方程式车队的一体化建模怎么做？
作者 | 梅立仁 仿真秀科普作者
在谈论一体化建模之前我们需要思考一个问题，那就是赛车和飞机有什么区别。大家也许能说出很多，但是我最想突出的一点是赛车更小飞机更大特别是大型客机。对于3D建模而言，它的作用是实现无纸化办公从而提高工作效率，也就是说，如果某一个大学生方程式车队在使用CATIA的过程中没有很好的提高工作效率，那就说明这家车队并没有发掘这个软件的强大功能。
简言之，该车队没有达到发展上限。如果我没有记错的话，波音在引入CATIA软件的第一次尝试中并没有显著减低成本，也没有显著缩短研发时间，但是在产品换代的时候大约节省了一半的研发时间。
那么CATIA的使用能否大幅度缩短赛车研发周期呢，答案是肯定的，不过我们必须再回到波音的案例。波音之所以能够实现快速换代，是因为他们使用的CATIA软件工程师是成熟的软件工程师，也需有人会说这不是废话吗。可是事实上，很多车队难以深度挖掘CATIA软件的原因就是大学生工程师的成熟速度太慢了，其实对于其他软件也是这样的。
在一个学生刚刚加入车队的时候很有可能面临一种境遇，其组长难以用严密的逻辑让组员短时间内学会软件，简称“组长不会教境遇”，然后组员在自己建模都不清楚的情况下变成了组长，再然后就不用我说了。“组长不会教”最终肯定会演变成“车队设计慢”。这里必须说明，我所说的现象是普遍现象不是所有车队都有的现象。
从上面波音的成功和大学生方程普遍失败的案例中可以看出“组长不会教”这个问题，但是它可以被外部条件解决，比如引进会教的人的教学视频。现在我们不讨论这个问题，让我们把目光放在软件上。前面我说到了飞机比赛车大，还说了这个是飞机和赛车的重大区别，为什么这么说呢。
飞机大所以系统多，系统多部件就多，从而导致零件非常多，引发CATIA装配的复杂性。大家都知道，非常复杂的装配只能通过工作细化的方式来完成。工作细化的前提是有标准，同时保持非常好的相互配合，否则工作细化就是降低效率还不如一个工程师干全部的活。
然而“标准”和“互相配合”这两个概念在大学生团体中是很难发掘的，根本原因不是大学生实力不够，而是他们还不成熟，很多逻辑思维都不够完善。我个人认为一个大一新生要想成为合格的大学生方程式工程师必须经历一次整车建模，还要参加一次比赛，然后学会某个系统的优化仿真。
很多车队把这个合格标准的“经历一次整车建模”换成了“学会所在组负责内容的建模并且会一点装配”，甚至有车队把“参加一次比赛”这个标准都省去了。
不能再说其他的了，容易跑题。我们还是回到飞机更大这个话题。相比之下，赛车更加简单，简单到甚至不需要完全装配，这个不需要完全装配的意思就是一体化建模的意思。而且从原则上，飞机的技术要求是精密和稳定，不可避免的就是建模的复杂。
然而赛车的终极奥义是减重和高操作性，从而达到高速的目的。客机一般来说不会把高速作为第一选择，而是把安全性放在第一位。这也就导致了一个重要的区别，大学生方程式赛车越发展建模可以越简单，飞机越发展建模不一定越简单，而且花时间让飞机建模简单是没办法带来经济效益的。上述说法必须强调一点才能成立，那就是大学生方程式的建模没有必要展现所有细节，比如，你没有必要把电机内部细节放在整车里面，除非电机是车队自己设计的。
当然还有一个问题就是去掉细节过后如何添加质量从而模拟质心，我给出的意见是计算外壳的等效重量。当然，你把电机内部细节展现出来也是可以的，上述是一个例子并不是我觉得一定要这么做。
其实个人认为上述内容并不能完全解释赛车设计不需要装配过程这件事，不论你看没看懂或者是否认可，我们都进入下一阶段的讨论。
现在我们知道，一体化建模不需要完整的全部细节，同时绕开了装配。那么我们应该如何使用。首先，我们可以分两种用法：
一种就是完全一体化，另一种是部分一体化。完全一体化就是完全绕开装配，但是必须建立在学生能深入理解整车设计的基础上，他能明白各个系统要什么不要什么，并且在自己建模的过程中能够和其他系统的设计进行交流。
这么一说其实完全一体化和装配的方案的人员要求是几乎一样的。现在我想说的是部分一体化更加容易实施，但是需要一个人进行整车设计的统筹，说白了就是一个人或者几个人带领一群人干，统筹者有最高决策权，他能决定放弃什么设计用什么设计。
个人觉得完全一体化和部分一体化没有关系，适合什么就用什么。当然，必须指出的是，装配方案主导才是真正的王道，我之所以提出一体化方案，是因为很多车队驾驭不了装配方案，强行使用很容易骑虎难下。
比部分一体化逊色的就是统筹弱化的部分一体化，很明显这个方案适合大多数车队，那么具体怎么做呢。在现有的组长分管的制度下，让各个组长做其负责系统的一体化建模，同时组长有设计的决策权，最终的整车设计由所有组长讨论决定。
这种方案对现实的指导意义只有一个，那就是引入了一体化建模然后获得了一体化建模的一点好处，并没有从本质改变车队的管理方法。说到这里你就会发现，我所讲的看似是建模方案的不同，实则是车队的管理。也许你现在还是不能理解一体化建模到底是什么，下面我们用一个案例来解释一下
转向系统案例
在这里我把转向系统分成三个部分：转向柱部分、底板部分、硬点部分。其中硬点部分指的是悬架提供的硬点、主销等点和线，这个部分不是重要内容，其建模方法就是基于原点和绝对坐标系的坐标点。硬点部分应该和悬架设计内容保持及时更新，下面还会提到。
转向柱部分包括万向节、转向轴以及齿轮（这里我们默认齿轮齿条的转向方式，本文主要讲述建模方法，如果不用这样的转向方式，读者也可以应用后文的方法）。底板部分是最重要的（如果没有底板，逻辑是相通的），包括车架前舱底部的线架结构（看过我的视频的读者应该能理解线架结构这个概念，如果不能没关系）、底板吊耳、转向底板以及支撑结构。
首先，我们从一体化建模这个概念入手，包含两个主要内容：
第一点是将吊耳、底板等结构在同一个CATIA Part文件中存放；
第二点是用线架结构来驱动不同部分，达到提高文件维护性的效果。
该建模方法最突出的特点是，绕开了我们常见的装配方式。
现在，我们不展开讨论装配方案和一体化建模方案的具体利弊。本人可以负责任地指出，一体化建模方案是一种适应于大学生赛车圈子的方案（当然，如果某车队已经有很好的装配方案和管理方案可以忽略本文章）。这样的适应性我会在后续的文章视频等素材里面陆续讲解。
接下来必须简单提到驱动这个概念。首先声明这个概念不是一个可以被奉为某原理或者某理论的东西，在很多书本等资料并没有详细讲述，就像草图这个概念一样，是大家容易被理解和应用的一种说法。
在CATIA中用合理并且适当的约束或者函数关系来实现输入数值对建模结果的直接修改就是驱动。可以想到，每一次简单的约束都是一个驱动的过程，但是这样的简单驱动没有体现一体化的联动概念，也就是说，后文我将讲述如何实现这样的联动。
铺垫这么多，主体内容终于来了。
观察上面的两张图，左边是一体化建模的雏形，右边是一个车架结构的一隅。仔细观察你会发现两张图都有两个被测量的点，其坐标已经被标出。左图中的这两个点就是车架里对应的两个点，它们在整车对称面上，其实也就是前舱底部两根横向钢管的中心点。
这两个点位置体现了对应钢管的位置，而这两根钢管的位置就是转向系统一体化建模的基准。同理，左图中左边的一条黄色虚线就体现了右图中对应的钢管位置。
上图中被命名为“有车架提供”的两个点就是上文描述的在对称面上的点。现在我们必须讲述上图中被命名为“最主要的点 底板位置驱动点”的点。
上图中的黄色虚线就是由上文位于对称面的两个点所确定的。“最主要的点 底板位置驱动点”就建模在这个虚线上。随后基于这个点确定一条横向短线，最后基于这条短线和黄色虚线确定一个平面，也就是上图中被选中的平面。
随后，基于图中选中的两条线（一条是黄色虚线，一条是上面建模的短线）定义相交，获得上图中左下角的圆圈点。再在这个圆圈点上建立一个平面，这个平面垂直于其所在的黄色虚线。到这里我们可以确定一件事实，当代表车架的点和线被改变时，“最主要的点 底板位置驱动点”会被驱动，同时上图的左下角圆圈点和它对应的平面也会被驱动。同理，如果你单单改变“最主要的点 底板位置驱动点”，这个圆圈点也会被驱动。
讲到这里，驱动的概念已经非常清晰了，下面我们来看一下它的具体效果。
上面左图中的圆圈点就是上文所述的点，在其对应的平面上创建了一个定位草图，草图画了吊耳的形状，然后用凸台命令得到两个吊耳，图中还测量了某个点的绝对坐标。当我们改变“最主要的点 底板位置驱动点”的位置时，吊耳被整体驱动了，上面的右图中的测量数值体现了这一点，而且可以发现，我的驱动长度是20mm，Z方向读数的变化是由前舱底部钢管不水平的设定引起的。
现在必须回到上面提到的“互相配合”的问题，一般来说转向系统由一个组长负责设计加工，那么这样的一体化建模如何在不需要装配的情况下更新呢。其实很简单，只需要把上文中“由车架提供”的点更新即可。也就是说车架的节点的更新代替了装配的方法。
说白了，如果我是转向负责人，我只需要问车架组几个点的位置，后面的事情就不要讨论了，转向的吊耳肯定是跟着车架走的。当然检查干涉也是必要的，那么你可以需要把前环的线架结构表示出来作为参考。另外，方向盘的位置与坐姿有一定关系，那么你也需要一个人机二维草图，同时保持和人机设计人员的更新。
其综合逻辑就是，我们可以默认同一个基准，让建模被基准驱动，这个基准就是车架的节点、线架以及人机草图等要素。
以上是笔者关于一体化建模的总结，如有不当，欢迎批评指正，共同进步。2月，笔者在仿真秀官网和APP发布了一套精品课课《大学生方程式新手入门精品课20讲》深受大家欢迎,当前播放量已经4900+（点击文章末尾的阅读原文即可观看，或者通过我在仿真秀的专栏查看）。
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作者：梅立仁 ，大学生方程式赛车技术指导