基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優化設計

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

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

1 某開發車型的前刮水器運動機構分析

1.1 前刮水器的數字模型建立

根據參考標桿車型的已有實物，逆向初步建立三維數字模型，然后結合總布置、車身、內外飾專業的要求、風窗外CAS面等前刮水器周邊數模，初步確定前刮水器安裝硬點 （安裝點的整車坐標位置，整車設計中由總布置和相關專業共同確定），選擇刮片類型，調整相關的數模尺寸，使前刮水器的數字模型初步達到靜態的安裝要求，如圖1所示。

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

1.2 前刮水器機構的運動副分析

該刮水器機構為聯動平行式機構，兩個連桿機構為傳動件，主動件為刮水電動機的曲柄機構。兩個刮臂的轉軸與轉軸支承件的運動關系為旋轉運動副；刮水電動機與電動機傳動曲柄之間也是旋轉運動副。由于前風窗蓋板下部安裝空間的局限性，電動機旋轉軸、左刮臂旋轉軸、右刮臂旋轉軸這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，運動關系為球面運動副。表1列出了機構的運動副關系。

表1 刮水機構的運動副關系

1.3 CATIA中建立仿真運動副關系

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

按照表1所列的關系約束后，結果見圖3。

關系約束完成后，CATIA中顯示機構自由度為2，說明該機構不能做仿真運動。根據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自由度，如圖4所示。經分析，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，機構自由度為0，表示機構的自由度都被約束完。

2 前刮水器的仿真分析及設計優化

運動副約束完成，驅動加載完成后，CATIA會彈出系統提示信息，提示機構可以進行運動模擬。機構可以仿真模擬后，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的運動包絡。檢查刮片運動包絡與風窗形成的刮刷面積，計算刮刷面積是否滿足法規的要求。不滿足可以調整刮臂、選擇刮片的長度以及調整連桿和曲柄的尺寸，然后繼續仿真模擬。

結合風窗玻璃的曲率選擇合適的刮片類型，調整刮臂的安裝點、刮臂的安裝平面、刮臂尺寸，優化刮片的運動包絡，如圖6與圖7所示。不僅使刮片的運動包絡與風窗形成的刮刷面積符合要求（GB11565：轎車風窗玻璃刮水器刮刷面積），而且盡量使刮片運動包絡侵入風窗玻璃的尺寸變化均勻（刮片對風窗的壓緊力變化均勻）。檢查刮片的運動起止位置與風窗玻璃黑邊的距離，刮臂的升降角是否符合設計要求。做出刮水連桿的運動包絡，檢查包絡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，檢查是否滿足設計要求。

3 速度和加速分析

機構速度和加速度的分析必須要先將驅動的角度與時間關聯起來。選擇可以仿真的刮水機構，使用知識工具欄中命令，將已經做好的仿真機構的驅動角度定義為與時間關聯的參數關系式。驅動角度進行時間函數關聯，機構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測量。在兩個刮臂上分別選擇測量點（點不能選擇在旋轉軸上），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，根據需要選取圖10對話窗口中需要輸出的參數。圖11所示為刮水器機構電動機曲柄在一定角速度驅動下一個運動周期內，左刮臂上測量點在優化前后的線加速度曲線對比圖。經過優化后的機構相同測量點線加速度峰值明顯得到優化。使用該方法可以對機構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設計，明顯縮短了產品的設計開發驗證周期，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計要求。

4 總結

利用CATIA軟件對汽車前刮水器機構進行仿真和優化，不僅在概念設計階段具有重要的指導意義，同時在樣車試驗階段可迅速發現設計缺陷并提出改進方案。通過仿真模擬→優化設計→試驗驗證的設計流程，可以提高產品設計的效率和品質。

［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工程分析技術年會論文集.

［2］李文麗.基于CATIA／DMU的某商務車空調出風口的設計優化［J］.輕型汽車技術，2010（1／2）.

［3］尤春風.CATIA高級應用［M］.北京：清華大學出版社，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.