素，對影響消費者的決策起著關鍵性的作用。同時車身還必須有足夠的強度和靜剛度、良好的動力學性能指標，達到保證成員安全和汽車壽命，抗振抗噪，節約能源等目標。

　　車身CAD技術以三維造型為基礎。在傳統的設計中，由于缺乏有效的輔助工具，開發人員常常以二維為基礎進行構思，然后擴張到三維。CAD技術在車身開發中的應用，使原來的舊模式有了徹底的改觀。設計人員通過與CAD系統的交互，將自己腦中的概念模式轉化為清晰的視覺模式——幾何實體，易于優化和改進，提高了工作效率和設計質量。

　　車身CAD技術面向制造和裝配。能熟練使用CAD進行產品設計的開發人員，主要集中于產品的數學建模，缺乏對制造技術的了解，而未考慮設計產生的數據對后續加工的影響。為了精確加工產品，CAD系統提供的數據應該面向制造，保證其完整性和一致性，直接作為數控機床的輸入數據。

　　車身CAD技術基于PDM。在車身部件的開發中，可能會有多個車型設計要交替進行，產生多種數據版本，因此引入產品數據管理技術，建立統一的CAD工程數據庫，消除車身開發中各部分內部信息和數據間的矛盾和數據冗余，從而保證開發過程順利進行。

　　基于PDM的車身CAD集成系統結構由用戶層、應用層、系統層、PDM系統集成層、異構環境處理層組成。其中用戶層由處在集成環境中各人員組成包括設計人員、工藝人員、制造人員等。應用層由CAX系統和用戶界面組成。PDM系統集成層是整個系統的核心，由具有數據管理、數據操作的應用性軟件組成。異構環境層提供了集成所需的網絡平臺、操作系統平臺、網絡間數據傳輸與操作等功能。

　　3.3 汽車底盤CAD技術

　　汽車總布置是汽車設計中重要的一環，對汽車產品質量起決定性的作用。總體布置采用模塊化設計，模塊之間互相聯系，彼此間可以交換數據。

　　在進行布置設計時，都是在三維空間內進行，因此必須確定零部件位置，這對建立整車坐標系及總稱的坐標系很有必要。在已建立的坐標系中建立數學模型，用坐標點的方法完成總稱裝配。待設計完成后，要進行干涉檢查，一般分為位置干涉檢查和運動干涉檢查。汽車動力性、操縱穩定性、制動性都是性能分析的重要工作。

　　另外，汽車總布置CAD系統是以數據庫、圖形庫為基礎的，設計過程中產生的一系列數據對于今后的工作會有很大的幫助，節省工作量。總成圖形庫存儲的是與整車總布置密切相關的零部件，其數據包含了對總成的特征結構和尺寸的描述。總布置數據庫主要包含設計中一些中間參數和數學模型運行結果，具有動態性。

　　3.4 CAD技術在汽車輕量化中的應用

　　汽車減小自重，不僅可以改善汽車的各項性能，還能降低油耗節省資源。有兩種途徑可實現汽車輕量化，一種是采用復合材料，另一種是減小汽車結構尺寸。但不是為了保證汽車具有較高的安全性，采用縮小尺寸的方式必有一個界度。盡管現如今復合材料已經廣泛用于汽車上，但是從整體上來說，還沒有完全達到節省資源的目的。一方面繼續研究性能更為優越的輕量化材料，另一方面可以從設計方面入手。

　　目前CAD系統只能表示實體的幾何和拓撲信息，而不能表示材料信息。一個現代化的CAD系統應該能建立實體內部的材料信息，即在一個實體內有著不同的材料結構。而許多結構部件要求材料性能在零件內部隨位置變化而連續變化，這要做既能滿足零件的性能要求，又能節省大量材料。比如氣缸，其內部承受高溫，因此可采用耐高溫材料——陶瓷，外部要求具有良好的延展性，可采用金屬，因此可以實現陶瓷材料和金屬基體間的雙向擴散，材料組成呈梯度變化。但是能夠同時進行幾何設計和材料設計的CAD技術，在國內并沒有從理論走向實踐，不過這將會成為今后CAD技術研究的新亮點。

　　4、 總結

　　CAD技術廣泛用于汽車領域，帶來了汽車設計、生產方式的新變革，但是和國外先進水平相比存在較大差距。隨著科技的飛速發展，CAD技術正走向集成化、網絡化、智能化、標準化、可視化等方向發展，在新舊技術交替的時期，只有抓住時機，跟上世界科技發展的步伐，中國CAD技術的應用才能更上一層樓。