汽车领域的主要数字化仿真技术软件及应用现状--[汽车数字化技术]课程论文

《汽车数字化技术》课程论文

题目汽车领域的主要数字化仿真技术软件及应用现状.

学院：

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年级：

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姓名：

成绩：

工程技术学院车辆工程

摘要 .................................................................................................................................................. 1

关键词 .............................................................................................................................................. 2

1. 汽车数字化开发技术背景 . .......................................................................................................... 3

2 汽车领域主要使用的CAX 软件 . .................................................................................................. 5

2.1 主要CAD 软件 . .................................................................................................................. 6

2.1.1 AutoDesk Alias ........................................................................................................ 6

2.1.2 AutoDesk AutoCAD................................................................................................. 6

2.1.3 PTC ProE/Creo ........................................................................................................ 6

2.1.4 Dassault Systemes S.A SolidWorks ......................................................................... 6

2.1.5 Dassault Systemes S.A CATIA ................................................................................ 7

2.1.6 Simens Unigraphics NX . .......................................................................................... 7

2.2 主要CAE 软件 . .................................................................................................................. 7

2.2.1 Dassault Systemes S.A Simula . ................................................................................ 7

2.2.2 ANSYS . .................................................................................................................... 8

2.2.3 HyperWorks/HyperMesh ......................................................................................... 8

2.2.4 MSC Adams ............................................................................................................. 8

2.2.5 ANSA ....................................................................................................................... 8

3 汽车领域数字化开发技术未来发展趋势 . .................................................................................. 9

参考文献 ........................................................................................................................................ 10

摘要

随着计算机科学的快速发展，它广泛的渗透进人类生活的方方面面。汽车制造业作为国家工业的重要组成部分，通过高效地结合计算机技术，提高汽车设计水平以及制造水平是所有工业国家的追求。汽车数字化技术作为计算机科学与汽车制造业结合而产生的新兴科学，正确认识并运用计算机辅助技术成为当代发展汽车制造业的基本前提。因此，学习掌握当前汽车领域内常用的CAX 软件具有重大的实际意义。

关键词

CAX

汽车建模

有限元分析

汽车领域的主要数字化仿真技术软件及其应用现状

1. 汽车数字化开发技术背景

汽车作为人类科学发展的里程碑式发明，现如今已经普及到全世界的各个角落。从19世纪80年代德国工程师卡尔·本茨首次制造出第一辆汽车开始，汽车制造业理念从最初追求强劲的动力性性能，发展到现代追求电气化、智能化、轻量化、网联化，设计思想日新月异，但不变的是汽车一直凝聚着大量人类科学技术成果的事实。

汽车制造业发展到现代，制造水平相较于20世纪初亨利·福特创立福特汽车公司时汽车首次开始大批量生产的时期，在设计周期、生产周期、零部件可靠性、生产制造模式等方面有着巨大的跃变。无论是流水线生产的理念运用还是生产设备的不断更新升级，皆见证了汽车制造业现代化发展的过程。与此同时，随着计算机科学从20世纪中期萌芽到20世纪后期的迅猛发展，计算机科学在其他领域中的应用变得越来越广泛，这当中在汽车制造业中的应用尤其显著，汽车数字化开发技术便是计算机科学与汽车制造业结合之后产生的一个新兴领域。汽车数字化设计可分成两个部分进行理解，一为“设计”，二维为“数字化”。前者指人类将一种设想，通过合理的计划，周密的计划，通过各种感觉形式传达出来的过程。人类通过劳动改造自然，创造文明，创造财富，而最基础、最主要的创造活动就是造物。设计便是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计①。后者“数字化”是指利用计算机数字化技术对传统的技术内容和体系进行改造升级。将两者结合起来就是通过数字化的方法改造传统汽车制造业的产品设计体系。依赖于计算机硬件基础，以数字化软件为辅，数字化开发技术涵盖汽车产品建模、产品仿真分析、产品优化、产品制造等过程。

① 摘自百度百科词条“设计”

汽车数字化开发设计从根本上讲就是利用计算机首先生产出汽车产品的“数字原型”，即运用各种数字化开发软件完成三维建模、原型优化工作，从几何和数字角度描述产品。

汽车数字化开发技术大量运用到了CAX 技术，也就是计算机辅助技术。CAX 主要涵盖CAD(Computer Aided Design) 技术、CAE(Computer Aided Engineering) 计算机辅助工程技术、CAM(Computer Aided Manufacturing) 计算机辅助制造技术、CAS(Computer Aided Styling ) 计算机辅助造型技术、CAPP( Computer Aided Process Planning )计算机辅助工艺技术等多元的计算机辅助技术。这些技术的运用贯彻汽车的整个制造过程，从最初的模型建立，到模型检验、运动仿真，再到性能测试，再到装配生产流水线都大量使用CAX 技术。这项技术在降低汽车制造所需的人力物力成本的同时，还极大地缩短了制造周期，提高了制造精度和质量。CAX 技术运用的过程中还能够有效地帮助汽车企业积累设计生产过程中的各种数据，建立庞大的数据库以供未来产品的设计制造提供经验参考。

现今市面上存在大量的CAX 软件，作者仅攫取在汽车领域应用广泛，比较常见的一些软件在下文中进行介绍。

2汽车领域主要使用的CAX 软件

汽车制造的流程可以大致概括为四个阶段：规划阶段—>开发阶段—>生产准

【1】备阶段—>生产阶段。在这四个阶段中，开发阶段主要运用到CAD/CAS/CAE三

种计算机辅助技术。而在生产准备阶段中主要运用到CAM/CAPP两种计算机辅助技术【2】。

CAD(Computer Aided Design) 技术、CAE(Computer Aided Engineering) 计算机辅助工程技术、CAM(Computer Aided Manufacturing) 计算机辅助制造技术、CAS(Computer Aided Styling ) 计算机辅助造型技术、CAPP( Computer AidedProcess Planning )计算机辅助工艺技术。

CAD(Computer Aided Design) 计算机辅助设计技术指利用计算机和相关的图形设备帮助设计人员进行产品的设计工作。通常情况下我们将CAD 和二维、三维模型的建立相关联起来，原因是它们在实体建模上有着突出的优势。在这一方面表现较突出的有:AutoDesk Alias、AutoDesk AutoCAD、PTC ProE/Creo、Dassault Systemes S.A CATIA、Dassault Systemes S.A Solidworks以及Simens Unigraphics NX 等。

CAE(Computer Aided Engineering) 计算机辅助工程技术主要涉及到实体模型的各种分析以及其仿真，帮助开发人员在产品制造为成品之前全方面的了解产品的各项性能特点。在这方面做得比较好的软件有: Altair HyperWorks、Atlair HyperMesh 、ANSA 、DassaultSystemes S.A Simulia 、MSCAdams 、ANSYS 、MATLAB/Simulink、AutoDesk 3DSMax、AutoDesk Inventor。

随着现今各家软件公司的不断整合设计，许多其他CAX 技术基本上都整合到了CAD/CAE两大平台软件之中，作者在此不对其余CAX 技术做过多的介绍。

2.1 主要CAD 软件

2.1.1 AutoDesk Alias

关键词：前处理工业设计 AutoDesk Alias是一款工业造型设计软件，它主要的服务对象主要是那些从事产品早期设计的设计师。相较于一般的CAD 软件，Alias 更偏向于是一款CAS 软件，它在曲线曲面处理上速度快，能够满足产品概念或草图阶段的模型建立。同时，这款软件与常用的CAD 软件如AutoCAD 等有软件接口。

2.1.2 AutoDesk AutoCAD

关键词：广泛适应性 AutoDesk AutoCAD是一款标准的CAD 制图软件，目前在全世界范围内拥有非常广泛的知名度。几乎只要涉及到制造业，AutoCAD 都有着不少的应用。此款软件在二维制图上有着强大的功能，设计人员无需懂得编程即可使用它绘制各种类型的图纸，故它在土木建筑，装潢装饰、工业制图、工程制图、电子工业等领域有着广泛运用。

2.1.3 PTC ProE/Creo

关键词：参数化装配设计 PTCProE/Creo是一款参数驱动的直接三维建模软件，其用户界面良好，内部提供了很多与其他CAD/CAE软件的接口，故兼容性较好。这款软件内置有CAE 模块，在完成基本的三维模型建立之后即可使用内置的仿真模块进行一些简单物理学分析。目前在国内，这款软件因其参数化建模的特点（模型方便修改）有着较广泛的应用范围，使用人数较多。

2.1.4 Dassault Systemes S.A SolidWorks

关键词：界面友好易上手 SolidWorks 是法国达索软件公司旗下一款三维建模软件，它最大的特点是用

户界面友好容易上手，并且拥有众多的标准件库可供开发人员使用，并且它绝大部分参数支持我国国标。不过这款软件在曲线处理以及曲面成形上较为弱势，故一般面向中低端的工业市场和教育市场。

2.1.5 Dassault Systemes S.A CATIA

关键词：功能强大曲面建模 CATIA 目前在国内的车企几乎是全面使用，在全世界范围内其在汽车制造领域同样是广泛运用。作为一款CAD 软件，CATIA 具有强大的创成式曲面建模，在处理汽车车身上复杂曲面有着得天独厚的优势，同时CATIA 还内置了一款产品所有开发生产周期会用到的所有CAX 处理，上从草图建模，下至分析模拟，最后到组装维护均有对应的模块进行操作。

2.1.6 Simens Unigraphics NX

关键词：功能强大实体建模 UG NX是一款德国西门子公司旗下的三维建模软件，与CATIA 相似，其在全世界范围内同样有着广泛的运用。此款软件在实体建模的能力上较强，也具有不错的曲面建模能力，目前在国内主要用于大型汽车、其他大型机械的数模建立，尤其在加工模具设计上应用较广泛。

2.2主要CAE 软件

2.2.1 Dassault Systemes S.A Simula

关键词：Abaqus 非线性 Simula 是法国达索软件公司旗下一款有限元分析软件，其重要组成模块是Abaqus 。Abaqus 在全世界范围内公认是处理高度非线性系统有限元分析的最强软件，与此同时这款软件在业界内相对于其他分析软件拥有更全面的分析能力，小到单一零件的力学分析大到整个系统的分析，它均能够胜任，所以对于整车分析来说，abaqus 是必不可少的软件。

2.2.2 ANSYS

关键词：有限元多领域 ANSYS 是一款国际知名度很高的有限元分析软件，其主要的优势在于多场耦合系统的分析处理。它所涉及的领域非常广泛，可以处理电学、声学、流体、结构、磁场等等领域的系统分析，不过在处理非线性系统的能力上不如Abaqus 强大。

2.2.3 HyperWorks/HyperMesh

关键词：前处理 HyperMesh 被工程行业人士成为前处理专家。在进行有限元分析之前对模型进网格划分，HyperMesh 能够做到精密而底层的控制。目前汽车领域九成以上的从业人员采用HyperMesh+Nastran的软件组合处理实际工程问题。此款软件也相当于一款“万金油”软件。

2.2.4 MSC Adams

关键词：运动仿真 Adams 是一款机械多体动力学分析软件，其实质是一种虚拟样机分析软件。它内置有求解器，可以针对虚拟的样机模型进行力学和动力学分析，进而输出位移、速度、加速度数据曲线。在汽车领域中，AdamsCar 模块经常被用来进行样车的操稳性、制动性、平顺性仿真分析。总体来说，Adams 适用于机械的运动分析。

2.2.5 ANSA

关键词：前处理多接口 ANSA 与HyperMesh 的作用相同，都是一款有限元前处理软件，但是在处理效率上相较于HyperMesh 更加的快速。其主要的特点是软件操作步骤精简，同时对网格的划分更加精确，对三维模型软件的接口也比较丰富，故其在汽车领域中的应用非常广泛。

3 汽车领域数字化开发技术未来发展趋势

在2016年6月第七届全球汽车论坛上，众多来自海内外汽车行业风云人物曾一起对汽车行业的发展问题一起进行深入的探讨，最终达成了许多共识。其中，汽车未来的发展趋势会紧密围绕：电气化、智能化、网联化、轻量化，汽车产业在今后10年的变化可能会超越过去的50年。

从汽车产品的发展趋势可以反过来看汽车领域数字化开发技术的未来发展趋势，综合各方面因素来看，可以大致概括为以下几点：

(1) 数字化开发软件将首先实现全面网联化，即从汽车设计阶段开始一直到

汽车产品成品的制造，整个过程采用全数字化的设计，进一步缩短汽车

产品的开发周期。

(2) 高度集成化的数字化开发技术软件将会普及整个汽车行业，其能力除最

基本的CAX 、仿真分析、生产管理等方面外，还将能兼顾企业从决策到

企业内部技术、工艺、管理乃至用户的反馈信息，能够极大地提升汽车

企业的市场反应速度。

(3) 虚拟技术将进入整个数字化开发流程，将传统的数字化仿真技术升级到

可视化图形化的仿真技术，进一步帮助设计人员直观地发现产品设计过

程中的问题，同时可以帮助企业潜在用户更真切地体验产品，以此在市

场中保持强有力的竞争优势。

参考文献

[1] 中国汽车工程学会. 中国汽车技术发展报告2016[M]. 北京理工大学出版社, 2016.

[2]张朴. 汽车计算机辅助开发技术[M]. 北京理工大学出版社. 1999

[3]黄金陵. 汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社.2015

[4]崔岸. 汽车车身CAD/CAM[M]. 机械工业出版社, 2012.

[5] 王望予. 汽车设计[M].北京：机械工业出版社.2017

[6] 陈超祥, 胡其登.SOLIDWORKS 零件与装配体教程[M].北京：机械工业出版社.2016

[7] 吴光强, 张曙. 汽车数字化开发技术[M]. 北京：机械工业出版社.2010

[8] 白木, 子荫. 全数字化技术及其在汽车工业中的应用[J]. 汽车与社会, 2003(Z3).

[9] Dassault Systemes S.A 官网：https://www.3ds.com/zh/products-services/

[10] MSC软件公司官网：http://www.mscsoftware.com/products

[11]Altair HyperWorks官网：http://www.altairhyperworks.com/product/HyperMesh

[12] ANSYS 官网：http://www.ansys.com/products