目前，隨著CAD/CAM/CAE一體化集成解決方案的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足人們對于產(chǎn)品開發(fā)效率的要求。特別是汽車設(shè)計時，大多需要在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上根據(jù)市場需求進行局部換型和調(diào)整、重組，適應(yīng)性和靈活性較強。若運用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，各系統(tǒng)都是孤立的設(shè)計，可能導(dǎo)致后期總裝各部件時出現(xiàn)嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象。采用自頂向下的設(shè)計方法能較好地解決該問題，體現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計和并行工程的優(yōu)勢。本文采用Top-down設(shè)計方法對賽車進行參數(shù)化設(shè)計，并在原有的骨架模型圖上進行改型設(shè)計。

1 基于Creo的Top-down參數(shù)化設(shè)計

    自頂向下是一種從總體設(shè)計到局部設(shè)計的過程和方法。它首先確定總體思路、設(shè)計總體布局，然后設(shè)計零部件，從而完成一個完整的設(shè)計。

    為實現(xiàn)符合設(shè)計思路的三維設(shè)計，本文采用Creo軟件，考慮了規(guī)范的模型管理，以實現(xiàn)模型間的信息傳遞和結(jié)構(gòu)控制，完成自頂向下的三維設(shè)計。具體來講就是根據(jù)概念設(shè)計布局，然后建立裝配結(jié)構(gòu)樹，再建立總骨架模型，發(fā)布幾何到子組件，最后進行詳細的設(shè)計。設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 Top-down設(shè)計流程

    FSAE賽車為自主研發(fā)，賽車的主體結(jié)構(gòu)、整車配置情況、空間布置等設(shè)計較成熟，外觀如圖2所示。為方便賽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)快速的結(jié)構(gòu)修改，本文提出自頂向下的設(shè)計方法。本研究將車架、前懸掛、后懸掛、轉(zhuǎn)向系、制動系定義為一級組件。這些一級組件下面又包含各自的組成零件。具體設(shè)計流程如圖3所示。

圖2 自主研發(fā)的FSAE系列賽車

2 FSAE賽車Top-down參數(shù)化設(shè)計的實施方案

    賽車總布置設(shè)計時首先確定原點坐標(biāo)系。以橫向通過前輪中心的豎直平面為X平面，以左右對稱面為Y平面，以地平面為Z平面，然后確定軸距、輪距和發(fā)動機輸出點。由于發(fā)動機是外購件，屬于成熟體，只需要它的輸出位置、安裝位置以及整體的大致外觀，因此采用收縮包絡(luò)外部幾何的方式獲取，通過在發(fā)動機的輸出點建立坐標(biāo)系來控制發(fā)動機在整車中的布置位置，同時用該坐標(biāo)系與差速器鏈輪進行位置匹配。另外，關(guān)系到賽車操縱穩(wěn)定性能的所有參數(shù)都是本次設(shè)計的控制要點。為了方便今后在adams中對運動學(xué)分析的優(yōu)化結(jié)果進行實時改進，需要在adams中仿真分析出各項的最優(yōu)參數(shù)，直接賦予相應(yīng)的零件模型。

圖3 具體設(shè)計流程

    2.1 賽車裝配特征樹

    裝配體中各個子系統(tǒng)及其部件之間的關(guān)系構(gòu)成了裝配關(guān)系樹。在建立模型之前，需要先建立好整車總裝配的特征樹。總裝配樹的根節(jié)點為所要建立的整車文件，各子系統(tǒng)為樹型結(jié)構(gòu)的1級子節(jié)點，對于復(fù)雜的總成可能還有2級甚至3級子節(jié)點。父節(jié)點與子節(jié)點之間的關(guān)系由相關(guān)參數(shù)表示，這些參數(shù)包括配合參數(shù)和安裝定位參數(shù)。裝配特征樹不僅列出了系統(tǒng)的組成元件，同時定義了它們的層次關(guān)系。由本文擬定的設(shè)計思路可知，整車以下包含的一級組件有車架、前后懸掛、轉(zhuǎn)向系、制動系、傳動系，二級組件則是各系統(tǒng)的零件。后懸掛子裝配特征樹如圖4所示。另外，車輪、發(fā)動機、差速器屬于成熟體，在建模完成后直接裝配。完成的總裝配特征樹見圖5。

圖4 后懸掛子裝配特征樹

圖5 總裝配特征樹

    2.2 建立布局

    在產(chǎn)品設(shè)計初期，使用Creo中的布局功能，用簡單的2D草繪工具繪制草繪圖，以此描述零件和子組件之間的位置和裝配關(guān)系，明確設(shè)計的意圖。整車布局如圖6所示。在布局中能定義關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，并且為這些相關(guān)參數(shù)建立關(guān)系式，然后將這些參數(shù)與零件中的尺寸相互關(guān)聯(lián)，便可以利用布局控制子組件和零件的相關(guān)尺寸。

    整車布局是實體模型設(shè)計意圖的體現(xiàn)，用于建立尺寸、位置參數(shù)及其相互關(guān)系，以便對三維模型進行數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)管理。本研究將整車參數(shù)控制點體現(xiàn)于布局中，再將關(guān)鍵控制參數(shù)標(biāo)注出來，每標(biāo)注一處即創(chuàng)建一個參變量，并對其賦予初始值。根據(jù)實際需要對這些相關(guān)參數(shù)建立關(guān)系式，然后將這些參數(shù)與零件中的尺寸相互關(guān)聯(lián)，從而達到利用布局控制子組件和零件的相關(guān)尺寸的目的。關(guān)鍵參數(shù)定義完成后將其以數(shù)據(jù)表格的形式體現(xiàn)出來，如表1所示。這樣可以很方便地對各參數(shù)重新賦值，完成對整車的布局。

圖6 整車布局

    2.3 建立骨架模型

    Top-down設(shè)計利用骨架模型來表示裝配設(shè)計的重要元素。建立骨架模型所使用的幾何特征優(yōu)先順序為點、線、面、實體。對于賽車而言，其主體結(jié)構(gòu)屬桁架結(jié)構(gòu)，因此采用線作為骨架模型的基礎(chǔ)特征。賽車分為如下幾大部分：車架、轉(zhuǎn)向系、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)，其中前4個部分采用一級骨架。懸掛系統(tǒng)由導(dǎo)向機構(gòu)、減震組件兩大部分組成，采用二級骨架。設(shè)計的整車主骨架如圖7所示，主要表達的信息是前后懸掛在X方向的布置、發(fā)動機空間劃定、前環(huán)和主環(huán)的位置及外形、轉(zhuǎn)向器和制動踏板的位置等。

圖7 整車主骨架

表1 參數(shù)表

    2.4 設(shè)計信息傳遞

    傳遞設(shè)計信息是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。Top-down設(shè)計的過程其實就是一個數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)管理的過程。實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享在Creo中有許多方法，本文主要采用發(fā)布幾何和復(fù)制幾何的方法。通過在上層的設(shè)計中選擇復(fù)制點、曲線和面等參考基準(zhǔn)，然后將其發(fā)布，這樣下層的設(shè)計通過復(fù)制幾何就能得到適當(dāng)?shù)膮⒖夹畔�。在整車骨架模型建立好之后，即可發(fā)布幾何。在頂層骨架模型中，選擇【模型】>【模型意圖】>【發(fā)布幾何】。發(fā)布幾何如圖8所示。

圖8 發(fā)布幾何

    2.5 建立模型

    各子系統(tǒng)建模的必要參考信息均來自于骨架，因此在建立各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型前需要復(fù)制骨架中的發(fā)布幾何。這里運用“復(fù)制幾何”命令，調(diào)入各子系統(tǒng)所對應(yīng)的發(fā)布幾何即可。然后將發(fā)布幾何作為基礎(chǔ)參考信息建立模型。圖9～13為幾大總成完成后的模型。最終的整車總裝模型如圖14所示。

圖9 后懸掛總成

圖10 前懸掛總成

圖11 轉(zhuǎn)向總成

圖12 差速器總成

圖13 車架

圖14 整車總裝模型

    2.6 產(chǎn)品系列化改型設(shè)計

    完成整車的設(shè)計后，Creo即可依據(jù)骨架模型的規(guī)劃進行變更、改型。當(dāng)設(shè)計變更涉及多個零件的相對位置或整個組件的骨架模型時，可在骨架模型上進行必要的修改。當(dāng)骨架或者布局變動后，組件也會自動再生。同一系列的產(chǎn)品，一般只在尺寸規(guī)格上存在差異。修改布局中的主控參數(shù)，使用總骨架點與子系統(tǒng)骨架點的“再生”命令，將布局中的參數(shù)傳遞到底層數(shù)據(jù)模型中，根據(jù)變化后的骨架特征和實際需求，在骨架中修改其他細節(jié)特征，檢查模型修改不合理的地方，即可完成產(chǎn)品的改型設(shè)計。改進后的參數(shù)如表2所示。初始整車模型與改進后的整車模型如圖15、16所示。

表2 改進后的參數(shù)表

圖15 初始整車模型

圖16 改進后的整車模型

3 結(jié)束語

    本文詳細闡述了Top-down的設(shè)計流程與思路，并運用Creo軟件，通過Top-down的設(shè)計方法完成了賽車整車部件的開發(fā)。整個設(shè)計過程從頂層開始，設(shè)計之初就控制著機構(gòu)的整體設(shè)計目標(biāo)與性能狀況，在設(shè)計過程中不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化和賽車的結(jié)構(gòu)改進，同時為新賽車設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該方法可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，為賽車模塊化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

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