基于UG软件开发平台的汽车产品开发

作者：佚名信息来源:internet 2006-4-2

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提要本文阐述了现代汽车的常用设计方法，在工程应用的基础上重点介绍了UG软件在CAD/CAE/CAM方面常用的模块及在产品开发方面的功能以及UG软件的优越性能、基于UG/Open技术和知识工程，介绍近几年来UG软件在汽车产品开发及机械产品开发方面的经验和二次开发模式、文章最后介绍同济同捷公司利用UG软件及其坪欠二开工具开发出来的产品，以汽车悬架为例介绍了基于UG软件汽车产品开发方法。
关键词 汽车设计方法、UG软件、UG/Open技术、悬架设计

1 汽车产品开发技术及发展方向
目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为:先进制造技术

制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。所以，一个先进的技术其实需要其他基本技术的支持。图1是先进制造技术的层次及技术来源示意图。第一层次是铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺，它们至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术。

些经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分;第二层次是制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术;第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、GIMS、IMS以及虚拟制造技术等。

    从技术群的角度可以将汽车制造技术分为三个层次:
    (1)主体技术群。它包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群。其中面向制造的设计技术群包括产品、工艺设计，它涉及计算机辅助设计、工艺过程建模和仿真、工艺规程设计、系统工程集成、工作环境设计、快速成型技术和并行工程技术等;制造工艺技术群涉及材料生产工艺、加工工艺、连接和装配、测试和检验、环保技术和维修技术等;
    (2)支撑技术群。它包括信息技术、设计标准、工具工装技术和传感器控制技术等;
    (3)制造基础设施，即制造技术环境。它包括质量管理、用户供应商交互作用、工作

员培训和教育、全局监督和基准评测、技术获取和利用等。
    本文将主要讨论汽车制造主体技术群中的面向制造的设计技术群以及这些技术在汽车制造中的应用。
汽车设计通常经历如下过程:首先采用快速成型技术进行汽车造型设计，然后采用叹天PFO/E等三维软件进行产品结构设计和工程设计，此后采用AUNAS等动力学软件进行动力学仿真，以及利用CAE软件如AI\S} PATRAN/NASTRAN%A行工程分析和优化，再利用碰撞软件DYN03D或IW咫环走囚胜行整车的碰撞性能仿真计算等。在工程设计和分析阶段又采用了如下技术:汽车系统建模与仿真设计方法、汽车相似理论与模化技术设计方法、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、汽车智能CAD/CAE/CAM及一体化设计方法、汽车设计平台化与模块化设计方法、三次设计方法、虚拟现实与虚拟设计等汽车设计先进理念。此外在产品数据和开发环境上采用PI件实现并行工程开发环境和数据统一管理。
    采用上述先进的软件、设计技术和管理方法，能大大提高设计质量，缩短开发周期，抢占更大的市场。同时也逐步实现了产品开发数字化和企业的集团化。其中，基于上述汽车产品设计方法和理论的发展，USVA件以其优越的性能脱颖而出，在全球CAD软件销售抢占了近二分之一的市场。
2 UG软件中针对汽车产品开发的模块
    UG软件从70年代开发以来，经历了基于图纸(74年)、基于特征(88年)、基于过程(95年)和基于知识(2000年)的发展阶段，功能不断得到扩展，在CAD/CAE/CAM/PLM等领域占有的市场不断扩大，有独领风骚之势。UG软件包含CAD/CAE/CAM计算机辅助工业设计、知识驱动自动化、数据交换和其他特殊应用等功能。但其主要优势主要体现在如下几个方面:
2 1 CAD造型和建模
    UG软件在CAD方面的建模和造型分为两个模块一实体造型和自由曲面造型。在造型功能方面，除其他软件所具有的通用功能外，它还拥有灵活的复合建模、齐备的仿真照相、细腻的动画渲染和快速的原型工具，仅复合建模就可让用户在实体建模、曲面建模、线框建模和基于特征的

数建模中任意选择，使设计者可根据工程设计实际情况确定最佳建模方式，从而得到最佳设计效果。在加工功能方面，UG件针对计算机辅助制造的实用性、适应性和效能性，通过覆盖制造过程，实现制造的自动化、集成化和用户化，从而在产品制造周期、产品制造成本和产品制造质量诸方面都给用户提供了极大的收益。
2 2 CAE模块
　 UG/CAE分析模块主要包含结构模拟和运动分析，以及其他的仿真模块。其中，
    (1)结构模拟指包括UG/Scenario for FEA和CG/Scenario for ANISYS以及UG/FEA;其中UG/Scenario for FEA和UG/Scenario for ANSYS是进行前处理和后处理，UG/FEA是植入式的有限元求解器。通常，用户可以在叹;环境内利用叹;强大的CAD功能对零件和装配过程进行创建、修改、更新等操作，并将几何模型转换成所需要的有限元模型。
    UG/Scenario for ATI'S使用了AT\bYS公司授权的有限元单元网格技术，UG/Scenario forFEA则是使用了MSC公司授权的网格划分器可以迅速有效的在几何体上进行网格划分，其中支持的网格单元有薄板体的壳单元、实体体单元、梁、刚性连杆和弹簧等，并且可以指定相应对象的实体密度等物理特性。
    UG/FEA是一个有限单元求解器，它提供了在份环境下分析的方案。可以进行线性静力分析、模态分析、线性屈曲分析、间隙支持和稳态热传递分析等。
    ②运动分析模块则提供了机械运动的虚拟样机。可以进行运动学和动力学分析，通过使用各种运动对象包括运动副、弹簧、阻尼器、运动驱动器、力、扭矩、柔性套管等来创建和评估虚拟样机，同时通过干涉检查结果、图、表、动画、电子表格等输出，很形象直观的得到相应数据。
    ③其他仿真模块。叹;不断开发出的新模块，如注塑模分析仿真。它提供了针对注塑零件易用的、完全的塑料流动分析。由于份在版本的不断更新，在使用界面与操作步骤方面变得更为简单、灵活，能够让份用户在较短时间内完成对CAE部分的掌握，并进行运用，让产品在设计过程中就避免了以往只有在实际生产时才发现的问题如运动干涉等，进而提高了设计生产效率。
2 3 CAM模块
    在UG的发展过程中，CAM.直是加工业者最可靠的工件伙伴。它不仅提供可靠、精确刀具路径，更让NC编程人员可以随心所欲地设计出心目中最有效率的加工程序。去年CIMdata的调查报告指出，EDSUG被视为所有CAM件供应商中的最强大的竞争对手。
UG/CAM有下列几个特点:
(1)提供可靠、精确的刀具路径;
(2)能直接在曲面及实体上加工;
(3)良好的用户界面，并允许使用者能依工作上的需要，定制用户界面;
(4)提供多样性的加工方式，方便呢编程人员设计各种高效率的刀具路径;
(5)提供完整的刀具库及加工参数库管理功能，使新进人员能充分利用资深人员的经验，设计优良的刀具路径;
(6)提供通用型后处理功能，产生各种NC加工机适用的NC程序。
2.4 知识工程
    自2000年，UG公司将软件发展的重点放在知识工程的应用上，与上海同济同捷科技股份有限公司成立了知识工程组，采用知识驱动CAD软件开发机械产品。知识工程的知识来源有二:
    ①业界标准知识。通过知识驱动自动化功能提供过程向导和助理，如UG模具向导(mold Wizard)，UG齿轮工程向导(Gear EngineeringWizard)，UG/车门向导(UG/DoorWizard)，UG/冲模工程向导(Die Engineering Wizard)等。这些模块将业界知识应用到专门的任务中，从而建立集成的解决方案，使叹准欠件具有更强的功能、更易于使用和更高的生产率。
    ②公司独特的知识。通过新模块UG知识融合(UG/Knowledge Fusion)能够快速和方便地添加公司独特的知识，如工程规则等去驱动一个模型或建立实制的过程向导和助理，使基于知识工程的环境能直接进入UG的核心。
2.5 工作模式
　　UG公司通过改变工作模式提高工作效率，改变用户对软件的使用方便性。主要体现在如下几个方面：
　　(1)从串行工程转变到扩展企业范围的并行工程(处用UG/in-KEY)。在早期计算机辅助设计、工程和制造阶段，各工程之间没有信息交流，各个工程独立工作，需要在设计、分析和制造过程中重复建立模型，形成了CAX软件之间的“信息孤岛”。采用UG/in-KEY技术和iMAN软件后，CAX软件之间实现了信息反馈，这不仅减少了建模方面的重复工作，提高了工作效率，而且还提高企业范围内各部门之间的合作，实行并行工程，缩短了产品开发周期，提高市场反应速度(见图2)。基于并行工程。汽车设计也从原来的36-48个月，缩短为12-18个月。

    (2)从零件的参数化建模转变到产品的参数化建模(利用UG/Wave)。零件的参数化是为了便于零件的系列化和通用化，而产品的参数化是为了实现产品的系列化。这一功能是基于UG/Assembly功能之上。一个产品往往是由几个零部件装配而成的。产品的参数化设计是大型产品平台化设计和柔性制造的基础。通过平台化柔性化设计，可以扩大产品的系列化生产，提高产品生产的批量，降低产品的成本。全球最大的汽车制造商比如通用、福特等公司均采用基于参数化建模的平台化设计方法。
    ③从基于二维工程图纸的开发过程转变到以三维实体模型为中心的开发过程(利用主模型方法)。二维图纸是厂家必须参照的资料，但是现代化生产需要的是三维实体模型。主模型思想就是在一个企业内部，同一个产品，只有一个主模型，该产品的CAE工程、二维图纸、装配模型和制造模型等都是来自主模型，这样保证了该产品信息的一致性。这也是近年来汽车产品开发采用的设计思想。用三维模型取代二维图纸，不仅可以实现虚拟建模、虚拟装配，还能在三维环境中检查干涉，进行运动校核和动力学仿真。
3 利用UG软件进行汽车产品开发的模式
    客户化叹准欠件提供CAD/CAM/CAE业界最先进的编程工具集，去定制叹环口裁剪它以满足一个企业的需求，这组工具集称之为UG/Open,它是一系列UG开发工具的总称。它们随UG一起发布，以开放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。包括:
(1) UG/OpenUIStyler。它是为了构建UG风格对话框的一个直观可视化的编缉器;
(2) UG/OpenGrip。它是为了自动化CAD/CAM/CAE任务的一种脚本语言;
(3)UG/OpenAPI。它提供一种直接编程接口到UG允许用户建立客户化的应用，它使用许多当前最流行的编程语言，包括C、C++和JAVA UG/OpenAPI可以调用内部和外部的UG函数。外部UG是独立于UG之外的普通C程序，通过UG运行库调用API的功能;内部UG是运行在UG内部的API程序，通过动态链接成为UG的一部分;
(4)UG/OpenMenuscript。它是UG定义菜单的语言，通过Menu Script可以实现对菜单项的添加、修改、移动、删除，并运行UF, Grip; UI DLG系统命令等;
(5)UG/Open它是一种真正面向对象的与UG的接口，用C++语言编写。这种编程接口有面向对象特点的全部优点，包括继承，压缩和多形性。
    在上述开发工具的基础上，研制了一套基于UG平台的汽车产品开发模式，如图3所示。

4 基于UG平台知识驱动自动化产品
从1996年起，同济大学就开始从事叹准欠件的应用和开发工作。在近5年的时间内，根据上述开发模式开发了以下近10个汽车和机械相关产品:
.基于知识的齿轮设计软件(Gear wizard);
.基于知识的整车设计软件;
.基于知识的车门设计软件(Door wizard);
.基于知识的轴承设计软件;
.基于知识的减速箱(变速器)设计软件(Gearbox wizard);
.基于知识的液压成型设计软件;
.基于知识的悬架设计软件;
.基于知识的模型质量检查软件;
.基于知识的客车底盘总布置设计软件。
其中悬架设计软件由数据库部分(知识库)、CAD建模、CAE工程分析、逆向工程、文档等模块组成。各模块的功能如图4所示。知识库中保存悬架建模和分析的的初始数据，同时也保存建模过程和CAE分析过程的中间数据。而CAD和CAE模块均采用UG软件实现。CAD建模模块用UG软件睥二次开发功能，即采用程序驱动悬架的建模。它包括七种车型悬架系统精确建模以及上典型悬架参数化模板和参数驱动工程。CAE模块采用UG/Secnario for Strucutrue实现，能完成悬架运动学动力学、运动学，车辆的平顺性、稳定性分析以及悬架系统的优化计算。文档模块提供各功能模块的开发文档和使用说明、悬架系统设计机理、方法、准则的技术报告、悬架系统测绘、逆向工程分析的技术报告、悬架系统性能的评价指标和性能试验方法的技术报告、典型车型悬架系统的验证设计、性能分析、测试对比报告以及项目验收总结报告等。逆向工程模块进行悬架系统测绘、光顺和建模等反求工作。基于叹平台的系统菜单和对应模块功能采用UG/Oper接口和C/C++开发。