近年來,世界汽車制造業市場競爭日趨激烈,為迅速適應市場變化的需求,國外汽車廠家將現代信息技術和先進設計方法應用于新車型研發中,以求縮短研制周期﹑提高質量和降低成本。隨著計算機在設計中的應用發展，以計算機技術、仿真技術和信息技術為支撐的虛擬裝配技術也在汽車產品的研發中得到應用。

　　1虛擬裝配技術

　　1.1概述

　　虛擬裝配(virtual assembly VA)是產品(汽車)數字化工程中一個極其重要的環節,在虛擬現實技術領域和過程仿真技術領域中得到了廣泛的應用研究。到底什么是"虛擬裝配"?至今仍然是學術界討論的熱門問題之一,其內涵目前仍沒有統一的定義,許多學者從不同的角度進行了探索,并給出相應的定義,比較有代表性的有兩個:(1)虛擬裝配是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程,是有效分析產品設計合理性的一種手段。該定義強調虛擬裝配技術是一種模型重新進行定位﹑分析過程;(2)虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產品三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產品的可裝配性。該定義著眼于產品物理裝配過程的仿真過程,體現的思想也是一種分析過程。

　　很明顯,它們強調的方面是不同的,但是作為一項新概念和新技術,它的提出與實施,必須與具體行業的設計特性相結合才具有實際的操作意義,才能具有真正的應用內涵。因此,結合汽車研發的特點,給出如下的定義:虛擬裝配是實際裝配過程在計算機上的本質體現,即在計算機上完成產品(汽車)零部件的裝配建模,進行計算機裝配、干涉分析等多次協調的設計過程,并通過統一的產品數據管理(product data management)實現汽車三維研發過程與汽車零部件制造、裝配過程的高度統一。它和CAD技術相結合,可以解決設計與裝配對象在研發過程中難以實現的動態性能。

　　虛擬裝配雖然被定義為一種技術,實際上是許多相關技術的綜合和利用,例如可視化技術、仿真技術、決策理論、裝配和制造過程的研究等等。它在實際應用中應考慮下面3個問題:(1)虛擬裝配技術如何使工程設計、加工、裝配、維護等得到關于裝配問題的綜合觀察;(2)虛擬裝配系統如何幫助工程研發人員做出正確決策;(3)如何實現虛擬裝配和工程設計支撐系統及制造系統間的信息準確傳遞。

　　1.2虛擬裝配基本思想

　　在汽車研發中,按照與實際裝配各個階段的關系,可將虛擬裝配技術分成三類,即以設計為中心的虛擬裝配,以過程控制為中心的虛擬裝配和以仿真為中心的虛擬裝配。

　　1.2.1以設計為中心的虛擬裝配(design centered virtual assembly)是指將產品(汽車)的三維數字化定義應用于產品(汽車)研發過程中,結合產品(汽車)研發的具體情況,突出以設計為核心的應用思想。

　　1)面向裝配設計(design for assemble,DFA)在設計初期把產品(汽車)設計過程與制造裝配過程有機結合,從設計的角度來保證產品的可裝配性。引入面向產品裝配過程的設計思想,使設計的產品具有良好的結構,能高效地進行實際裝配,能在產品研發的初期使設計部門與制造部門之間更有效地協同工作。

　　2)自頂向下(Top-Down)的并行產品設計(concurrent product design,CPD)。分布在不同地點,不同部門的多個產品開發組(integrated product team,IPT)以產品(汽車)為核心的設計思想,從不同角度、不同需求出發進行協同地并行設計,從一開始就考慮產品從概念設計直至消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響,把一切可能產生的錯誤和矛盾盡可能地及早發現,通過自頂向下的并行產品設計分層次地建立統一的產品動態虛擬樣機。

　　3)與主模型(master model)相關的可制造性設計和可裝配性設計。產品(汽車)研發不同階段的主模型提供了一個面向設計群體的虛擬裝配設計環境,使得每個設計產品能有效地控制在可裝配的范圍之內,以不同階段的主模型為核心,可以保證產品研發不同階段裝配模型數據結構的完整性和一致性,保證參與產品(汽車)研發的各個部門可以協同工作,實現CAD/CAE/CAM系統的高度集成,有效地提高產品(汽車)可制造性和可裝配性。

　　1.2.2以過程控制為中心的虛擬裝配(process centered virtual assembly)主要包含以下兩方面內容:實現對產品總體設計進程的控制;(2)過程控制管理。

　　1.2.3以仿真為中心的虛擬裝配(simulate centered virtual assembly)是在產品(汽車)裝配模型中溶入仿真技術,并以此來評估和優化裝配過程。其主要是用來評價產品可裝配性。

　　1.3虛擬裝配設計流程

　　在汽車部件級產品研發中,如在液力變矩器研發過程中,根據液力變矩器這一特殊產品自身的特點,可以將虛擬裝配技術應用于其研發的過程劃分為3個階段(總體設計階段、基礎設計階段、詳細設計階段),通過對3個設計階段的控制,實現對液力變矩器研發進程的控制。虛擬裝配技術設計流程如圖1。

　　圖1 虛擬裝配技術設計流程

　　1)總體設計階段。為產品(液力變矩器)研發的初期階段,完成初步的總體布局,主要包括:建立產品(液力變矩器)主模型空間;進行產品(液力變矩器)初步的結構、系統總體布局。

　　2)基礎設計階段。為產品(液力變矩器)研發的主要階段,基本完成產品(液力變矩器)的零部件裝配建模設計,主要包括:產品(液力變矩器)零部件模型空間分配(虛擬裝配區域、虛擬裝配層次的劃分);具體零部件模型定義,包括建立三維實體模型和裝配約束;進行靜態干涉檢驗,保證產品(液力變矩器)零部件三維模型干涉自由。

　　3)詳細設計階段。為產品(液力變矩器)研發的完善階段,完成產品(液力變矩器)裝配建模的最終設計。主要包括:完成產品(液力變矩器)裝配建模的最終設計;進行產品(液力變矩器)零部件三維模型的最終虛擬裝配;進行動態干涉檢驗,保證產品(液力變矩器)零部件三維模型無干涉。

　　2工程應用研究

　　2.1硬、軟件環境

　　硬件:IBM M Pro圖形工作站。

　　軟件:CATIA V5R10 SP4及其支持環境。

　　2.2某型轎車液力變矩器虛擬裝配技術應用

　　1)建立主模型

　　在虛擬技術裝配技術應用于整個產品(液力變矩器)研發的全過程中,主模型可以保證產品(液力變矩器)零部件數據結構完整一致,實現CAD/CAE/CAM系統的高度集成,為協同設計和并行工程打下良好的基礎,這也是實現自頂向下設計的前提條件。

　　2)裝配層次劃分

　　液力變矩器是由具有層次關系的零部件組成的復雜系統。體現在虛擬裝配中,一個裝配體(assembly)可以分解散為若干個零件(part)和子裝配體(subassembly),一個子裝配體又可以分解為若干個更下一層的零件和子裝配體。這個過程實際就是一個自上而下的設計過程。在液力變矩器結構設計應用中,通過分級式多叉樹狀結構來描述,即按零部件間設計的邏輯依附關系來確定各模型間的父子關系,從而實現裝配設計層次的劃分,見圖2。

　　圖2 液力變矩器裝配結構樹

　　3)立裝配約束

　　裝配約束管理包含對液力變矩器設計中幾何模型間的關系進行控制和管理,這一機制徹底克服了自由建模的無約束狀態,能確保設計的模型具有設計師所定義的約束的關系,如平行、共軸或共面等。通過約束管理,可使液力變矩器設計或改進、改型設計等重復過程中零部件模型特定的裝配關系得以保存,而與對模型所進行的修改無關。圖3為建立裝配約束后的液力變矩器沿軸向的爆破圖。

　　圖3 液力變矩器裝配爆破圖

　　4)干涉分析

　　裝配設計完成后,需要進行靜態干涉檢驗和動態干涉檢驗。靜態干涉檢驗是對產品(液力變矩器)零部件設計進行評估,在確定裝配結構和總體設計后,進行零件細化設計,在裝配過程中靜態檢驗零部件之間的干涉、間隙等,并根據檢驗結果對零部件進行設計修改,從而得到正確的設計;動態干涉檢驗是對產品(液力變矩器)可裝配性進行評估,在產品裝配過程中,根據零部件的裝配路徑、裝配關系和約束條件,進行裝配姿態調整、修改,直到得到正確的設計。

　　3結束語

　　通過在液力變矩器研發中應用虛擬裝配技術,為液力變矩器后續的機構運動仿真及動力學分析、有限元建模及強度模態分析、內流場模擬及液力傳動分析等計算機分析研究奠定了堅實的基礎。可以預見,虛擬裝配技術將從根本上改變傳統的產品研發模式,其目的是研究虛擬產品模型的建立和虛擬裝配環境的建立,并將其應用于實際產品的研發中,對實際產品的性能和可裝配性等進行評價,從而達到全局最優,以縮短產品研發周期,降低成本,提高產品快速響應市場變化的能力,獲得最大的經濟效益。