以信息技术为主导的现代科学技术的迅速发展,推动了全球经济的高速增长,也推动了制造业和产品数字化设计技术的快速发展。制造业是一个国家的支柱产业,制造业的发展水平直接反映出国家经济和科技的发展水平。
传统的制造业在面临巨大挑战的同时,也发生了极其深刻的重大转变,出现了并行设计、协同设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计、职能设计等多种设计方法,数字化、集成化、网络化、智能化也成为了产品设计模式的必然发展方向。
改革开放刺激了我国摩托车工业的迅猛发展,目前,我国摩托车产量已超过1 200万辆,成为世界上最大的摩托车生产国。伴随人类对物质文明和精神文明的不断追求,摩托车工业设计向节能、环护和安全舒适的人性化方向发展,数字化设计技术将成为摩托车工业技术现代化的基础性技术。利用计算机及网络环境技术,以虚拟产品模型为核心,实现摩托车产品的数字化设计,是提高我国新产品自主开发和技术创新能力,缩短开发周期,加速产品更新换代,加快从摩托车生产大国转化为摩托车生产强国的重要手段。
摩托车数字化设计技术需集成现代设计制造过程中的多项先进技术,包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、计算机辅助工业设计(CAID)、虚拟样机技术、逆向工程技术、知识工程技术(KBE)、快速原型制造(RPM)技术、标准化技术等,贯穿产品设计、分析、制造全过程,是一项多学科的综合技术。
传统的产品开发是以实物样车(机)为开发平台,所有零件设计完成后,制造出手工样件来进行试装配,根据样件试装的结果判定设计缺陷,然后再回到设计环节进行修改,如此循环往复。该过程中各设计功能小组之间是相互独立的,各自完成自己的工作,然后进行检验、修改,因此工作的反复性很大,设计周期较长,人力、物力、财力浪费严重。
目前,国内大部分以出口为主的摩托车生产企业仍然采用仿制实物样车(机)的模式进行产品开发,即主要依靠在原型样件的基础上,对样件的标志性特征进行增加或删减,同时转化为二维图样作为进行技术交流的依据,即使有的企业采用了计算机辅助二维绘图,但它只是二维图样的计算机表达式,还不能完全起到指导生产的作用。虽然计算机辅助绘图大大节省了图样修改的时间,但仍然要依靠实物样车(机)进行产品开发。有的企业已经采用三维建模技术对一些复杂产品建立数字化模型,以便于进行CAE分析和CAM加工,但CAE分析手段单一,临界条件设置经验非常匮乏。
2 CAD/CAM/CAE/PDM技术
CAD/CAM/CAE技术是数字化设计与制造技术的核心,是实现计算机辅助产品开发的主要工具。产品数据管理(PDM)技术集成并管理与产品有关的信息、过程,及人与组织,实现分布环境中的数据共享,为异构计算机提供了集成应用的平台,从而支持CAD/CAE/CAM系统过程的实现。PDM是实现并行过程协同工作的重要基础。国外一些先进的机械制造企业,在日益激烈的全球化市场竞争中,纷纷采用了先进的产品数字化设计与管理技术。例如,美国福特汽车公司在1995年就提出了“福特2000计划”,投资上亿美元,旨在采用先进的CAD/CAE/CAM/PDM(C3P)技术,并于1998年推出了第1辆全部采用C3P技术开发的轿车“FOCUS”,开发周期从原来的34个月缩短到24个月。该车型在欧洲和北美市场上的销售量也超过了其他同类车型,为企业创造了巨大的利润。摩托车结构件的传统设计是采用统计、类比和经验相结合的仿制方法。该方法对摩托车结构件缺乏准确分析判定能力已经成为摩托车最高端产品设计的瓶颈。以三维CAD/CAE/CAM为核心的计算机辅助设计、工程分析、辅助制造技术,已成为新产品开发不可缺少的现代技术手段。摩托车制造业在新产品开发过程中广泛的采用三维实体、曲面、实体与曲面混合建模的技术,建立零部件的三维数字化模型,并逐步向全数字样机DMU方向发展。
CAE技术的应用也从关键零部件(如,车架、覆盖件、灯具等)的强度、刚度、模态分析,向整机的工作原理仿真和性能评估分析发展;在CAE分析方法中,结合许多领域的专业知识,形成了专业化的CAE分析评估系统,如汽车、摩托车产品开发中的发动机燃烧分析,NVH分析,悬架刚度、强度及振动分析,整车的动力响应分析,零部件的优化设计、冷却系统的流场、温度场、应力场的多场耦合分析等。
CAM技术的应用已从简单的零件、工装模具的辅助制造,向复杂曲面零件,大型复杂模具三维型面的NC加工、加工过程仿真发展,现代CAM技术成为新产品的试制、工艺工装制造提供了先进的数字化加工手段。
PDM技术是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术,核心是对产品全生命周期进行管理,取得综合效益。该技术有更快的反应速度,更好的质量保证,更优质的服务,更低的成本,更有效的产品型谱建设,能更合理地把握更新换代的切入点。PDM技术可以使企业内各种人员迅速了解企业业务流程,知晓自己在企业的地位,逐渐养成从全局出发考虑其从事的工作的习惯,减少不必要的过程,以实现企业降低成本的目的。
3 计算机辅助工业设计
与其他机械产品相比,摩托车工业的外观设计是摩托车知识产权的重要内容。摩托车百年来的发展已形成公认的几大类型,不同厂家的各种类型的摩托车的外观越来越接近。因此,在设计具有自主知识产权的摩托车时,重点是摩托车的外观形态特征部位,主要指覆盖件、灯具、车座、油箱等用来与其他同类摩托车外观相区分的外饰部位。
摩托车设计时,应根据其使用特点,使摩托车的形体构成符合美学法则,具有适宜的色彩配置、表面质感和肌理,吸取自然美的精华,把握社会时代的审美潮流,创造出符合使用者审美观的外观造型。现在,摩托车外观设计普遍采用的设计流程为:概念草图→效果图→基本车体制作→1∶1胶带图→油泥模型制作→覆膜→定型。由于油泥模型的制作存在制作周期长、成本高、不利于进行多方案比较等困难,加之对环境温度和湿度要求也较高,因此容易产生裂纹或起皱,保存时间不能太长。另外,油泥模型制作与数字化体系割裂开来,需要通过逆向工程建立产品的CAD模型,加之效果设计、油泥制作、数字化设计往往是由不同的人员完成,这将延长设计周期,增加设计误差。采用计算机工业设计技术(CAID)将使这一现状得到改善。
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