應用虛擬技術加快汽車開發程序

第３２卷第３期

２００２年７月

ｊ０ｕｍａｉ

吉林大學學報（ｉ學版）ｏｆ蛐ｎｕｎｉ性端

ｖｏｌ３２ｎｏ３

文章編號

應用虛擬技術加快汽車開發程序

丁韓１，尹偉２，胡

平１（１．吉林大學吉林壘網格模具工程研究中心，吉林長春

江西南目３３０００１）

１３００２５；２．江鈴五十鈴汽車****產品部

摘要：將虛擬開發技術應用在汽車開發過程中，用以縮短產品開發周期、提高產品質量和競爭力。詳細介紹了虛擬技術（計算機輔助設計及數位化模型、計算機輔助工程、虛擬實境方法、人工智慧、產品資料管理、同步及併行工程、快速樣車技術）的主要組成部分及特徵。

通過分析可知：實施虛擬產品開發技術和開展井行工程可以使產品開發過程得到優化和整合，從而提高７企業的市場競爭能力。

關鍵詞：虛擬技術；汽車產品開發過程洗化和整合中囝分類號：ｔｐ３９９

文獻標識碼：ａ

１引入虛擬技術滿足市場對產品及其開發的要求

產品是在企業內部的創造、生產、經營等活動的過程中形成的，產品被市場接受是乙個工業企業最

重要的追求目標。一種產品的生命週期可以劃分為研究期、投入期、成長期、成熟期、飽和期和淘汰期，也可以劃分為產品開發、製造和市場銷售三大部分，其中產品開發是核心和關鍵環節。因為乙個產品的固有特性（即產品的效能、質量和在經濟上的價值）主要是由產品開發設計階段決定的。

產品開發具體劃分為產品規劃、產品設計及產品驗證三個階段，具體包括獲取資訊、需求定義、功能定義、原理制定、細化設計、計算和模擬、驗證和評價、修改完善、提供文件等設計活動。在產品開發中不論採取組織措施還是技術措施，所追求的目標和優化的原則都是盡力縮短開發時間、降低開發和加工成本、提高產品質量。汽車產品的開發過程和開發技術具有複雜性和多樣性的特點，只有將整個產品開發過程及其不同的工作方式進行全面整合才能達到高效和優化的目的。

。虛擬技術有助於決策層及早對設計方案進行決策和跟蹤管理；有助於加強異地的合作，共同解決技術難題；有助於在製造樣車前進行反覆驗證和校核，從而及早發現和避免設計錯誤；有助於在產品投產前及早獲取產品資訊以進行市場調查。貫穿於產品開發全過程的虛擬技術可使產品效能得到全面系統的優化，能大大縮短開發周期，最終提高企業在市場中的競爭力。

２虛擬技術的主要構成及特徵

採用虛擬技術開發產品是應用計算機技術，在計算機系統內以數位化模型方式完成產品設計和驗

收稿日期：２００２一０３一１８

**項耳：國家傑出青年科學**資助專案國家自然抖學**重電旃助項甘教育部畦點

件技攻關課題資助項甘（９９０３４）

作者簡介：ｒ手甫（１９６７一），女，北京人．青林大學博士研究生。

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吉林大學學報（ｉ學版）第３２卷

證的開發過程。在汽車開發中綜合應用下列計算機技術，能夠可靠地在計算機內部實施虛擬開發。２．１計算機輔助設計及數位化模型

計算機輔助設計（ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ａｉｄｅｄ

的核心任務是建立數位化模型。在計算機中完成的

ｍｏｄｅｌｉｎｇ）得到與用傳統方法制

三維產品資料模型可以多次被其它部門或下游部門應用。倒如．在計算機輔助造型設計（ｃｏｍｐｕｔｅｒ

過程中，造型師可以通過虛擬油泥建模（ｖｉｒｔｕａｌ

ｃｌａｙ

作的實物油泥模型同樣效果的數位化模型。以供決策部門確定產品方向，同時可直接將數位化資料提供給下游部門進行進一步的設汁和驗證工作。虛擬產品的建模和**有利於對產品的造型、功能及其關聯技術從多個角度進行實時和可靠的操作，達到優化設計方案的目的。

因此數位化模型需具有產品在其生命週期內所有必須的功能。

在產品從開始構思到確定方案的設計過程中，要進行適應性的頻繁修改直至滿足所有要求為止。為輔助這一過程，可利用引數化建模或引數化設計。引數化設計的基礎是基於尺寸驅動幾何圖形，即通過更改尺寸可以達到更改設計的目的。

因此引數化設計是虛擬設計的乙個發展方向。２．２計算機輔助工程

在產品開發領域裡，計算機輔助工程

ａｉｄｅｄ

一（ａｅ）是通過使用計算機對產品

數位化模型進行虛擬的分析計算、測試和**，使設計人員在開發階段就能不斷地對產品外形和效能進行**並提出適應於設計要求的更改方案，因此對優化設計和加速設計程序具有重要意義。

產品開發中的計算可以劃分為結構計算、檢查和驗算、優化計算。計算機輔助計算的方法有：有限元方法（ｆｅｍ）、有界元方法（ｂｅｍ）、有界差分方法（ｆｄｍ）。

其中ｆｅｍ系統是應用最廣泛、最重要的計算工具，它建立在有限元方法的基礎上並且只有通過高效計算機才能實現。例如，應用有限元法借助超級計算機可實現對數位化汽車結構模型進行碰撞**分析計算，使設計人員及早發現設計問題並進行反覆更改直至取得滿意的結果。與製作樣車進行實車碰撞實驗相比較，應用計算機輔助計算可節省大量的時間、費用和人力。

２．３虛擬實境方法

虛擬實境方法能使人身臨其境地體驗一種產品的幾何、工藝、物理、外形以及環境影響等特徵。虛擬實境是一種新的圖形**領域，可以將其解釋為一種人機對話的新技術，它允許使用者進入乙個數位化模型領域並直接加以操作，使該使用者的所有感官得以充分激發。虛擬實境應用的基本條件首先是三維的表達技術和人機對話技術，如使用專門實現三維資料互動輸入和輸出的資料手套或頭盔顯示器等；其次是系統的實時性，即必須在一定速度下形成圖形，才能給使用者乙個親ｌ臨真實環境的感覺。

虛擬實境被越來越廣泛地應用在汽車的虛擬產品開發技術中。例如，可以利用乙個虛擬的座位把虛擬實境技術與物理模型聯結在一起．通過考察汽車駕駛室內部空間的主觀感知來檢查內部空間設計是否使使用者感到舒適；同時還可以通過檢查汽車內部儀表的定位及其可操作性來驗證內部空間設計是否符合人機工程學。２．４人工智慧

人工智慧主要從事有關理解人的思維能力和借助於計算機模仿或模擬人的思維方面的嘗試。人工智慧的主要元素是知識表達和知識處理，這些元素在基於知識的系統中實現。

近年來已經研製了大量的基於知識的系統，並成功地應用在許多任務作場合。如：智慧型工業機械人、圖形識別和圖形處理系統、問題求解和計畫系統、專家系統、推斷系統、**系統、用於程式合成的系統、自動的程式驗證系統、智慧型的感測器資料解釋系統、智慧型工作位置等。

人工智慧技術還可以解決那些很難通過演算法計算解決的問題，例如：專家所積累的經驗和專門知識；與大量的法規、標準等限制條件的符合性；產品設計要求的複雜程度日益提高，等等。基於知識的系統在將上述有關聯的大量各類知識和資訊進行採集、處理、求解和表達方面作出了有價值的貢獻。

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第３期丁諱等：應用虛擬技術加快汽車開發程序

２．５產品資料管理

產品資料管理系統（ｐｒｏｄｕｃｔ

ｄａｔａ

是用來處理與產品有關的工程資料的系統。

通過這種資訊科技工具，所有參與開發過程的成員都可以有效地使用設計資料。該系統可提供的典型功能有：管理、分配和控制產品資料；有針對性地分布及儲存在不同的軟體和硬體系統中的產品資料和專案資料。

在併行工程方面，產品資料管理的主要功能在於系統地管理產品形成過程中所用到的全部文獻，如圖樣、產品數位化模型資料、零件明細表、標準資料庫、專案資料、ｎｃ加工程式、分類和記事管理文擋等等。

產品資料管理系統能夠為各個不同的ｃａｘ系統之間建立統一的產品資料模型，為企業信．包整合提供統一的框架體系，使企業的裝置資源、人力資源、產品資料、經營過程和應用工具協同執行，搬大地提高了企業的效率。２．６同步及併行工程

在虛擬技術開發過程中，邏輯上順序排列的設計階段及規劃階段越來越多地讓位於時問上平行的方式即同步及併行工程一【置）。併行工程概括地描述了在技術和企業經營管理整合基礎上．盡可能通過時間上並行處理任務的方式取代傳統的順序處理產品開發任務的方式並更新開發過程。應用並行的概念正是突出了實施人員之間的合作及協調過程。

這樣就可達到縮短產品開發時間和提高產品質量的目的。實旌併行工程，除了要使用計算機輔助技術外．重點還在於改造企業的組織結構。例如，建立內部有嚴格紀律約束的工作小組和構成跨學科領域的多功能組合的專案小組。

２．７快速樣車技術

為了測試和優化產品的功能和輔助產品設計，在汽車開發過程中從概念設計到產品進入市場需要進行多次實物樣車的驗證工作。例如．在結構設計階段或詳細設計階段可通過樣車對產品功能和效能進行試驗。為縮短產品驗證時間出現了快速樣車成形技術。

應用快速成形技術由聚碳酸脂、聚醯銨或類似木頭的材料製成樣車，可完成對產品的各方面質量和特性進行快速有敏的評估工作。應用快速樣車法能夠在產品開發階段的早期就得到樣車的模型，從而有可能對產品進行面向加工和裝配的優化，並且在開始正式投產之前就把可能出現的錯誤加以糾正。這樣不僅可以降低產品成本，同時又由於開發時間的縮短允許對產品進行更進一步的完善。

對樣車盡早地優化使得無問題的批量生產能夠提前進行，而且將出錯的可能性降到了最低。

綜合應用上述ｃａｘ技術，可以在計算機中構造出具有全部資訊和產品功能的接近現實的計算機虛擬產品模型。這種虛擬產品不僅在產品開發中具有重要的意義和作用，而且還可以對生產過程進行模擬，從而事先檢查生產工藝是否合理、柔性化製造和敏捷化生產程度是否高、人飢環境是否協調、人力資源和物流配置是否得當，達到減少產品生產時間及製造費用、增強產品競爭力的目的。

３虛擬產品開發過程的優化和整合

虛擬技術由於應用了先進的計算機技術和資訊通訊技術使得企業可以打破地域和空間的限制，將產品開發過程和開發技術進行整合和優化。從圖１中可以看到，產品生命週期分為產品開發、產品製造、市場銷售三個階段，在採用虛擬技術的企業中，產品數位化模型和專案管理貫穿於產品生命週期的始終。由於產品數位化模型及相關文件是產品構成的基礎，從而資料管理具有重要意義，並滲透於產品生命週期的所有過程和環節。

圖中產品開發階段包括產品規劃、設計和驗證三個階段，圖中所應用的計算機技術包括：計算機輔助設計（ｃａｄ）、計算機輔助工程（ｃａｅ）、虛擬實境（ｖｒ）方法和快速樣車（ｒｐ）技術，在有效的產品資料管理（ｐｄｍ）系統的支援下開展了全方位的同步及併行工程（（？ｅ）。

由於實施丁虛擬的產品開發技術．從而使產品開發過程得到整合，產品質量得到優化，縮短了產品開發周期：

虛擬產品開發的乙個最大特點是通過大量的模擬來完全預知未來產品的特性。該技術的實現條件

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第３２卷

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ｌ整合化的產品開發過程和產品生命週期

叩ｐｒｏｃｅｓｓ

是必須建立具有核心功能的虛擬產品開發環境，這種開發環境只有借助於適合各種特殊任務的ｃａｘ模組並整合使用，才能充分發揮其應用潛力。在虛擬產品開發過程中對縮短時間影響最大和起決定性作用的是將工作步驟的範圍和狀態進行相互重疊，即實行併行工程，併行工程實施的深度和廣度對縮短執行時間和降低產品成本以及優化產品特性具有重要意義。通過應用資訊科技和通訊技術，用併行工程消除了專案參加人員在時間和空間上的距離和界線，在分布式環境中協調了產品開發過程，縮短了執行時間，改善了質量並降低了成本。。

４結束語

中國****為了在全球化市場競爭中不斷地發展壯大，必須全面採用先進的、敏捷的、優化的虛擬開發技術加快產品開發程序。為了使ｃａｘ系統在產品開發過程中能有效地發揮作用，除了對計算機的軟、硬體技術提出要求外，還需要對現有的企業進行重組，重組的機構旨在改進開發資源和製造資源使其協同工作，減少組織的複雜性，加強跨專業的團隊合作，使各項任務平行化，瞄準全面的質量目標，設立提高質量的控制迴路；將產品責任部門的工作擴大到產品的整個生命週期。參考文獻：

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第３期［５］ｑｉａｎ

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小崮國際汽車技術講座資料．武

漢：華中理工大學．２０００，７．

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ａｂｉｌｉｔｙ

ｍ瑚我校承擔及參與的４個專案通過２００２年國家科技獎初評

２００２年度國家自然科學獎、國家技術發明獎、國家科學技術進步獎初評工作近日結束，我校承擔及參與的４個專案通過初評。

這４個專案分別是：由劉式墉、楊毅、謝誌元、黃勁松、侯晶瑩等人申報的「新結構有機／聚合物電發光機理和應用研究」通過國家自然科學獎初評；由我校葛安林與上海離合器總廠、上海交通大學聯合申報的「轎車液力變矩器」、由遼寧省人民醫院與我校中日聯誼醫院趙林阳聯台申報的「經皮經腔問隔心肌消融術**肥厚性梗阻型心肌病」、由中海石油研究中心勘探研究院、中海石油物探公司、清華大學與我校何樵登共同申報的「海上中深層高解析度**勘探技術」３個專案通過國家科學技術進步獎初評。

本年度上報通用專案近７００項，經過專家評選，有２１３項通過初評，其中國家自然科學獎２８項、國家技術發明獎２０項、國家科學技術進步獎１６５項。

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應用虛擬技術加快汽車開發程序

汽車線控技術的應用分析

虛擬裝配技術在家具產品CAD設計中的應用

虛擬機器技術在高校機房管理中的應用

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