当车身CAD技术新突破

车身CAD 技术新突破

摘要：车身设计是一项复杂的工作，车身表面(特别是轿车)均为复杂的三维空间曲面，建模难度大，设计周期长，重复设计工作量大，装配精度难于保证。采用WAVE 设计思想和方法，可以有效地解决车身设计“牵一发而系全身”的难题，避免了重复设计的浪费，大大减少了后续结构设计的等待时间，缩短了设计周期，并使得并行工程的优势得到充分的发挥。

关键词：CAD WAVE 车身

1 概述

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是美国UGS公司在其核心产品Unigraphics (简称UG)上进行的一项软件开发，于1997 年在UG/V13.0 正式推出，目前WAVE 技术已发展到较为成熟阶段。

UG/WAVE 是UGS公司应通用汽车公司车身设计要求而开发的一项软件工程，特别适合于车身设计，是有效地解决车身设计“牵一发而系全身”难题的关键技术，可以明显地缩短整车开发周期，极大地提高企业的市场竞争能力。同时，配合使用UG 的PDM 软件iMAN，可使并行工程的优势得到充分的发

挥。WAVE 是当前CAD 技术的重大突破。

WAVE 是在概念设计和最终产品及模具之间建立一种相关联的设计方法，能对复杂产品(如汽车车身)的总装配设计、相关零部件和模具设计进行有效的控制。总体设计可以严格控制分总成和零部件的关键尺寸，而无需考虑细节设计；而分总成和零部件的细节设计对总体设计没有影响，并无权改变总体设计的关键尺寸。因此，当总体设计的关键尺寸修改后，分总成和零部件的设计自动更新，从而避免了零部件重复设计的浪费，使得后续零部件的细节设计得到有效的管理和再利用，大大缩短了产品的开发周期，提高了企业的市场竞争能力。

2 技术背景

随着汽车工业的高速发展，汽车发动机、底盘技术日臻完善，尤其是在全球一体化经济模式下，汽车发动机、底盘的总成和各种零部件采用全球采购方法，使得目前世界各大主要汽车厂商在发动机、底盘和整车性能上差距越来越小，竞争的焦点集中在车身造型、安全性、经济性、环保、内部装饰和各种选配件上。由于车身造型效果已经成为用户选购汽车重要依据，因此，车身设计在整车的开发中变得越来越关键和重要。

目前，在欧美和日本等先进国家已经广泛采用CAD/CAM 技术进行整车开发，并将设计的周期控制在3 年左右的时间，并取得了极大的经济和社会效益。在整车开发中，车身设计占据了相当大的比重，也是影响整车开发周期的关键。车身设计有别于一般机械产品的设计，车身表面(特别是轿车)均为复杂的三维空间曲面，建模难度大，设计周期长，装配精度难于保证，重复设计工作量大。因此，为了缩短整车的开发周期，缩短车身设计周期就成为关键的因素。

美国通用汽车公司在5 年前就对产品开发提出了新的目标——将原来开发一个车型所需的42 个月逐渐缩减到18 个月，最终目标是12 个月，每年推出多种变型车型。显然，利用目前的零部件级CAD 技术方法无法做到，必须采用全新的设计方法和技术。

为了提高企业的产品更新开发能力，缩短产品的开发周期，UGS 适时地推出了带有革命性地全新的总体参数化设计技术WAVE，它是真正的自顶向下的全相关的产品级设计系统，是参数化造型设计与系统工程的有机结合。

回顾CAD 技术的发展历史，如果说上一次CAD 业界重大变革是20 世纪80 年代的参数化建模，那么WAVE 就是当前CAD 技术最新的、最具戏剧性的重大突破。WAVE 通过一种革命性的新方法来优化产品设计并可定义、控制和评估产品模板。参数化造型技术是针对零件一级的，而UG/WAVE 是针对装配级的一种系统工程，从而提供了实际工程产品设计中所需要的自顶向下的设计环境。

3 技术方法和应用范围

WAVE 技术起源于车身设计，采用关联性复制几何体方法来控制总体装配结构(在不同的组件之间关联性复制几何体)，从而保证整个装配和零部件的参数化和关联性，最适合于复杂产品和曲面相关性的设计。

3.1 技术方法

3.1.1 相关零件建模（Interpart Modeling）

用于简单产品的设计，可以在产品的装配结构中建立二个或多个组件之间的几何体的相关性。

3.1.2 自顶向下设计(Top-Down Design)

适合于中等复杂产品的设计，使用基准平面或草图来控制整个装配中所有零部件的基本形状、尺寸和装配位置。用概念设计控制结构设计，主要是组件之间曲面的相关性设计，可以使得设计变更自动进行，避免了大量重复设计的浪费，特别适合于新产品的开发和产品的系列化设计。

3.1.3 系统工程方法（System Engineering）

适合于诸如汽车、飞机等大型复杂产品的设计，采用控制结构方法定义产品的总体装配结构，再将总体装配结构分为若干个子系统（或子装配），用于进行分组并行设计。汽车的总体开发过程与WAVE 系统工程与控制结构的关系如图1 所示。

图1 WAVE 系统工程与控制结构

以汽车开发为例，定义WAVE 总体控制结构一般方法如下：

(1) 定义该产品的总体参数 根据汽车的总布置要求和车身造型定义该产品的总体参数（又称全局参数）。

(2) 定义控制结构关系 其次定义车身各大总成和零部件间的控制结构关系(类似于装配结构关系)，这种控制结构关系使得产品设计的规则和标准具体化。

(3) 建立零部件(子系统、子装配)之间的相关性 采用WAVE 技术，我们可以通过少数的总体或全局参数来定义、控制和更改整车设计，以适应快速的市场变化要求。例如，对轿车来说，车门数、轴距、车身长是全局参数，如果这些总体参数的其中一个发生了改变，无疑都要引起该产品的从上向下的整个变动。

这种更改和对新方案的评估，在采用传统的设计方案时，需要消耗大量的人力、物力和时间。采用UG/WAVE技术，当某个总体参数改变后，产品会按照原来设定的控制结构、几何关联性和设计准则，自动地更新产品系统中每一个需要改变的零部件，并确保产品的设计意图和整体性。WAVE 技术是把概念设计与详细设计的变化自始自终地贯穿到整个产品的设计过程中。

3.2 应用范围

除了车身设计，WAVE 的技术原理同样也适用于航天航空、机械产品、模具设计、工程分析计和制造中。可以说，WAVE 是对CAD 领域的一场全新的革命。

4 高效方便的产品设计管理

随着产品复杂程度的提高，管理和协调的难度越来越大。在复杂产品的并行设计中，高效的管理和协调相当重要。这不仅直接影响到产品设计的精度、开发周期和设计成本，而且影响后续的生产工艺和设备，影响产品的利润和企业的市场竞争能力。

采用WAVE 系统工程方法，可以对复杂产品的设计进行高效和方便的管理。以汽车产品开发为例，可以对总布置设计建立一个控制结构，如建立发动机、车身、底盘等几大系统，再建立各自的子系统，如车身子系统的前围、后围、车门、地板等。控制结构只需确定总体控制参数、外形曲面等一系列最基本和主要的控制参数，而不包括细节的结构设计，如车门轮廓的形状、尺寸、位置等。然后再将控制结构最底层建立用于细节结构设计的子装配，如将车门分解为内板、外板、车门内饰、密封条等（如图3 所示）。

如果总体设计需要变化，总布置设计小组确定修改方案后，只需修改控制结构的有关参数或调整车身曲面，所有的细节结构设计将全部自动更新，总体设计意图自动传递到结构设计小组，无需通知或与结构设计很多不合格产品照样可以通过验收工程师协商。而且，结构设计人员不能修改从控制结构得到的数据。因此，产品设计管理极为方便高效。

5 车身CAD 存在的问题

目前商品化的高端CAD/CAM 集成软件(如UG、CATIA、Pro/E 等)都是非常优秀和成熟的产品，广泛采用参数化特征建模方法，并行工程、虚拟装配等先进技术，能够满足绝大多数产品的设计要求。然而，对于像汽车车身这样复杂的产品，特别是形状复杂的车身曲面，为了保证足够的形状和装配精度，设计的难度大。另外，在产品的开发过程中，一旦需要调整总体参数或车身外形曲面，问题就来了。在车身设计过程中，为了保证整车外形与车门、车窗等分总成的协调和曲面的光顺，一般先建立整车曲面模型（如图2 所示），然后再进行车身零部件的分块设计。例如，乘客门的设计既要保证车门曲面与整车侧围的光顺一致，又必须与车门立柱有一定的间隙，因此，采用CAD 技术的一般方法是先将图2 的车身复制若干个，在其中一个车身侧围开出车门切口（如图3 所示），再利用另外一个复制的车身反向切除得到车门（如果直接切除车门缝隙，同时得到车身和车门，将使车身实体一分为二，从而导致参数的丢失，整车模型无法，这是CAD 核心模块算法的问题）。如果由于造型效果的要求需要图2 车身侧面的形状，由于复制的车身没有关联性，车门的形状无法相应改变，从而导致车门的重新设计。

图2 车身模型 图3 车门开口

为了满足汽车各种性能要求，在设计过程中调整总体参数和车身外形曲面的是必须和经常的。整车开发的一个重要步骤是样车试制和试验，通过试验发现问题，再对整车进行修改直到满意。由于整车性能与车身密切相关，改变整车性能意味着改变车身设计。例如，轴距过短会导致制动点头，一旦需要改变轴距，不仅需要改变轮罩和轮罩开口位置，而且将引起地板、整车长度、侧窗大小、乘客门位置大小等车身结构的一系列相关变化，正所谓“牵一发而系全身”。这是车身设计长期无法解决的难题，也是造成整车开发使其与牙槽配合好周期难于缩短的关键所在。

6 车身WAVE 方法应用实例

为了具体说明WAVE 的使用方法，这里以轻型客车车身为实例，介绍使用WAVE 方法进行车身设计的一般方法。

6.1 定义总体控制参数(全局参数)

设计意图：当改变轴距后，自动调整车身长度，自动调整乘客门的宽度和位置，自动调整乘客门车窗和密封条的尺寸，并保证乘客门的车窗边框宽度不变，自动调整后轮轮罩开口位置和后侧窗的大小和位置。

根据车身总布置设计和车身造型方案确定所需要控制的总体结构参数（如总长、总宽、总高、轴距和车门/车窗的尺寸、位置等），采用全参数、全相关方法建立车身整体模型（如图2 所示）。控制结构应该尽可能简单，可以使用基准平面或草图进行控制（由于篇幅所限，车身建模的方法从略）。图4 所示为使用Sketch(草图)建立的侧面门窗和轮罩开口的控制轮廓线，采用相关几何约束和尺寸约束，建立轴距与车门、车窗之间控制参数。然后定义总体控制结构和参数，用于控制车身结构细节设计，如车门、车窗的开口和车身曲面的分块等设计。

图4 控制侧面门窗和轮罩开口的草图

由于实际设计意图、要求的不同，总体控制参数的定义有相当大的差别，并对后续的结构设计将产生直接的影响。因此，前期工作应该尽可能考虑仔细周到，相关约束条件尽可能合理。当然，在设计过程中可以根据需要修改或增加约束条件。因此，WAVE 的实际应用具有相当大的灵活性。

6.2 定义WAVE 总体装配控制结构

WAVE 总体控制结构的定义类似装配结构，通过关联性复制几何体来控制整个装配设计，是WAVE方法的关键。图5 显示了一个车身控制结构的简单示意图，在各分总成和零部件中包含有从车身总成关联性复制的控制几何体（图2 的车身曲面和、图4 的草图）。

图5 车身控制结构

(1) 建立白车身，利用车身曲面和控制轮廓线建立车门、车窗和轮罩等开口；

(2) 建立驾驶室门，乘客门等控制结构 (如图6 所示)。

6.3 车身结构细节设计

此后，车身各大总成及车门的细节结构设计便可同时展开。应该说明的是，车身曲面和控制轮廓线在装配级，次级装配或组件无权或修改控制轮廓线。通过这样的控制结构，可以有效地控制整车的设计管理，提高设计精度和效率，并将总体设计的意图始终贯穿于整个设计过程。当总体设计参数修改后，后续的结构设计将自动更新，避免了重复设计的浪费，使得并行设计工程的优势得到真正的发挥。

6.4 参数与自动更新

(1) 参数方法：

1) 可在Toolbox→expression，直接改变表达式的值。

2) 在Edit 或Toolbox→sketch，通过激活草图，尺寸。

(2) 将图7 中的轴距p0 改为2800，（为了清楚地观察比较变化结果，轴距加20.0长500mm）。

(3) 自动更新或选择Assembly→Update Session，结果如图7，并比较与图6 的区别。

图6 车身控制结构和分总成 图7 调整轴距后自动更新结果

比较图6、7 我们可以明显地看出，车身长度自动加长，后轮罩开口位置自动关联性后移，乘客门和

门上的窗、密封条、窗玻璃自动变宽，同时保证车门和车窗立柱宽度不变，这些变化结果均根据预先的设计条件而变化。当然，我们也可以改变整车的宽度和高度，也可以使得车门、车窗立柱宽度变化等等，这些变化结果都必须通过总体结构的参数预先定义而获得。

由此可见，当总布置设计参数需要调整时，我们只需要改变一个参数，后续的结构设计将自动更新，极大地提高了设计精度和效率。在一般的设计过程中，总布置设计往往需要进行周密的分析计算，并占用相当的设计时间，从而增加了相当多的后续结构设计和工艺设计的等待时间，并行工程的优势难以真正得到发挥。采用WAVE 方法，总布置设计只需给出车身的外形和主要控制几何体，后续结构设计和工艺设计便可以同时进行，无须过多考虑结构上的细节。总布置设计的意图通过控制几何体传送到整个设计工作组，并可以随时修改在设计中可能出现的问题。例如在上述车身设计中，遗漏了驾驶室门把手凹陷、油箱开口和油箱盖的设计，我们可以随时在总体控制结构中(图7 的草图)添加诸如此类的细节结构设计，后续的结构设计会自动更新，极大地提高了设计效率。

WAVE 的使用和操作非常方便和容易，但是，用好WAVE 却不简单，定义合理的控制结构是关键。首先用户需要掌握WAVE 的基本思想和结构体系，其次对UG/CAD 整个系统有较为全面地理解掌握。另外，实际使用经验和建模的方法和技巧也相当重要。

UG为适应制造业的市场需求和计算机应用技术的发展，融合了国际上最新的技术、理论和方法，遵循面向企业、面向产品、面向过程、面向应用、面向用户的原则，推出了UG/WAVE 这样一些革命性的系统级工程方法和应用工程模块。它作为世界一流的CAD/CAM/CAE/ PDM 系统，通过独特的、基于过程的方法和基于主模型的全相关的技术，为用户提供了一个企业级的，贯穿从产品设计、工艺制造到生产管理全过程的虚拟产品开发环境。

参考文献

1 Unigraphics User Manual (V18.0)，USA：Unigraphics Solutions Inc.

2 方正. UG 对制造业对新贡献与新发展. UG 用户通讯. 1999（1）

3 赵波，龚勉. 轻型客车车身CAD. 上海汽车. 2000，5

4 王斌也没有针对厚度小于0.025毫米塑料购物袋的产品标准，陈昌明. WAVE 技术在客车车身的自动设计与快速成型系统中应用. CAD/CAM/CAE/PDM 技术开发与创新. 南京：东南大学出版社，2000

5 孙晓勤. 在电子设备机柜总体设计中应用ＷAVE. CAD/CAM/CAE/PDM 技术开发与创新. 南京：东南大学出版社，2000(end)