基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優(yōu)化設(shè)計

李兵

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

隨著科技的不斷進步，產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計及制造技術(shù)突飛猛進，汽車產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期也越來越短，利用先進的三維軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計分析，是提高設(shè)計效率的有效方法。CATIA三維軟件不但具有強大的三維數(shù)字模型創(chuàng)建功能，而且還可以進行動態(tài)模擬分析 （DMU—Digital Mock-Up）、CAE分析、人機工程模擬分析等，為產(chǎn)品的設(shè)計分析提供強有力的支持，特別是汽車產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，更是離不開三維軟件的支持。

數(shù)字樣車技術(shù) （DMU）指利用CATIA V5軟件所具有的裝配、干涉檢查、機構(gòu)仿真、運動包絡(luò)等功能，對樣車產(chǎn)品進行虛擬的模仿和再現(xiàn)，使其具有物理模型的特性，從而取代物理模型，驗證產(chǎn)品的設(shè)計、功能 （運動）、工藝、制造和維護等方面內(nèi)容的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，形成一輛模擬現(xiàn)實的數(shù)字樣車，對產(chǎn)品的真實化進行計算機模擬參數(shù)演算。

1 某開發(fā)車型的前刮水器運動機構(gòu)分析

1.1 前刮水器的數(shù)字模型建立

根據(jù)參考標桿車型的已有實物，逆向初步建立三維數(shù)字模型，然后結(jié)合總布置、車身、內(nèi)外飾專業(yè)的要求、風(fēng)窗外CAS面等前刮水器周邊數(shù)模，初步確定前刮水器安裝硬點 （安裝點的整車坐標位置，整車設(shè)計中由總布置和相關(guān)專業(yè)共同確定），選擇刮片類型，調(diào)整相關(guān)的數(shù)模尺寸，使前刮水器的數(shù)字模型初步達到靜態(tài)的安裝要求，如圖1所示。

該機構(gòu)組成：左刮臂 （含刮片）、右刮臂 （含刮片）、刮水電動機、連桿1、連桿2、刮臂轉(zhuǎn)軸及安裝支承，該分類沒有按照設(shè)計BOM來分，是依據(jù)仿真要求而分的零部件組塊。如圖1左邊數(shù)模結(jié)構(gòu)樹所示建立整個裝配的產(chǎn)品文件，為下一步運動分析做準備。

1.2 前刮水器機構(gòu)的運動副分析

該刮水器機構(gòu)為聯(lián)動平行式機構(gòu)，兩個連桿機構(gòu)為傳動件，主動件為刮水電動機的曲柄機構(gòu)。兩個刮臂的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸支承件的運動關(guān)系為旋轉(zhuǎn)運動副；刮水電動機與電動機傳動曲柄之間也是旋轉(zhuǎn)運動副。由于前風(fēng)窗蓋板下部安裝空間的局限性，電動機旋轉(zhuǎn)軸、左刮臂旋轉(zhuǎn)軸、右刮臂旋轉(zhuǎn)軸這3個軸的軸線為空間不平行直線，所以兩個連桿端點連接為球連接，運動關(guān)系為球面運動副。表1列出了機構(gòu)的運動副關(guān)系。

表1 刮水機構(gòu)的運動副關(guān)系

1.3 CATIA中建立仿真運動副關(guān)系

在CATIA中建立如圖1所示的產(chǎn)品數(shù)字模型，進入CATIA數(shù)字化裝配模塊中的DMU運動機構(gòu)模塊，使用CATIA-DMU模塊中的運動副關(guān)系命令建立仿真機制。所涉及的命令見圖2。

按照表1所列的關(guān)系約束后，結(jié)果見圖3。

關(guān)系約束完成后，CATIA中顯示機構(gòu)自由度為2，說明該機構(gòu)不能做仿真運動。根據(jù)機械原理的知識分析，兩個刮水連桿分別存在一個自由度。對于單個連桿而言，兩個球面運動副約束后，還存在一個以兩個端點為軸線的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖4所示。經(jīng)分析，在連桿的一端與刮臂的球接頭之間增加一個點面接觸運動副，就可以限制該自由度。

在CATIA中使用圖2中 命令，分別在兩個連桿上建立兩個點面運動副，機構(gòu)自由度為0，表示機構(gòu)的自由度都被約束完。

2 前刮水器的仿真分析及設(shè)計優(yōu)化

運動副約束完成，驅(qū)動加載完成后，CATIA會彈出系統(tǒng)提示信息，提示機構(gòu)可以進行運動模擬。機構(gòu)可以仿真模擬后，通過CATIA中兩個命令，分步建立一個周期的模擬和重放，如圖5所示。然后通命令做運動機構(gòu)的運動包絡(luò)。檢查刮片運動包絡(luò)與風(fēng)窗形成的刮刷面積，計算刮刷面積是否滿足法規(guī)的要求。不滿足可以調(diào)整刮臂、選擇刮片的長度以及調(diào)整連桿和曲柄的尺寸，然后繼續(xù)仿真模擬。

結(jié)合風(fēng)窗玻璃的曲率選擇合適的刮片類型，調(diào)整刮臂的安裝點、刮臂的安裝平面、刮臂尺寸，優(yōu)化刮片的運動包絡(luò)，如圖6與圖7所示。不僅使刮片的運動包絡(luò)與風(fēng)窗形成的刮刷面積符合要求（GB11565：轎車風(fēng)窗玻璃刮水器刮刷面積），而且盡量使刮片運動包絡(luò)侵入風(fēng)窗玻璃的尺寸變化均勻（刮片對風(fēng)窗的壓緊力變化均勻）。檢查刮片的運動起止位置與風(fēng)窗玻璃黑邊的距離，刮臂的升降角是否符合設(shè)計要求。做出刮水連桿的運動包絡(luò)，檢查包絡(luò)與周邊件是否存在干涉，以及它們之間的運動間隙。如圖8所示，是兩個連桿以及曲柄與周邊件的最小運動間隙，檢查是否滿足設(shè)計要求。

3 速度和加速分析

機構(gòu)速度和加速度的分析必須要先將驅(qū)動的角度與時間關(guān)聯(lián)起來。選擇可以仿真的刮水機構(gòu)，使用知識工具欄中命令，將已經(jīng)做好的仿真機構(gòu)的驅(qū)動角度定義為與時間關(guān)聯(lián)的參數(shù)關(guān)系式。驅(qū)動角度進行時間函數(shù)關(guān)聯(lián)，機構(gòu)任意點的坐標方向上，角速度、角加速度、線速度、線加速度都可以進行動態(tài)測量。在兩個刮臂上分別選擇測量點（點不能選擇在旋轉(zhuǎn)軸上），使用 命令測量兩個測量點的速度和加速度，如圖9所示。

進行速度和加速度分析時，選擇激活傳感器按鈕，根據(jù)需要選取圖10對話窗口中需要輸出的參數(shù)。圖11所示為刮水器機構(gòu)電動機曲柄在一定角速度驅(qū)動下一個運動周期內(nèi)，左刮臂上測量點在優(yōu)化前后的線加速度曲線對比圖。經(jīng)過優(yōu)化后的機構(gòu)相同測量點線加速度峰值明顯得到優(yōu)化。使用該方法可以對機構(gòu)進行加速度的間接定量分析。

使用CATIA-DMU模塊進行的刮水器機構(gòu)設(shè)計，明顯縮短了產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)驗證周期，首次手工件樣件試裝合格，試裝件安裝尺寸、周邊運動間隙、刮水器刮刷面積滿足設(shè)計要求。

4 總結(jié)

利用CATIA軟件對汽車前刮水器機構(gòu)進行仿真和優(yōu)化，不僅在概念設(shè)計階段具有重要的指導(dǎo)意義，同時在樣車試驗階段可迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并提出改進方案。通過仿真模擬→優(yōu)化設(shè)計→試驗驗證的設(shè)計流程，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的效率和品質(zhì)。

［1］馮潼能.基于CATIA V5的自動鉆鉚機工藝過程仿真研究［C］.第5屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集.

［2］李文麗.基于CATIA／DMU的某商務(wù)車空調(diào)出風(fēng)口的設(shè)計優(yōu)化［J］.輕型汽車技術(shù)，2010（1／2）.

［3］尤春風(fēng).CATIA高級應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［4］黃錫愷，鄭文緯.機械原理 （第6版）［M］.北京：高等教育出版社，1989.