车身数据化同步设计平台及数据管理分析

车身数据化同步设计平台及数据管理分析

吴蕾菲

安徽江淮汽车集团股份有限公司乘用车公司商务车研究院   安徽合肥  230000

摘要：车身数据管理技术是实现新产品开发和设计的重要技术手段，对于汽车企业创新能力的提高，企业研发设计能力的增强，具有十分重要的意义。本文针对目前汽车制造过程中车身设计分析问题进行了介绍，并给出了优化技术路径。通过数据分析与建模方法建立车身同步设计模型，结合模型的实时状态进行优化计算，得到优化效果。实现产品开发阶段数据管理系统与产品制造过程数据同步，保证了车身同步设计平台的高效运行和系统集成效率。

关键词：同步设计；车身设计；数据管理

  汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，随着国家对汽车产业投入的不断增加，以及汽车产业市场竞争越来越激烈，我国汽车企业面临着巨大的压力，企业必须提高研发设计能力，从而才能获得更大的市场竞争力。而汽车研发设计过程中，很多环节需要数据同步，而汽车制造数据包含整车制造生产过程中所产生的所有数据包括外观设计数据和整车质量检测数据，由于整车生产过程中各个环节存在相互依赖，存在设计与制造间数据相互匹配等问题，导致设计与制造间沟通不畅，无法实现整车产品的实时生产与改进。而实现汽车车身数据同步模型，对于实现汽车智能制造与管理以及整车产品开发水平至关重要。

1.车身同步设计

1.1数据获取

车身结构设计是通过装配所完成的，因此，在装配过程中收集车身的图纸和相关参数是确保同步设计顺利进行的关键环节之一；通常情况下，采用 CAD软件对汽车模型进行动态更新来获取车身数据库，从而实现车身模型及其参数的同步并能够对车身进行实时建模。车身数据信息主要包括车身尺寸、几何参数、整车装配质量数据、车身结构参数等。其中整车尺寸数据主要包括整车外型尺寸数据和整车结构形式数据，如尺寸、动力总成规格、碰撞安全装置及车身结构强度等信息参数数据,对其进行整理、分析、存储和管理。同时对整车进行模型设计优化并对其进行优化。根据汽车生产工艺中对车身各零部件进行几何尺寸、工艺参数等相关参数要求采集产品三维渲染数据，以获取准确数据。然后对数据进行格式转换及导入工作后输出用于分析和建模以保证不同车型之间车身结构和部件结构数据保持一致与相互一致。

1.2数据库的建立

在产品开发过程中，在车身原型设计阶段，基于 CAE/CAE (Control Automatic Design Event Control, CAE)技术的 CAD/CAE数据同步技术对开发人员及平台软件进行配置和管理，达到数据同步要求后即可使用。CAE/CAE/CAE是基于 Workplace Maps开发工具包搭建的车辆模型集成开发环境,是车辆数据开发中重要步骤之一。数据同步需要从基础数据库中获取车身设计文档(Product Design Model Scale)内容及结构化文件。其中，数据库可分为基础数据库、标准数据库等2类,基础数据库是指对车辆外观、悬架、转向、制动、动力等功能部件进行参数化配置所建立起来的电子数据库记录内容、操作规则以及使用方式目录等内容组成。其作用是对整车设计方案作出基本描述、计算数据进行存储和计算分析。此外，还可以根据功能需求对数据进行相应处理以满足未来开发需求。

1.3同步建模技术

通过对车身数据采集中不同来源、不同模型参数建立数据分析模型时，会出现不同模型之间存在耦合问题，若存在不同模型间的交互计算，可能导致数据不一致、不正确或错误信息等问题。因此，同步建模技术是保证车身数据同步和整车建模一致的关键环节之一。与传统建模技术不同，车身结构建模具有实时性强、建模质量高、建模周期短等特点。车身建模过程包含了整车模型创建、结构建模、测量建模等步骤，这一过程需要应用到多种建模方法中: Python作为通用工具，具备了处理 CAD/CAD/CAE、 MTB等多种建模功能；利用 CAD/CAM等建模软件建立多个整车结构模型；将各结构模型数据传输至 CAE/CAD/CAM软件中对车身进行建模。在车身结构建模过程中应用了三种建模方法:（1）基于属性模型的建模方法。（2）基于几何分析方式建立车身结构模型。（3）基于 VBA系统。（4）基于模型技术。（5）基于交互语言等实现车身参数同步功能。由于生产过程中车辆零部件数量众多且种类复杂、尺寸不一等问题难以得到有效解决，因此在建立各种标准模型时通常采用动态数据处理算法进行匹配。对于复杂而动态且难以获取真实物理参数的异构场景可采用动态数据分析建模技术。

1.4关键部件连接的实现与确认

同步设计平台的关键部件连接可由功能模块完成，并将数据传输到系统，以便在系统中显示。首先定义一个完整的系统节点，然后连接到所需的任何一个核心组件。在此基础上建立相关逻辑关系，形成最终产品模型。然后在此模型中创建组件，当装配完成时返回特定的结果。将所有输入模块转换为相应的映射关系。之后通过配置文件建立每个组件的位置及其相关数据，并与对应零件进行匹配来完成所有属性的转换工作以及部件连接。该接口可保证车身关键部件数据同步，以避免与其他零部件重合形成失效。

2.优化技术路径

2.1建立同步模型

首先要建立同步数据模型，此模型主要针对同步设计中使用的关键参数进行设计建模。同步模型一般分为两种：一种是基于理论运算的同步模型；另一种是基于建模方法或其他统计方法建立的模型；还有一种是基于设计方案分析的同步模型类型：即基于设计模型中计算数据进行统计和分析得到设计结果时所采用的模型，该模型是基于模型预测出的最优路径方案。另一种是基于设计逻辑提出的同步数据计算模型。这种模型主要包括三个部分内容：一是基于建模方法研究出是否存在最优解；二是分析不同模式下设计模型的最佳匹配最优解决方案；三是考虑系统未来可能出现异常的设计过程和预测分析结果之间是否存在差异及相关影响因素等结果；三是考虑同一问题如何处理；四是当不同类型问题发生时将会如何处理；五是模型可预测性与现实计算过程是否一致；六是匹配问题预测是否合理；七是最后得出优化策略；八是如何保证实验结果是合理和正确的。同步模型一般包括五个基本环节：选择、拟合、预测、优化、验证与评估。同步匹配模型可以通过三个步骤得到优化目标：第一步是建立预测模型；第二步是基于模型求解；第三步是基于模型估计进行优化计算；第四步是以优化结果为决策依据对模型执行过程进行改进形成新模型。本实验主要以上述三个步骤生成最优预测结果为基础建立了相应模型来模拟车身设计工作。即利用设计优化方法获得设计中最优解并进行分析验证后认为最优方案而实施优化过程。

2.2优化设计目标确定

车身设计完成后，车身同步进行第一阶段理论分析。在第二阶段时，会发现在设计过程中发生不一致的可能原因。例如，在计算过程中有几种不同的数据来源出现了错误，导致不同计算结果的不一致的现象，需要对建模过程中可能出现的数据错误进行修正，并确定优化目标。其中一个优化目标就是能够从相同设计路径上降低车辆质量发生变化的可能性；在不同情况下优化计算后可以达到最优选择、优化最优性能目标。基于此优化目标需要综合考虑车身结构设计中存在不一致问题产生原因（不一致）和改进方案存在改进空间两个因素之间的相互作用；从设计平台到实际整车生产应用后是否存在问题；以及最终实现优化效果之间存在的差异等不同因素进行综合分析进行考虑和确定不同路径下优化后最优设计目标组合；因此在第二阶段建模过程中即进行对比发现各方案存在明显优势，但同时存在诸多不足之处。所以需要对优化目标进行进一步改进，以提高其合理性、有效性、准确性、可重复性。在第一阶段设计过程中对问题提出解决方案，并且确定了优化目标；这一阶段优化则为下一阶段优化目标确定提供了依据支撑。因此最终设计目标是为了获得最佳匹配目标及最优解，从而优化生产中所需资源和时间成本。

2.3优化计算方法

根据优化算法的设计目标，我们首先对模型的约束条件进行优化以满足参数目标设置规则要求；同时以数据为依据，利用 Electronic Processing Load 对车身设计建模过程进行优化评价。这是一个具有一定难度的优化算法。为了得到最佳配对目标，本文采用一种优化算法来优化目标与计算结果冲突的结果的处理方法。该算法简单而高效。通过优化算法可以使设计计算结果更加合理，从而更好地实现产品性能设计。这里通过数学建模软件为优化计算提供一种新的解决方案：首先通过优化方法计算每个模型中参数目标的相对值；然后通过一系列优化方法求解满足参数要求的最优参数进行最优优模型选择；然后再通过优化目标得到最优算法模型，通过迭代来实现优化决策的目的；最后将其进行优化最终得到最优控制策略来提高车辆性能。其中前两步是在满足数据计算需求基础上进行优化选择得到最优方案并优化设计计算结果是最重要的一步，其中算法步骤包括如下：首先确定目标参数并建立拟合模型；其次对模型进行自适应调整；再次调整模型参数以求达到理想效果；最后得到优化后的最优设计方案；通过仿真计算验证获得数据后根据优化计算结果优化后再获得参数目标值之间是否一致；以及当参数不一致时我们采取措施来改变参数来避免不一致时可能会发生无法修复或者影响设计结果。此时可根据优化计算来降低设计计算结果的不一致性，同时优化得到设计最优方案为后续工作留出空间。

2.4优化模型评价

基于数据优化理论和算法优化模型，其目的是得到最优结果和最佳路径。基于 Package Scaling机制，利用 Package对模型进行迭代计算和检查模型的有效性，最后得到优化后的最佳模型最优解为：基于参数优化得到模型改进最小化：由于优化模型采用了全局最优权重方法，所以模型得到的优化模型为 Package Package Search Dynamics Engine。本文首先对模型设计过程中未考虑到的一些问题进行仿真试验：主要原因在于车身结构是复杂计算中存在一些不一致设计需求，如异响、疲劳等；同时由于其计算中采用了新一代数据库进行计算并未得到所需结果，因此对于解决这些问题意义不大。在仿真计算中对一些影响较大的问题可通过模型改进而得以解决。在实际设计过程中如有问题存在可以在原模型中进行调整或修改后再进行实验验证；也可以通过设计优化过程发现新问题及解决新问题；当此优化方法未被发现时可考虑采用其他方法。

结束语：

综上所述，本文提出的车身同步设计平台是对传统设计分析模型及其运行方式的改进和突破，其应用可将汽车制造过程中的工艺参数与产品开发过程紧密融合，大大提高了车身同步设计分析工作效率，也对传统的设计分析模式进行了优化与革新。同时结合汽车 CAE/CAE仿真与控制技术对实际运行过程中遇到的问题进行了分析和优化，在保证同步设计方案准确的前提下，提高了用户体验。通过对不同车型进行数据采集并对车身整车进行建模分析，建立了车辆全生命周期的车身设计模型，并结合优化计算得出了优化方案。可实现整车动态仿真功能，缩短了模型创建时间，减少工作量。可以为用户提供实时仿真决策服务。

参考文献：
[1] 尹东. 车身数据化同步设计平台及数据管理[D]. 武汉理工大学, 2009.

[2] 王顺伟. 基于CAN总线的JH625车身控制器研发[D]. 厦门理工学院, 2018.