車身設計是一項復雜的工作，車身表面(特別是轎車)均為復雜的三維空間曲面，建模難度大，設計周期長，重復設計工作量大，裝配精度難于保證。采用WAVE 設計思想和方法，可以有效地解決車身設計“牽一發而系全身”的難題，避免了重復設計的浪費，大大減少了后續結構設計的等待時間，縮短了設計周期，并使得并行工程的優勢得到充分的發揮。
1 概述
WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是美國UGS公司在其核心產品Unigraphics (簡稱UG)上進行的一項軟件開發，于1997 年在UG/V13.0 正式推出，目前WAVE 技術已發展到較為成熟階段。UG/WAVE 是UGS公司應通用汽車公司車身設計要求而開發的一項軟件工程，特別適合于車身設計，是有效地解決車身設計“牽一發而系全身”難題的關鍵技術，可以明顯地縮短整車開發周期，極大地提高企業的市場競爭能力。同時，配合使用UG 的PDM 軟件iMAN，可使并行工程的優勢得到充分的發 揮。WAVE 是當前CAD 技術的重大突破。
WAVE 是在概念設計和最終產品及模具之間建立一種相關聯的設計方法，能對復雜產品(如汽車車身)的總裝配設計、相關零部件和模具設計進行有效的控制。總體設計可以嚴格控制分總成和零部件的關鍵尺寸，而無需考慮細節設計；而分總成和零部件的細節設計對總體設計沒有影響，并無權改變總體設計的關鍵尺寸。因此，當總體設計的關鍵尺寸修改后，分總成和零部件的設計自動更新，從而避免了零部件重復設計的浪費，使得后續零部件的細節設計得到有效的管理和再利用，大大縮短了產品的開發周期，提高了企業的市場競爭能力。
2 技術背景
隨著汽車工業的高速發展，汽車發動機、底盤技術日臻完善，尤其是在全球一體化經濟模式下，汽車發動機、底盤的總成和各種零部件采用全球采購方法，使得目前世界各大主要汽車廠商在發動機、底盤和整車性能上差距越來越小，競爭的焦點集中在車身造型、安全性、經濟性、環保、內部裝飾和各種選配件上。由于車身造型效果已經成為用戶選購汽車重要依據，因此，車身設計在整車的開發中變得越來越關鍵和重要。
目前，在歐美和日本等先進國家已經廣泛采用CAD/CAM 技術進行整車開發，并將設計的周期控制在3 年左右的時間，并取得了極大的經濟和社會效益。在整車開發中，車身設計占據了相當大的比重，也是影響整車開發周期的關鍵。車身設計有別于一般機械產品的設計，車身表面(特別是轎車)均為復雜的三維空間曲面，建模難度大，設計周期長，裝配精度難于保證，重復設計工作量大。因此，為了縮短整車的開發周期，縮短車身設計周期就成為關鍵的因素。
美國通用汽車公司在5 年前就對產品開發提出了新的目標——將原來開發一個車型所需的42 個月逐漸縮減到18 個月，最終目標是12 個月，每年推出多種變型車型。顯然，利用目前的零部件級CAD 技術方法無法做到，必須采用全新的設計方法和技術。
為了提高企業的產品更新開發能力，縮短產品的開發周期，UGS 適時地推出了帶有革命性地全新的總體參數化設計技術WAVE，它是真正的自頂向下的全相關的產品級設計系統，是參數化造型設計與系統工程的有機結合。
回顧CAD 技術的發展歷史，如果說上一次CAD 業界重大變革是20 世紀80 年代的參數化建模，那么WAVE 就是當前CAD 技術最新的、最具戲劇性的重大突破。WAVE 通過一種革命性的新方法來優化產品設計并可定義、控制和評估產品模板。參數化造型技術是針對零件一級的，而UG/WAVE 是針對裝配級的一種系統工程，從而提供了實際工程產品設計中所需要的自頂向下的設計環境。
3 技術方法和應用范圍
WAVE 技術起源于車身設計，采用關聯性復制幾何體方法來控制總體裝配結構(在不同的組件之間關聯性復制幾何體)，從而保證整個裝配和零部件的參數化和關聯性，最適合于復雜產品和曲面相關性的設計。
3.1 技術方法
3.1.1 相關零件建模（Interpart Modeling）
用于簡單產品的設計，可以在產品的裝配結構中建立二個或多個組件之間的幾何體的相關性。
3.1.2 自頂向下設計(Top-Down Design)
適合于中等復雜產品的設計，使用基準或草圖來控制整個裝配中所有零部件的基本形狀、尺寸和裝配位置。用概念設計控制結構設計，主要是組件之間曲面的相關性設計，可以使得設計變更自動進行，避免了大量重復設計的浪費，特別適合于新產品的開發和產品的系列化設計。
3.1.3 系統工程方法（System Engineering）
適合于諸如汽車、飛機等大型復雜產品的設計，采用控制結構方法定義產品的總體裝配結構，再將總體裝配結構分為若干個子系統（或子裝配），用于進行分組并行設計。汽車的總體開發過程與WAVE 系統工程與控制結構的關系如圖1 所示。
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圖1 WAVE 系統工程與控制結構
以汽車開發為例，定義WAVE 總體控制結構一般方法如下：
(1) 定義該產品的總體參數 根據汽車的總布置要求和車身造型定義該產品的總體參數（又稱全局參數）。
(2) 定義控制結構關系 其次定義車身各大總成和零部件間的控制結構關系(類似于裝配結構關系)，這種控制結構關系使得產品設計的規則和標準具體化。
(3) 建立零部件(子系統、子裝配)之間的相關性 采用WAVE 技術，我們可以通過少數的總體或全局參數來定義、控制和更改整車設計，以適應快速的市場變化要求。例如，對轎車來說，車門數、軸距、車身長是全局參數，如果這些總體參數的其中一個發生了改變，無疑都要引起該產品的從上向下的整個變動。
這種更改和對新方案的評估，在采用傳統的設計方案時，需要消耗大量的人力、物力和時間。采用UG/WAVE技術，當某個總體參數改變后，產品會按照原來設定的控制結構、幾何關聯性和設計準則，自動地更新產品系統中每一個需要改變的零部件，并確保產品的設計意圖和整體性。WAVE 技術是把概念設計與詳細設計的變化自始自終地貫穿到整個產品的設計過程中。
3.2 應用范圍
除了車身設計，WAVE 的技術原理同樣也適用于航天航空、機械產品、模具設計、工程分析計和制造中。可以說，WAVE 是對CAD 領域的一場全新的革命。
4 高效方便的產品設計管理
隨著產品復雜程度的提高，管理和協調的難度越來越大。在復雜產品的并行設計中，高效的管理和協調相當重要。這不僅直接影響到產品設計的精度、開發周期和設計成本，而且影響后續的生產工藝和設備，影響產品的利潤和企業的市場競爭能力。
采用WAVE 系統工程方法，可以對復雜產品的設計進行高效和方便的管理。以汽車產品開發為例，可以對總布置設計建立一個控制結構，如建立發動機、車身、底盤等幾大系統，再建立各自的子系統，如車身子系統的前圍、后圍、車門、地板等。控制結構只需確定總體控制參數、外形曲面等一系列最基本和主要的控制參數，而不包括細節的結構設計，如車門輪廓的形狀、尺寸、位置等。然后再將控制結構最底層建立用于細節結構設計的子裝配，如將車門分解為內板、外板、車門內飾、密封條等（如圖3 所示）。
如果總體設計需要變化，總布置設計小組確定修改方案后，只需修改控制結構的有關參數或調整車身曲面，所有的細節結構設計將全部自動更新，總體設計意圖自動傳遞到結構設計小組，無需通知或與結構設計工程師協商。而且，結構設計人員不能修改從控制結構得到的數據。因此，產品設計管理極為方便高效。
5 車身CAD 存在的問題
目前商品化的高端CAD/CAM 集成軟件(如UG、CATIA、Pro/E 等)都是非常優秀和成熟的產品，廣泛采用參數化特征建模方法，并行工程、虛擬裝配等先進技術，能夠滿足絕大多數產品的設計要求。然而，對于像汽車車身這樣復雜的產品，特別是形狀復雜的車身曲面，為了保證足夠的形狀和裝配精度，設計的難度大。另外，在產品的開發過程中，一旦需要調整總體參數或車身外形曲面，問題就來了。在車身設計過程中，為了保證整車外形與車門、車窗等分總成的協調和曲面的光順，一般先建立整車曲面模型（如圖2 所示），然后再進行車身零部件的分塊設計。例如，乘客門的設計既要保證車門曲面與整車側圍的光順一致，又必須與車門立柱有一定的間隙，因此，采用CAD 技術的一般方法是先將圖2 的車身復制若干個，在其中一個車身側圍開出車門切口（如圖3 所示），再利用另外一個復制的車身反向切除得到車門（如果直接切除車門縫隙，同時得到車身和車門，將使車身實體一分為二，從而導致參數的丟失，整車模型無法編輯，這是CAD 核心模塊算法的問題）。如果由于造型效果的要求需要編輯圖2 車身側面的形狀，由于復制的車身沒有關聯性，車門的形狀無法相應改變，從而導致車門的重新設計。
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圖2 車身模型 圖3 車門開口
為了滿足汽車各種性能要求，在設計過程中調整總體參數和車身外形曲面的是必須和經常的。整車開發的一個重要步驟是樣車試制和試驗，通過試驗發現問題，再對整車進行修改直到滿意。由于整車性能與車身密切相關，改變整車性能意味著改變車身設計。例如，軸距過短會導致制動點頭，一旦需要改變軸距，不僅需要改變輪罩和輪罩開口位置，而且將引起地板、整車長度、側窗大小、乘客門位置大小等車身結構的一系列相關變化，正所謂“牽一發而系全身”。這是車身設計長期無法解決的難題，也是造成整車開發周期難于縮短的關鍵所在。
6 車身WAVE 方法應用實例
為了具體說明WAVE 的使用方法，這里以輕型客車車身為實例，介紹使用WAVE 方法進行車身設計的一般方法。
6.1 定義總體控制參數(全局參數)
設計意圖：當改變軸距后，自動調整車身長度，自動調整乘客門的寬度和位置，自動調整乘客門車窗和密封條的尺寸，并保證乘客門的車窗邊框寬度不變，自動調整后輪輪罩開口位置和后側窗的大小和位置。
根據車身總布置設計和車身造型方案確定所需要控制的總體結構參數（如總長、總寬、總高、軸距和車門/車窗的尺寸、位置等），采用全參數、全相關方法建立車身整體模型（如圖2 所示）。控制結構應該盡可能簡單，可以使用基準或草圖進行控制（由于篇幅所限，車身建模的方法從略）。圖4 所示為使用Sketch(草圖)建立的側面門窗和輪罩開口的控制輪廓線，采用相關幾何約束和尺寸約束，建立軸距與車門、車窗之間控制參數。然后定義總體控制結構和參數，用于控制車身結構細節設計，如車門、車窗的開口和車身曲面的分塊等設計。
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圖4 控制側面門窗和輪罩開口的草圖
由于實際設計意圖、要求的不同，總體控制參數的定義有相當大的差別，并對后續的結構設計將產生直接的影響。因此，前期工作應該盡可能考慮仔細周到，相關約束條件盡可能合理。當然，在設計過程中可以根據需要修改或增加約束條件。因此，WAVE 的實際應用具有相當大的靈活性。
6.2 定義WAVE 總體裝配控制結構
WAVE 總體控制結構的定義類似裝配結構，通過關聯性復制幾何體來控制整個裝配設計，是WAVE方法的關鍵。圖5 顯示了一個車身控制結構的簡單示意圖，在各分總成和零部件中包含有從車身總成關聯性復制的控制幾何體（圖2 的車身曲面和、圖4 的草圖）。
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圖5 車身控制結構
(1) 建立白車身，利用車身曲面和控制輪廓線建立車門、車窗和輪罩等開口；
(2) 建立駕駛室門，乘客門等控制結構 (如圖6 所示)。
6.3 車身結構細節設計
此后，車身各大總成及車門的細節結構設計便可同時展開。應該說明的是，車身曲面和控制輪廓線在裝配級，次級裝配或組件無權編輯或修改控制輪廓線。通過這樣的控制結構，可以有效地控制整車的設計管理，提高設計精度和效率，并將總體設計的意圖始終貫穿于整個設計過程。當總體設計參數修改后，后續的結構設計將自動更新，避免了重復設計的浪費，使得并行設計工程的優勢得到真正的發揮。
6.4 參數編輯與自動更新
(1) 編輯參數方法：
1) 可在Toolbox→expression，直接改變表達式的值。
2) 在Edit 或Toolbox→sketch，通過激活草圖，編輯尺寸。
(2) 將圖7 中的軸距p0 改為2800，（為了清楚地觀察比較變化結果，軸距加長500mm）。
(3) 自動更新或選擇Assembly→Update Session，結果如圖7，并比較與圖6 的區別。
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圖6 車身控制結構和分總成 圖7 調整軸距后自動更新結果
比較圖6、7 我們可以明顯地看出，車身長度自動加長，后輪罩開口位置自動關聯性后移，乘客門和
門上的窗、密封條、窗玻璃自動變寬，同時保證車門和車窗立柱寬度不變，這些變化結果均根據預先的設計條件而變化。當然，我們也可以改變整車的寬度和高度，也可以使得車門、車窗立柱寬度變化等等，這些變化結果都必須通過總體結構的參數預先定義而獲得。
由此可見，當總布置設計參數需要調整時，我們只需要改變一個參數，后續的結構設計將自動更新，極大地提高了設計精度和效率。在一般的設計過程中，總布置設計往往需要進行周密的分析計算，并占用相當的設計時間，從而增加了相當多的后續結構設計和工藝設計的等待時間，并行工程的優勢難以真正得到發揮。采用WAVE 方法，總布置設計只需給出車身的外形和主要控制幾何體，后續結構設計和工藝設計便可以同時進行，無須過多考慮結構上的細節。總布置設計的意圖通過控制幾何體傳送到整個設計工作組，并可以隨時修改在設計中可能出現的問題。例如在上述車身設計中，遺漏了駕駛室門把手凹陷、油箱開口和油箱蓋的設計，我們可以隨時在總體控制結構中(圖7 的草圖)添加諸如此類的細節結構設計，后續的結構設計會自動更新，極大地提高了設計效率。
WAVE 的使用和操作非常方便和容易，但是，用好WAVE 卻不簡單，定義合理的控制結構是關鍵。首先用戶需要掌握WAVE 的基本思想和結構體系，其次對UG/CAD 整個系統有較為全面地理解掌握。另外，實際使用經驗和建模的方法和技巧也相當重要。
UG為適應制造業的市場需求和計算機應用技術的發展，融合了國際上最新的技術、理論和方法，遵循面向企業、面向產品、面向過程、面向應用、面向用戶的原則，推出了UG/WAVE 這樣一些革命性的系統級工程方法和應用工程模塊。它作為世界一流的CAD/CAM/CAE/ PDM 系統，通過獨特的、基于過程的方法和基于主模型的全相關的技術，為用戶提供了一個企業級的，貫穿從產品設計、工藝制造到生產管理全過程的虛擬產品開發環境。