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2、NVH分析·
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3、机构运动分析·
4、车辆碰撞模拟分析·
5、金属板冲压成型模拟分析·
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6、疲劳分析·
7、空气动力学分析·
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8、虚拟试车场整车分析·
9、焊装模拟分析·
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三、CAM在汽车方面的应用·
1、CAM技术发展历程简介·
2、我国CAM技术应用的现状·
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3、我国CAM技术应用过程中存在的问题·
4、CAM技术发展趋势·
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5、对我国CAM技术发展建议·
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参考文献·
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摘要：
我国国民经济飞速发展，CAD技术在大多数设计和生产领域得到广泛运用，例如在制造业、工程设计、电气和电子电路。
对于企业提高设计效率、优化设计方案、减轻技术人员劳动强度、缩短设计周期，对设计和生产领域生产力的解放起到了关键性的作用。
汽车行业是CAD技术最先应用的领域之一，本文针对汽车的的某些制造环节，描述CAD技术在汽车工程中的应用。
CAD技术几乎被所有汽车公司所采用，可以说CAD技术（包括计算机辅助制造、计算机辅助工程分析）的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水平的重要指标。
在我国，汽车企业一直都作为国家和地方的利税大户，同时也是CAD技术应用的先锋。
CAD技术在企业中的成功应用，不仅带来了企业技术上的创新，同时带动了企业经营、管理旧模式的变革。
因此，它对我国传统产业的改造、新技术的兴起，以及汽车工业提高国际竞争力等方面，起到了巨大的推动作用。
冲压艺术、结果设计和制造技术是汽车模具生产技术的集中体现，这些技术的进步主要取决于CAD/CAM/CAE技术的提高。
在汽车模具制造行业，计算机应用技术和数控加工技术正越来越显示出其核心技术的作用。
关键词:
CAD、CAE、CAM、应用、现状、问题、趋势、分析
一、CAD在汽车方面的应用
1、CAD技术在汽车覆盖件模具的运用
车身是汽车的一个非常重要的总成，占汽车车身质量和造价的40%—60%，其设计的好坏直接影响着汽车的使用性能。
车身又决定了汽车外形的美观程度，而汽车外形是消费者在购车时首先考虑的因素，对影响消费者的决策起着关键性的作用。
同时车身还必须有足够的强度和静刚度、良好的动力学性能指标，达到保证成员安全和汽车寿命，抗振抗噪，节约能源等目标。
随着工业现代化中各中技术的发展，其中计算机技术的发展犹为迅猛,CAD已经广泛用于各个社会生产领域,特别是汽车制造业。
汽车工程是我国CAD（计算机辅助制造、计算机辅助工程分析）技术运用最早的行业之一。
汽车是一件复杂的产品,设计开发流程复杂涉及到非常大的工作量,为了能减少开发人员的工作量并把设计融入更多的个性化和标准化并提高汽车产品质量，只有运用CAD技术才能达到这样的效果。
CAD技术在汽车工程中的应用于汽车主要覆盖件模具设计、车身设计、底盘布置设计、汽车轻量化等方面。
CAD技术应用水平是汽车工业现代化的一重要标志，也是一个国家汽车工业水平的重要标志。
CAD技术在七十年代，使汽车覆盖主要模具的曲面造型与实体造型技术发展迅速。
因为CAD技术能适用于复杂模具的设计和制造过程，所以它在在模具的设计和制造方面得到了广泛的应用。
现在汽车实体造型与曲面造型同时具备的系统是通过最新一代的CAD技术设计的。
早期汽车覆盖件模具设计理念相对传统，仅仅只是对汽车模具进行结构设计。
而随着CAD技术引入到模具设计中，这让模具设计的概念也发生了翻天覆地的变化，现代覆盖件模具设计不仅包括模具结构设计还包括覆盖件模具的型面设计。
汽车覆盖件模具结构设计是指除了型面之外的所有模具部件的设计。
在计算机中对汽车模具冲压件的三维设计和工艺补充面的三维设计是汽车模具型面设计，除此之外的汽车模具部件的设计都属于汽车覆盖模具结构设计
我们现在介绍一些CAD技术在汽车覆盖模具设计中的一些技术特点：
1）覆盖件类零件的设计中显现的CAD技术特点
一般覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等几道工序。
第一道工序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。
工艺补充面设计得好坏直接影响到所设计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时间，缩短整个模具的生产周期。
拉延、修边、整形、翻边、冲孔等是覆盖件类零件在生产中的几道关键工序。
例如第一道工序拉延模设计中最重要的是工艺补充面设计。
工艺补充面设计的好坏直接影响到所设计的模具在生产时能否拉出合格的零件，并减少调试模具的时间，缩短整个模具生产周期。
CAD的应用能够让零件制造过程标准化和模式化，以达到加速零件的生产。
2）覆盖件模具结构设计中的CAD技术特点
大型模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模具的外形尺寸也比较大。
模具结构设计一般可分为二维设计和三维设计两种，两种方法各有其优、缺点。
计算机二维设计与手工图板设计相似，属平面绘图，其优点是设计速度快、占用计算机内存小、对计算机硬件配置要求不高，是一种投资小、见效快的方法；
它的缺点是设计错误不易被发现，不能直接用于分析和加工。
三维设计有很多优点，如可实现参数化、基于特征、全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能。
三维设计形象、直观，设计结构是否合理使人一目了然。
同时，三维设计的自动标注尺寸减少了人为设计错误，但三维模具设计目前也存在一些问题，例如：
计算机运算速度低、软件占用硬盘和内存的空间大、模具结构投影线条多、设计速度慢等。
二维设计和三维设计是覆盖件模具设计的两种方式，两种方法各有其优、缺点。
计算机二维设计实际上就是传统手工图板设计，只是区别在于计算机的二维设计使用了计算机作为图纸设计的辅助设备，同样属于平面绘图，这种方式的结构设计优点是设计速度快，对计算机硬件配置要求不高，是一种投资小且见效快的方法，它的缺点也是很大的，就是设计缺陷或错误不易发现，没有办法对设计的结构进行模拟化的分析和加工。
模具结构的三维设计是根据设计要求采用，对产品实现参数化、基于特征、全相关等具体设置，使得产品在设计阶段易于修改，并对设计进行模拟化测试变为可能，同时也使并行的其它工程程序同步进行成为可能。
在现在的汽车工程设计中已实现直接利用三维实体模型进行数控编程加工。
结构面编程结合实体结构为参考，以设计虚拟实体模型为加工依据、型面编程以加工数模为依据，这更好的把握了精准度并节约了数控工时。
在我们的实体设计中可以使用已经建立的模具标准件库、设备库、结构库使设计资源得以共用和重用并可对其设计进行数据标准化设计。
利用先进的数字化分析手段，对模具进行各种模拟和分析，使模具加工、制造、装配问题提前暴露，在设计阶段就有效地避免了错误的发生。
现拉延模、压合模知识模板己成熟应用，大大缩短了模具设计周期，提高了模具设计质量。
同样三维模具设计目前也存在一些问题，例如：
计算机运算速度问题、软件占有硬盘和内存空间大、模具结构投影线条过多、设计速度慢等。
这对设计时的硬件要求较高。
2、CAD技术在汽车车身上的运用
汽车车身是汽车给消费者的第一映像，汽车外形是消费者在购车时首先考虑的因素，对影响消费者是否购买起关键性的作用，同时车身还必须有足够的强度和刚度、较好的动力学性能指标,才能保证驾驶人员的安全和汽车寿命,抗振抗噪,节约能源等达到目标。
由此可以看出车身是汽车的一个非常重要的组成,车身要占去汽车质量和造价的一半,其设计的好坏会直接影响到汽车的使用性能。
CAD技术在车身开发中的应用,使原来的旧模式有了彻底的改观。
车身同样需要以CAD技术三维造型为基础。
设计人员通过与CAD系统的交互,把自己的设计概念模式转化为清晰的计算机中图纸上的“几何实体”,易于优化和改进,提高了工作效率和设计质量。
对于车身的制造和装配方面，很多设计人员能熟练使用CAD技术进行产品的数学建模,而缺乏对汽车车身制造技术的了解,所以这对后续设计出来的产品生产工艺会产生影响。
针对车身生产，在车身设计时使用的CAD系统提供的数据应该从制造环节的实际操作验总结而来，这样能保证设计与制造的完整性和同一性，并且设计时的数据可以直接作为数控机床的输入数据。
多个车型设计或多个部件要交替进行设计,可能产生或使用到多种设计数据，这是在汽车车身设计时常遇到的情况,所以据此引入产品数据管理技术,建立一个统一的CAD工程数据库,这样就能消除车身开发中各部分设计与制造过程所需要的数据之间矛盾或数据冗余,保证车身部件的生产。
3、汽车底盘CAD技术
汽车总布置是汽车设计中重要的一环，对汽车产品质量起决定性的作用。
总体布置采用模块化设计，模块之间互相联系，彼此间可以交换数据。
在进行布置设计时，都是在三维空间内进行，因此必须确定零部件位置，这对建立整车坐标系及总称的坐标系很有必要。
在已建立的坐标系中建立数学模型，用坐标点的方法完成总称装配。
待设计完成后，要进行干涉检查，一般分为位置干涉检查和运动干涉检查。
汽车动力性、操纵稳定性、制动性都是性能分析的重要工作。
另外，汽车总布置CAD系统是以数据库、图形库为基础的，设计过程中产生的一系列数据对于今后的工作会有很大的帮助，节省工作量。
总成图形库存储的是与整车总布置密切相关的零部件，其数据包含了对总成的特征结构和尺寸的描述。
总布置数据库主要包含设计中一些中间参数和数学模型运行结果，具有动态性。
4、CAD技术在汽车轻量化中的应用
汽车减小自重，不仅可以改善汽车的各项性能，还能降低油耗节省资源。
有两种途径可实现汽车轻量化，一种是采用复合材料，另一种是减小汽车结构尺寸。
但不是为了保证汽车具有较高的安全性，采用缩小尺寸的方式必有一个界度。
尽管现如今复合材料已经广泛用于汽车上，但是从整体上来说，还没有完全达到节省资源的目的。
一方面继续研究性能更为优越的轻量化材料，另一方面可以从设计方面入手。
以前CAD系统只能表示实体的几何和拓扑信息，而不能表示材料信息。
一个现代化的CAD系统应该能建立实体内部的材料信息，即在一个实体内有着不同的材料结构。
而许多结构部件要求材料性能在零件内部随位置变化而连续变化，这要做既能满足零件的性能要求，又能节省大量材料。
比如气缸，其内部承受高温，因此可采用耐高温材料——陶瓷，外部要求具有良好的延展性，可采用金属，因此可以实现陶瓷材料和金属基体间的双向扩散，材料组成呈梯度变化。
但是能够同时进行几何设计和材料设计的CAD技术，在国内并没有从理论走向实践，不过这将会成为今后CAD技术研究的新亮点。
5、CAD技术在汽车其它方面上的应用
汽车底盘总布置是汽车设计中重要的一环,对汽车产品质量起决定性的作用。
采用部件模块化设计并且各模块之间互相协调联系,并能进交换数据配合这是传统设计所做不到的。
在进行底盘总布置设计时,设计人员现在都是利用CAD技术在三维空间内进行，建立统一的整车坐标系并以此做为确定各零部件位置。
在已建立的坐标系中建立汽车的数学模型,用坐标点的方法完成总称装配，并对其作位置干涉检查和运动干涉检查。
而这对汽车动力性、操纵稳定性、制动性都是性能分析的重要工作。
CAD技术让汽车模型进行仿真化，是其在汽车设计和制造的最大优点。
汽车业面临的问题
随着汽车产量的大幅度提升和保有量的相对固定，导致竞争加剧，使得每辆汽车的利润大幅度下滑。
如何在提高质量的前提下，在产品开发的每一个环节上降低成本，成为汽车制造商孜孜以求的目标。
而竞争的加剧，则更要求汽车制造商要更快地将高质量的新车型推向市场。
汽车制造业是技术密集型和劳动密集型产业。
为降低生产成本和减少污染，汽车制造商往往将劳动含量高、技术含量低的配件厂建在海外。
因此，协同开发、数据共享又成为了制约产品上市周期的重要因素。
进入九十年代以后，CAD技术的应用成本相对于二十多年前来说，已不算太高，而产品开发的成本却在不断上升，其中开发工程师的成本上升的尤为明显。
因此，基于以上考虑，易学好用、设计/分析/制造一体化的软件一直备受企业的青睐；
同时，支撑整个企业产品信息的框架式软件──产品数据管理系统（PDM），也逐渐为众多的汽车制造商所接受。
二、CAE在汽车方面的应用
汽车公司建立高性能的计算机辅助工程分析系统，其专业CAE队伍与产品开发同步地广泛开展CAE应用，在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。
CAE应用于车身开发上成熟的方面主要有：
刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）、NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等）、机构运动分析等；
而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高，已投入实际使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数；
虚拟试车场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。
1、刚度和强度分析
有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用，特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。
另外，当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。
（1）车架和车身的强度和刚度分析：
车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对于全承载式的客车车身更是如此。
车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。
另外，就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。
（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析：
齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。
通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。
（3）发动机零件的应力分析：
以发动机的缸盖为例，其工作工程中不仅受到气缸内高压气体的作用，还会产生复杂的热应力。
缸盖开裂事件时有发生。
如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进，无法从根本上解决问题。
有限元法提供了解决这一问题的根本途径。
2、NVH分析
近年来，随着人们环保意识的增强，对汽车提出了更高要求。
为此，国际汽车界制定NVH标准，即噪音（Noise）、振动（Vibration）、平稳（Harshness）三项标准，通俗称为乘坐轿车的“舒适感”。
对NVH标准的一项试验表明，用顾客较喜欢的轿车作试验，在用水泥铺得较平坦的公路上，轿车以时速40公里的速度行驶，如将欧洲产轿车的NVH以100%作标准，日本轿车则为75%，韩国轿车为50%。
欧洲轿车悬架技术较高，所以乘坐舒适，日本轿车设计时将人体工程学考虑在内，对提高乘坐舒适感有很大帮助。
3、机构运动分析
机构运动分析就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。
通过对机构进行位移或轨迹的分析，可以确定某机构件在运动时所需得空间，判断当机构运动时各构件之间是否会互相干涉，确定机构中从动件的行程，考察构件上某一点能否实现预定的位置或轨迹要求。
通过对机构进行速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，了解机构的受力情况。
通过对机构进行加速度分析，可以确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速度的变化规律。
机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。
4、车辆碰撞模拟分析
汽车作为现代化交通工具，在给人们的生活带来便利与乐趣的同时，也因其引起的交通事故给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。
因此，汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高度关注的问题。
汽车的安全性可划分为主动安全性和被动安全性。
主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；
被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。
交通事故原因的统计分析表明，以预防事故发生的主动安全性只能避免5％的事故，因此提高汽车被动安全性日趋重要。
5、金属板冲压成型模拟分析
由于冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产，故这一工艺方法在汽车生产中得到广泛应用。
在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才能确定。
这种反复的调试过程造成企业人力、物力和财力的大量消耗，导致生产成本高，生产周期难以保证。
冲压成型过程数值模拟技术的出现为改变这种传统模式提供了强有力的工具。
通过对冲压过程模拟分析得到最佳模具结构和工艺条件，并能通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，还可以提供最佳钣料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。
该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。
6、疲劳分析
传统的疲劳技术由许多经验公式组成。
这些经验公式根据一些理论框架，从材料、零件或结构的疲劳试验数据中拟合而成。
验证产品的疲劳性能一般需要进行疲劳试验。
疲劳分析依赖于准确的试验数据，同时也需要得到试验验证。
过去，常规设计定型样机疲劳试验需要几年甚至更多时间来发现设计失误、修改设计。
现代疲劳寿命设计技术是以电子技术（数字信息）和计算机技术（数字仿真）结合进入机械设计领域，将机械强度寿命由定性设计提高到定量设计。
它立足于随机、动态，整个受载过程的每一实时信号都参与设计，而不仅仅是一个最大值。
现代疲劳试验技术只需在计算机上用仿真技术，用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化。
这可把试验时间压缩到原来的十分之一、百分之一，大大降低了开发成本，缩短了开发周期。
根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。
从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样。
因此，可以在试车场上按一定的比例混合各种路面及各种事件（如开门、关门、刹车等），重现这一载荷输入。
这一载荷重现通常可能在较短的时间里完成，因此，可以达到试验加速的目的。
7、空气动力学分析
汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。
此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面的影响。
为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。
前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用园滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度－33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数。
8、虚拟试车场整车分析
CAE技术的飞速发展、软硬件功能的大幅度提高使得整车系统仿真已经成为可能。
美国工程技术合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术（virtualprovingground,VPG）就是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。
VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。
VPG是在NASYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的，以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性，以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、权频率振动噪声分析和数据处理、以及碰撞历程仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果的计算机仿真技术。
9、焊装模拟分析
机器人在车身焊装工位上的大量应用提高了车身的焊接质量，缩短了生产加工时间。
但如何能够快速而准确地完成全部焊点的加工，即如何规划机器人焊接路径问题，是目前汽车制造企业迫切需要解决的问题。
传统的机器人焊接路径规划方法是根据设计人员提供的工位上的焊点数量和焊接顺序，由工艺人员根据经验或类似工艺离线编制机器人加工程序，设计加工工艺。
所编写的程序输入到相应设备中，在实验室里预操作，记录下每次偏差位置，重新编程、设计直至满足生产要求。
这不仅耗时、费力，同时对于多机器人加工的碰撞问题无法解决。
一旦涉及多机器人协同加工，则往往在实验室中采用步进式逼近方法配合专家经验加以解决，以免发生碰撞，损坏设备。
为此，现代车身焊装模拟分析结合虚拟制造技术，在仿真环境下，运用相应的优化算法对车身焊装工位的机器人加工路径进行离线规划，并通过仿真加工进行验证，从而达到指导实际生产的目的。
虚拟制造的基础是采用计算机支持的技术，应用数字建模和仿真技术、虚拟现实技术等来模拟生产、加工和装配等过程，在计算机上将产品“制造”出来，实现将工艺过程转为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。
通过建立生产加工的仿真模型研究制造活动，使用户在设计阶段能够了解产品未来制造过程，实现对生产系统性能有效的预测与评价。
在仿真环境下的试运行，有利于进行多工艺方案比较，更有利于多机器人焊接轨迹的选取与优化。
三、CAM在汽车方面的应用
CAM技术，即计算机辅助制造技术，是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，如计算机辅助数控加工编程、制造过程控制、质量检测与分析等。
CAM是CAD/CAPP/CAM集成系统中重要的组成部分，涉及到许多学科领域,如计算机科学与工程、计算数学、机诫设计、人机工程、电子技术及其他很多工程技术。
经过四十余年的发展,CAM技术在机械制造、航空航天等技术领域起到了相当重要的作用。
1、CAM技术发展历程简介
CAM技术发展的两个主要阶段。
第一代是APT阶段，20世纪60年代在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如:
FANOC、Semems编程机,系统结构为专机形式,基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路,编程目标与对象也都是直接是数控刀路。
但其存在功能差、操作困难、专机专用等缺陷。
第二代是曲面CAM系统阶段，其系统结构一般是CAD/CAM混合系统,较好的利用了CAD模型,以几何信息作为最终的结果,自动生成加工刀路。
自动化、智能化程度得到了大幅度提高,具有代表性的是UG、DUCT、Cimatron、MarsterC
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