基于NX的汽车视野检测工具开发及方法研究汽车工程专业.docx

提 要 “基于 NX 的汽车视野检测工具开发及方法研究”针对目前汽车安全问题的不断提升和汽车企业缩短产品开发周期的需求，借助在现代车身设计中广泛应用的计算机辅助设计，在 UG/NX 开发平台上，运用 UG/Open API、UG/KF、UI Component 等二次开发技术，完成了汽车驾驶员 360°范围内视野检测工具的开发，并对车身 C 柱和发动机罩的局部检测方法进行了研究。 本文开发的汽车整体视野检测工具是在车身概念设计阶段，对已满足基本法规标准的车身设计模型进行前、后、侧及立柱四部分的直接视野检测，然后输出相应的测量值用于视野的评价。之后，文章又介绍了 C 柱和发动机罩这两个车身部件的视野检测工作，并对其视野检测方法进行了研究。 本文通过研究汽车视野检测，讨论了基于 NX 的二次开发技术在车身设计中的应用，这种方法能够简化车身设计中的重复工作，从而提高车身的设计效率和设计质量。通过对所开发模块的测试，其测试结果验证了模块的实用性， 也充分体现了该设计方法的优势。 本文讨论的汽车视野检测工具及方法已经得到相关企业的使用认可，并在实际设计中得到了应用。 关键字：汽车，视野，NX，检测 目 录 II 第一章 绪论 1 1.1. 概述 1 1.2. 现代车身设计方法 1 1.3. 本文研究的意义及国内外现状 4 1.3.1. 本文研究的意义 4 1.3.2. 本文的国内外研究现状 5 1.4. 本文研究的主要内容 6 1.5. 本章小结 7 第二章 基于NX的车身开发关键技术 9 2.1. UG/NX软件简介 9 2.2. 二次开发技术—UG/Open API 10 2.3. 知识熔接技术—UG/KF 11 2.3.1. 知识熔接概述 11 2.3.2. 知识熔接语言 13 2.3.3. 知识熔接语言的语法实现 14 2.4. 全新的界面技术—UI Component 15 2.5. UDU(Unified Development Unit)开发环境 16 2.6. 本章小结 17 第三章 汽车视野设计的基本理论 19 3.1. 任意驾驶位置时H点的位置线 19 3.2. 驾驶员眼椭圆与眼点 20 3.2.1. 眼椭圆的概念及定位 20 3.2.2. 眼点和头部转动点的确定 24 3.3. 驾驶员视野和盲区 26 3.4. 整体视野检测工具的设计原理 27 3.4.1. 地面线(Ground Line)的定义 27 3.4.2. 眼点的定义 28 3.4.3. H点及车身截面线的定义 31 3.4.4. 整体视野检测的内容 31 3.5. 本章小结 39 第四章 整体视野检测工具的开发 41 4.1. 设计目标 41 4.2. 设计流程 42 4.2.1. 软件开发的一般流程 42 4.2.2. 整体视野检测模块的设计流程 44 4.3. 程序的实现 48 4.3.1. KF与UI Component界面技术的结合 48 4.3.2. KF与UG/Open API的结合 49 4.4. 界面设计流程 51 4.5. 模块功能的具体实现 51 4.5.1. 视野检测的CAD操作 51 4.5.2. 视野检测的核心算法 53 4.6. 模块测试结果 55 4.7. 本章小结 59 第五章 局部视野检测方法研究 61 5.1. C柱视野研究 61 5.1.1. 方法介绍 61 5.1.2. C柱处摩托车可见性研究 62 5.2. 发动机罩视野研究 67 5.2.1. 方法介绍 67 5.2.2. 发动机罩视野设计过程 67 5.2.3. 极值点求作方法 70 5.3. 本章小结 71 第六章 总结与展望 73 参考文献 75 摘 要 I Abstract V 第一章 绪论 1.1. 概述 随着国民经济的蓬勃发展，汽车已一跃成为当前极为重要的交通运输工具。汽车工业在带动其他各行各业的发展中，也已日益显示出其作为重要支柱产业的作用。在扩大汽车的服务领域和满足各方面多样化要求的前提下，作为汽车上三大总成之一的车身，已后来居上越来越处于主导地位。综观世界汽车工业沿革，可以看出，现代汽车是沿着“底盘”－“发动机”－“车身”逐步发展完善过来的。这个发展过程不以人们的主观意志为转移，而在很大程度上取决于当时的科学技术水平和物质生活条件。由于汽车与人们的日常生活息息相关，为了适应各种不同目的和用途乃至车辆的更新换代等，其关键在于车身。 国内外汽车生产的实践一再表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身；在基本车型达到饱和的情况下，只有依赖车身改型或改装才能打开销路。凡此等等都足以说明，汽车工业发展到今天成为重要的支柱产业，重中之重非车身莫属[1]。 汽车车身设计涉及诸多学科，它是一种技术密集和劳动密集相结合的产品。在汽车车身的开发过程中，空间关系和约束关系复杂，实现方法和评价指标模糊，设计方案具有多解性、经验性和综合性的特点。对于汽车企业来说， 为了能够迅速及时地开发出满足顾客需求的新车型，就必须改进传统的设计方法，在车身开发方面采用先进的设计制造技术，从而达到提高车身设计效率， 缩短车身开发周期的目的。 1.2. 现代车身设计方法 现代车身设计通常分为概念设计(Concept Design)和工程设计(Engineering Design)两阶段来进行。目前越来越多的设计方法被应用到概念设计阶段，如 6 CIMS(Computer-Integrated Manufacturing System)、FMS(Flexible Manufacturing System)、VM(Virtual Manufacturing)等。在车身设计的全过程中，概念设计的作用十分重要。通过概念设计基本上就能确定车身的结构形式和参数，这些参数直接影响后续设计的正确性和周期，减少重复设计。而且，概念设计的成本约占总设计成本的 70%，对整车成本构成的比重影响较大。在这一阶段中， 其设计变动是最容易的，花费也是最少的，而对产品成本的影响却是最大的。而且，通过多个领域的共同参与，提出相关的建议或意见，对设计进行反复修改，就可减少或避免后续返工。此外，还能更早地和更准确地预测产品成本并考虑诸如产品成本的优化等问题[2]。 图 1.2-1 所示为现代车身结构设计流程图[3]。 图 1.2-1 现代车身结构设计流程图 现代车身设计提出并采用并行工程进行协同设计的方法。并行工程要求设 第一章 绪论 计过程的并行和集成，是一种以工作空间的展开换取工作时间缩短的方式来处理复杂系统的方法。与传统的串行方式相比，使用并行工程进行协同设计的方法缩短了对复杂问题交互式求解的周期，能够促使设计者尽快设计出令人满意的产品。这种方法在设计的早期就考虑车身的可制造性、可装配性、可维护性， 能够有效地降低车身产品重新设计的次数，缩短车身开发周期，提高设计质量， 降低设计成本。对于车身部件来说，设计过程包括如下设计活动的集成：满足性能要求的车身结构设计方案可以为工艺设计接受和共享；在结构设计中能够考虑到制造过程对产品的约束，并对产品进行可制造性分析和评价；工艺设计能对结构设计提出反馈意见，对设计进行恰当的修改。 计算机辅助设计(CAD)是应用计算机进行设计信息处理的总称，它的核心任务是建立数字化模型。在国际汽车工业中，自上世纪 60 年代起即开始采用CAD。它改变了传统的产品开发模式，在新车型投入试制前，加入了图面检查、性能预估和结构分析，提高了设计的可信度，减少了产品开发过程中试制和实验验证的反复次数，从而降低了产品研制费用，缩短了产品开发周期，提高了产品质量。国内汽车工业在上世纪 70 年代也开始将计算机用于汽车设计， 如用有限元计算车架强度，它大大地加快了我国汽车工业发展的步伐。 CAD 在汽车设计中的广泛应用，使得现代车身结构设计过程呈现以下特点： (1) 设计与分析并行：车身结构分析渗透于设计的各个阶段，从开始的构造选择，为结构设计提出具体的性能参数要求，到设计方案的比较确定，设计方案的模拟实验。此试制而成的样车只需一定的验证即可定型，使车身研制周期大大缩短。 (2) 优化思想存在于设计各阶段：为达到轻量化、舒适性、安全性的要求， 必须在设计的开始阶段就引入寻优思想，并贯穿于整个设计阶段。 (3) 大量的虚拟实验代替实物实验：虚拟实验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟实验一方面减少了设计的盲目性， 另一方面易于及早发现设计中的问题，减少了设计成本，缩短了开发周期，形成了汽车车身开发的新思路[4]，如图 1.2-2 所示。 图 1.2-2 汽车车身设计新思路 1.3. 本文研究的意义及国内外现状 1.3.1. 本文研究的意义 当今汽车工业的高速发展，使人们越来越重视汽车安全问题。美国联邦机动车安全法规(FMVSS)把汽车安全分为主动安全、被动安全和事故发生后的安全性。其中主动安全包括了汽车视野、汽车灯光、驾驶操作性、操纵稳定性、汽车制动性、汽车轮胎和轮辋等。首当其冲，汽车视野安全在整个主动安全性中占有相当重要的地位。汽车视野性能直接影响到汽车的行驶安全性、乘坐舒适性及操作方便性，是汽车车身总布置设计过程中的一个重要环节[5]。 随着汽车日益深入人们的生活，人们对汽车各项性能的要求也不断提高。不仅要求汽车具有优美的造型、良好的动力性、经济性和可靠的操纵稳定性， 而且越来越要求有较好的视野性能。这就要求车身设计人员在汽车车身总布置过程中充分应用人机工程学要求，合理布置空间和操纵机构，使大部分驾驶员能在一定条件下以最舒适的坐姿获得最方便的操纵环境和最好的视野性能。因此，汽车视野检测工作在汽车车身内部布置设计中具有举足轻重的作用。在初期车身内部布置进行此工作，不仅能判断驾驶员视野性的好坏，而且能根据检测结果及时评价和发现初期内部布置是否合理，以便及时更改设计尺寸。 应用计算机来辅助汽车设计制造是现在流行的设计方法。但是，国内的计 第一章 绪论 算机辅助设计很多还局限于比较简单的应用，其效率是相当有限的。软件的二次开发能很好的解决这个问题。它一般是针对具体问题的需要，选择适合的开发平台，然后根据专业需要开发出专业性更强的软件。本文以 UG/NX 软件为二次开发平台，进行汽车视野检测工具的设计与开发，并对局部视野检测方法进行了研究。UG/NX 软件是当今世界上最先进和最紧密集成的，面向制造行业的 CAD/CAE/CAM 高端软件。它在汽车设计领域的优势是显而易见的。然而，虽然 UG/NX 软件在国内汽车设计方面应用已较广泛，但是目前还没有较全面的 NX 版本的视野检测专用软件。而且这也正是当今各大汽车设计部门研发的重点方向之一。 因此，开发专用于汽车视野检测的计算机辅助软件是很有应用价值的。 1.3.2. 本文的国内外研究现状 由于汽车视野在汽车主动安全中所占的重要地位，使得各汽车制造厂家和研究机构投入了大量的技术来研究汽车视野及相关性能。其中，美国、日本和欧洲在汽车视野方面的研究走在了世界的前列[6]。在日本，开展视野研究工作已有很长时间，研究也相当全面，其研究领域涉及医学、生理学、心理学等学科，并且充分地把视野研究与这些学科结合起来，从各个不同角度来研究汽车视野。美国的视野研究工作则是着眼于如何快速获得车辆行驶时的有关信息， 所以他们十分注意驾驶员对仪表板上所示信息的易读性，以及转向盘对驾驶员造成的相对于仪表板的视野障碍。显示仪表的易读性则是由判断时间，误读率与显示方式的关系决定的。欧洲的视野研究则更为直接，其研究重点是车辆静止时，驾驶员