基于CATIA平臺(tái)的參數(shù)化車身設(shè)計(jì)研究

文勃

摘 要：本文針對傳統(tǒng)的自底向上的設(shè)計(jì)方式和建模方法，介紹了自頂向下的設(shè)計(jì)方式和CATIA參數(shù)化的建模方，實(shí)現(xiàn)底層零件的快速修改更新；并充分利用父代數(shù)據(jù)的替換功能，使得零件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)工作可以在設(shè)計(jì)的初期開始，甚至是借用數(shù)據(jù)庫內(nèi)結(jié)構(gòu)類似的數(shù)據(jù)。該種參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、快速更改和并行設(shè)計(jì)，提高了機(jī)車車身的設(shè)計(jì)效率，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：CATIA平臺(tái) 參數(shù)化 車身設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）02（a）-0075-03

本文中的CATIA平臺(tái)的設(shè)計(jì)多是使用自頂而下的參數(shù)化設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)人員如果要進(jìn)行方案修改，則只需要將原來的造型圖或者布置圖等圖片或者數(shù)據(jù)進(jìn)行更換，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)地進(jìn)行修改，完成零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更新或者修改，在此過程中所輸入的零件數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，完成零件建模，也在這個(gè)過程中零件快速設(shè)計(jì)和更改就相應(yīng)完成。

1 設(shè)計(jì)方式概述

作為一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)活動(dòng)，車身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)合理與否將會(huì)影響后續(xù)車輛的正常使用。合理的車身設(shè)計(jì)需要處理好車身不同部分零件之間的關(guān)系，使他們相互配合。其中，某一個(gè)零件的改動(dòng)就會(huì)對其他零件產(chǎn)生一定的影響，其他零件也要發(fā)生相應(yīng)的改動(dòng)。為了完善機(jī)車的造型設(shè)計(jì)，工作人員就要不斷修改設(shè)計(jì)方案，直至方案相對完善。一般來說，從第一版的CAS到最后的方案定稿往往會(huì)經(jīng)歷多次變更。而在多次變更中，車身設(shè)計(jì)的思路和造型等都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，性能也會(huì)更為良好。當(dāng)然，這都是非常正常的。另外，工藝的反饋過程和CAE分析工作也會(huì)讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修改。過去，車身的零件設(shè)計(jì)都是利用三維軟件進(jìn)行的，之后軟件也會(huì)對零件進(jìn)行相應(yīng)的裝配，從而完成部件的總體設(shè)計(jì)工作。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)行為使得車身設(shè)計(jì)工作的變更性不高，也增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，設(shè)計(jì)效率偏低，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量也不高。

正如上文所提到的，本文采用的是自頂而下的設(shè)計(jì)方式。該設(shè)計(jì)過程，也就是說，要以產(chǎn)品的整體需求為導(dǎo)向，要充分考慮車身零件設(shè)計(jì)中不同零件之間的約束關(guān)系，并考慮其分塊關(guān)聯(lián)。在車身設(shè)計(jì)的總體概念形成以后，工作人員要對單個(gè)零件及逆行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。就目前來說，自頂而下的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)深入人們的思維，也成為當(dāng)前CAD設(shè)計(jì)中的主流設(shè)計(jì)思想。從結(jié)構(gòu)和功能方面來說，機(jī)車可以看成一個(gè)大的系統(tǒng)，而這個(gè)大系統(tǒng)則是由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，零件是最基本的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都具有不同的功能。這些不同的子系統(tǒng)之間能夠形成一種樹形結(jié)構(gòu)。上游的設(shè)計(jì)目標(biāo)能夠通過斷面到達(dá)車身的設(shè)計(jì)中，并關(guān)聯(lián)傳遞到其他的零件中，從而滿足零件的設(shè)計(jì)需求，也能夠?qū)崿F(xiàn)自頂而下的設(shè)計(jì)需求。上級的總成會(huì)對下級的零件提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，下級零件要按照上級的設(shè)計(jì)輸入，建立由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品模型，并根據(jù)新的參數(shù)和關(guān)聯(lián)迅速發(fā)展設(shè)計(jì)更改。

CATIA系統(tǒng)是由IBM公司和達(dá)索公司共同研發(fā)形成的新一代的CAD軟件，也是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣的、效果最為明顯的CAD軟件。作為計(jì)算機(jī)輔助三維交互系統(tǒng)，CATIA系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┐罅康膮?shù)化特征體，讓用戶能夠根據(jù)自己的產(chǎn)品特點(diǎn)和實(shí)際需要建立參數(shù)化的數(shù)據(jù)特征庫。

2 基于CATIA平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)分解

近年來，機(jī)車工業(yè)的迅速發(fā)展在給機(jī)車零配件企業(yè)帶來發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也使企業(yè)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。如何降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量成為各個(gè)零部件生產(chǎn)企業(yè)面臨的重要任務(wù)。為了在激烈的競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位，很多企業(yè)開始采取CAD技術(shù)，提高自身對市場的快速響應(yīng)能力。正因?yàn)槿绱耍黝怌AD軟件得到了較為廣泛的應(yīng)用，其中CATIA平臺(tái)擁有廣大的用戶群體。機(jī)車零部件的產(chǎn)品種類較多，而產(chǎn)品的開發(fā)過程又是一種順序過程。在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員很難考慮到產(chǎn)品的可制造性、可裝配性等，因此多次修改才能夠達(dá)到完善的地步。CATIA等系統(tǒng)的應(yīng)用并不能一次性滿足客戶的基本需求，因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際情況輸入必要參數(shù)，系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)優(yōu)化的變型計(jì)算結(jié)果，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

CATIA在開發(fā)過程中充分應(yīng)用了先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要具有以下幾個(gè)方面的特征：第一，采用單一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同模塊之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)；第二，產(chǎn)品設(shè)計(jì)集成以流程為中心，能夠根據(jù)不同的產(chǎn)品類型，提供不同的開發(fā)流程；第三，能夠更新設(shè)計(jì)人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)；第四，應(yīng)用先進(jìn)的混合建模技術(shù)，將幾何元素和設(shè)計(jì)知識(shí)都能夠統(tǒng)一到模型中；第五，開放性平臺(tái)，能夠?yàn)楦鞣N應(yīng)用的集成提供應(yīng)用架構(gòu)，它提供的JAVA交互面板等能夠提供一個(gè)完全一致的開發(fā)環(huán)境；第六，為并行工程提供設(shè)計(jì)環(huán)境；第六，針對特定的設(shè)計(jì)開展工程分析；是一種端到端的集成系統(tǒng)。

基于CATIA平臺(tái)的參數(shù)化車身設(shè)計(jì)要先對各個(gè)零件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并為各個(gè)子系統(tǒng)建立斷面部分，之后形成product，并為此提供相關(guān)的Publication數(shù)據(jù)。之后，要對各個(gè)零件進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)不同零件之間的約束關(guān)系，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供更好的保障。從功能分解的角度來看，該種自頂而下的設(shè)計(jì)方法能夠滿足機(jī)車車身的設(shè)計(jì)要求，并能將這種設(shè)計(jì)要求分解到不同部件方面，也能實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)分解方面來說，自頂而下的設(shè)計(jì)是一個(gè)自上而下的設(shè)計(jì)工作，是一個(gè)精益求精的設(shè)計(jì)過程，是一個(gè)設(shè)計(jì)不斷分解并最終獲得滿足的過程。當(dāng)前機(jī)車車身的設(shè)計(jì)對產(chǎn)品進(jìn)度提出了更高的要求，并將零部件的設(shè)計(jì)工作看成是一種模塊化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)。在零件部分中詳細(xì)設(shè)計(jì)的構(gòu)造中，通過輸入不同的條件或者參數(shù)，零件部分就會(huì)自動(dòng)或者少量的修改完成，并借助數(shù)據(jù)庫中的已有信息，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作?？傊?，自頂而下的設(shè)計(jì)思路是從整體到局部的設(shè)計(jì)思路，能夠?qū)崿F(xiàn)車身設(shè)計(jì)的后期細(xì)化調(diào)整，并能夠進(jìn)行并行開發(fā)。在這個(gè)過程中，參數(shù)會(huì)進(jìn)行傳遞，并實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)需求。

3 CATIA參數(shù)設(shè)計(jì)過程研究

CATIA軟件為參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的平臺(tái)，并將概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)有序地結(jié)合起來，將其貫穿于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，保證設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行。參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠存儲(chǔ)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，并設(shè)計(jì)出具有高度相似性的產(chǎn)品模型。作為一種全新的思維方式，參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠積極進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建和設(shè)計(jì)的修改，它利用約束來表達(dá)出產(chǎn)品的集合特征，并定義一組參數(shù)來控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果。在這個(gè)過程中，通過參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型的修改，以創(chuàng)建功能或者形狀相似的設(shè)計(jì)方案。

第一，軟件設(shè)置方面。要在結(jié)構(gòu)數(shù)中顯示設(shè)計(jì)的參數(shù)值和公式，并顯示參數(shù)、關(guān)聯(lián)和約束等；在product中要帶參數(shù)進(jìn)行外部引用，可以進(jìn)行手動(dòng)更新。之后，可以點(diǎn)擊f（x）圖標(biāo)，進(jìn)入formula對話框，新建設(shè)計(jì)參數(shù)。

第二，形成參數(shù)化建模的零件樹。

第三，進(jìn)行參數(shù)傳遞。CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)的建模分為斷面部分和零件部分。（1）斷面部分是對設(shè)計(jì)造型輸入和總布置輸入進(jìn)行出來，并將不同的造型面、線和總布置信息連接到斷面部分，進(jìn)行布置設(shè)計(jì)工作。輸入的是造型和總布置圖，輸出的則是斷面部分。（2）零件部分。這是完整的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)，輸出的是具體的零件。CATIA具有非常完善的參數(shù)功能，能夠?qū)Υ蟾艌D中的元素進(jìn)行幾何相關(guān)性約束，表示出設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，并在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行相應(yīng)的修改，并對相關(guān)的設(shè)計(jì)尺寸作參數(shù)關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模的根本目的。一般來說，車身設(shè)計(jì)需要建立55～80個(gè)左右的參數(shù)化斷面。為了達(dá)到斷面更新的目的，可以替換不同的造型圖，并通過修改其中的相關(guān)參數(shù)，調(diào)整斷面結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)重復(fù)斷面繪制的情況。為了方便后期的設(shè)計(jì)修改，一般車身設(shè)計(jì)過程中會(huì)將過程尺寸通過形式控制，并將車身的料厚信息在參數(shù)中明確體現(xiàn)出來。作為參數(shù)化建模的重要手段，參數(shù)關(guān)聯(lián)能夠進(jìn)行定義和控制模型尺寸，對機(jī)車零部件設(shè)計(jì)工作具有十分重要的意義。另外，不同Part之間的參數(shù)傳遞也很重要。這也代表著父Part和子part之間的密切關(guān)系和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。一旦前者發(fā)生變化，后者的引用元素也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)不同Part的參數(shù)傳遞。另外，參數(shù)設(shè)計(jì)還有replace的功能。在造型面、總布置圖等發(fā)生變化時(shí)，就可以利用replace功能發(fā)揮替代作用，并實(shí)現(xiàn)零件的快速更改，從而達(dá)到更新斷面的根本目的。另外，該功能的應(yīng)用也能夠發(fā)揮Part結(jié)構(gòu)替換的功能，從而優(yōu)化車身設(shè)計(jì)。

4 自頂而下的建模方法在參數(shù)化車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

在車身設(shè)計(jì)過程中，要使后座腿部的空間更大，就應(yīng)使R點(diǎn)發(fā)生后移，下車身的尺寸也應(yīng)相應(yīng)地增長，車身造型也相應(yīng)地改變?；贑ATIA平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用能夠迅速調(diào)整車身設(shè)計(jì)工作。

第一，下車身的更改。車輛下車身的布置斷面主要由三個(gè)部分構(gòu)成：機(jī)艙、前地板和中后地板。本部分只討論中后地板的后移，修改中后地板部分的布置斷面。中后地板中凸起的位置決定著腿部空間的后移，而凸起位置點(diǎn)與R點(diǎn)是相互關(guān)聯(lián)的。要實(shí)現(xiàn)下車身更改，就要使用Replace命令置換總布置圖，之后中后地板截面和其周邊搭件的斷面也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的后向移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)車身斷面的更新，要安裝硬點(diǎn)。斷面的改變會(huì)使零件部分相應(yīng)地更新。自頂而下參數(shù)的傳遞會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)完成下車身部分的相關(guān)修改。

第二，上車身更改。如果上車身的造型發(fā)生變化，那上車身的斷面也會(huì)因此發(fā)生變化。以車頂蓋后的風(fēng)擋處為例，斷面的輸入是后風(fēng)擋和頂蓋的造型面。而頂蓋的第一道的翻邊與頂蓋的分縫和造型面是相互關(guān)聯(lián)的，風(fēng)擋的涂膠面又是與玻璃面相關(guān)聯(lián)的。在車身設(shè)計(jì)過程中，工作人員只需要使用Replace命令替換其中的輸入數(shù)據(jù)，斷面就會(huì)發(fā)生自動(dòng)更新。這樣一來，斷面的更新也會(huì)迅速傳遞到零件部分，零件部分也會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)更新。

第三，Part結(jié)構(gòu)的調(diào)整和更改。車身零件細(xì)節(jié)的更改可以通過part內(nèi)部參數(shù)的修改來實(shí)現(xiàn)。以車的內(nèi)飾車棚安裝支架為例，筋的寬度和深度可以通過草圖設(shè)計(jì)進(jìn)行某些可視化的調(diào)整和修改，零件的細(xì)節(jié)特征也可以隨時(shí)進(jìn)行修改。就孔的位置和尺寸方面可以通過內(nèi)飾提供的輸入進(jìn)行調(diào)整，并將孔兩側(cè)筋的位置和孔心的位置與零件上下切邊關(guān)聯(lián)起來。一旦內(nèi)飾的安裝點(diǎn)發(fā)生改變，那么孔兩側(cè)筋的位置也會(huì)相應(yīng)地修改，零件的上下切邊發(fā)生相應(yīng)的變化，之后零件的細(xì)節(jié)特征能夠自動(dòng)修改。這樣一來，零件的設(shè)計(jì)初期就能夠?qū)ο鄳?yīng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行隨時(shí)修改，而后期也能夠?qū)Σ缓侠碇幫ㄟ^簡單的操作改變，使得同步工程得以實(shí)現(xiàn)。另外，如果所需要的零件結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中已有的零件結(jié)構(gòu)相類似，那么就可以借用這個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)結(jié)構(gòu)類似的數(shù)據(jù)，對于不相似之處則可以通過少量修改或者替換數(shù)據(jù)輸入來實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，自頂而上建模方法在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)車身設(shè)計(jì)的調(diào)整和更改，有利于實(shí)現(xiàn)車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是車身以及零部件設(shè)計(jì)過程中的重要方法。

5 結(jié)語

基于CATIA平臺(tái)的參數(shù)化車身設(shè)計(jì)可以迅速的建立自頂而下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，并通過參數(shù)替換或修改等功能，提高建模的效率，節(jié)省大量修改和反復(fù)建模的時(shí)間，有效地避免設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動(dòng)，也能夠騰出更多的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)完善。另外，該種設(shè)計(jì)也能借用內(nèi)部零件的設(shè)計(jì)方式，提高設(shè)計(jì)效率。另外，參數(shù)化修改和父代替換的形式使得細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)更為重要，有利于并行工程的實(shí)現(xiàn)，也能夠努力縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)。車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)長期的工作，需要多方面因素的協(xié)調(diào)控制，更需要多個(gè)工作人員的共同努力。除了車身設(shè)計(jì)之外，基于CATIA平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到車門等設(shè)計(jì)過程之中，發(fā)揮出較大的實(shí)用價(jià)值，也為機(jī)車零部件企業(yè)的運(yùn)營發(fā)展提供了良好的思路，極大地提高了這部分企業(yè)的市場競爭力，有利于促進(jìn)我國機(jī)車行業(yè)的長遠(yuǎn)健康發(fā)展。

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