論CATIA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

朱丹清 閆棟

摘 ?要： 科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面中發(fā)揮著巨大作用，CATIA作為計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的旗艦解決方案其廣泛運(yùn)用，大大提升了工業(yè)制造的速度和精度。本文首先闡述CATIA概念及特點(diǎn)、主要功能模塊、應(yīng)用范圍再結(jié)合具體產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)實(shí)例展示CATIA的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞： CATIA;產(chǎn)品設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP391.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.037

本文著錄格式：朱丹清，閆棟. 論CATIA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J]. 軟件，2019，40（4）：175178

【Abstract】： With the rapid development of science and technology， computer-aided design （CATIA） plays an important role in product design in the field of industrial manufacturing. As the flagship solution of computer-aided product design， CATIA is widely used， which greatly improves the speed and accuracy of industrial manufac?turing. Firstly， this paper elaborates the characteristics， main function modules and application scope of CATIA， and then demonstrates the strength of CATIA by combining specific product modeling design examples.

【Key words】： CATIA; Product design; Computer-aided design

0 ?引言

如今，計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)中都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)的作用非常的重要。也因此誕生了很多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而CATIA則是其中的佼佼者。在文中就對(duì)CATIA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行介紹。

1 ?CATIA簡(jiǎn)介和特點(diǎn)

CATIA軟件是由Dassault Aviation公司開(kāi)發(fā)的基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析的一體集成化軟件，作為計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段，CATIA被廣泛運(yùn)用于世界航空航天、汽車制造、機(jī)械制造、電子電器等工業(yè)領(lǐng)域。作為目前世界主流設(shè)計(jì)軟件CATIA有著區(qū)別于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的顯著特點(diǎn)。

1.1 ?優(yōu)秀的模型混合建設(shè)技術(shù)

（1）多層面模型混合設(shè)計(jì)。CATIA設(shè)計(jì)軟件中零件實(shí)體建造和空間曲面建模，可以在不同模塊中實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化操作設(shè)計(jì)，大大減少設(shè)計(jì)步驟，為設(shè)計(jì)者提供巨大的便利。

（2）參數(shù)化和變量混合建模。設(shè)計(jì)者不必在設(shè)計(jì)中考慮繁瑣的參數(shù)設(shè)定，CATIA 建模中自帶設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)初始模型，后期設(shè)計(jì)者可據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行參數(shù)修改和調(diào)整。

（3）智能工程及幾何模型混合創(chuàng)建。集成化 ?的CATIA軟件可記憶和儲(chǔ)存大量的以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)于知識(shí)庫(kù)中，作為備用數(shù)據(jù)既可以用作新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參數(shù)參照，又可以方便查找和新員工設(shè)計(jì)培訓(xùn)的調(diào)用。

1.2 ?各功能模塊相關(guān)相連

基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)創(chuàng)建的各設(shè)計(jì)模塊，在設(shè)計(jì)過(guò)程中相互關(guān)聯(lián)和作用，非常方便數(shù)據(jù)和模型在不同階段的轉(zhuǎn)換和檢驗(yàn)。例如，二維平面和有限元分析、模具及數(shù)控加工的程序中可以體現(xiàn)三維模型。

1.3 ?并行設(shè)計(jì)縮短周期

系統(tǒng)多模型鏈接及模型混合建設(shè)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的并行工程設(shè)計(jì)模式。總設(shè)系統(tǒng)只需要簡(jiǎn)單的向各分系統(tǒng)傳達(dá)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，各分系統(tǒng)便可及時(shí)協(xié)同開(kāi)展設(shè)計(jì)工作無(wú)需等待和申請(qǐng)。因模型之間的互聯(lián)特性先期設(shè)計(jì)成果可直接應(yīng)用于后期設(shè)計(jì)工作。實(shí)現(xiàn)前期和后期設(shè)計(jì)同參互補(bǔ)。

1.4 ?實(shí)用性強(qiáng)，涵蓋面廣

CATIA覆蓋于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程。從最初設(shè)計(jì)概念到最終產(chǎn)品成型CATIA全程參與并提供精準(zhǔn)參數(shù)作用于二維、三維設(shè)計(jì)層面，同時(shí)發(fā)揮軟件高度集成化的優(yōu)勢(shì)將零件設(shè)計(jì)、有限元分析及運(yùn)動(dòng)仿真、裝配設(shè)計(jì)和工程制圖有機(jī)結(jié)合。為設(shè)計(jì)過(guò)程提供嚴(yán)密的全程無(wú)紙化運(yùn)行環(huán)境。

2 ?CATIA的操作模塊及相關(guān)功能

CATIA設(shè)計(jì)功能十分強(qiáng)大，系統(tǒng)包含了多項(xiàng)實(shí)用于不同類型及不同設(shè)計(jì)階段需求的多個(gè)功能模塊。主要有以下幾種：

（1）創(chuàng)成式工程制圖（GDR CATIA），此功能利用三維零件模型和裝配體生成與之對(duì)應(yīng)的工程圖。

（2）交互式工程制圖（IDI），交互式制圖模塊能直觀、高效的，開(kāi)展產(chǎn)品的二維設(shè)計(jì)。

（3）曲面和線造型設(shè)計(jì) （WSF），在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期通過(guò)草圖設(shè)計(jì)面命令繪制圖形線條或曲面元素，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

（4） 創(chuàng)成式外型設(shè)計(jì)（GSD CATIA），于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)中利用線框與多個(gè)曲面特征相結(jié)合，設(shè)計(jì)復(fù)雜的曲面外形。

（5）創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析（GRS CATIA），它可以為設(shè)計(jì)者提供有限元分析和預(yù)校驗(yàn)。

（6）產(chǎn)品設(shè)計(jì)渲染（RTI CATIA），通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)模型賦予不同材質(zhì)便于設(shè)計(jì)者對(duì)模型實(shí)際形態(tài)的觀察和質(zhì)感把握，是一種寫(xiě)實(shí)手法。

（7）運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模擬（KIN），通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝配約束條件或通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)關(guān)節(jié)連接方式而生成關(guān)節(jié)連接，對(duì)各種規(guī)模的電子樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義。

（8）空間分析（SPA CATIA），運(yùn)用于電子樣機(jī)的斷面分析和干涉檢查、驗(yàn)證3D形態(tài)的幾何參數(shù)。

（9）知識(shí)工程顧問(wèn)（KWA CATIA）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)全過(guò)程的隱式狀態(tài)向顯式狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

（10）目標(biāo)管理器（COM CATIA），為產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)成統(tǒng)一工作界面環(huán)境而服務(wù)。

3 ?CATIA的主要應(yīng)用表現(xiàn)

3.1 ?航天航空工業(yè)

源于航天航空工業(yè)的CATIA，憑其先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)可靠的設(shè)計(jì)精度高效的設(shè)計(jì)特性被航天航空工業(yè)完全認(rèn)可而極力推廣使用。例如CATIA虛擬原型機(jī)的開(kāi)發(fā)包括波音737/777、陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)、Global Express公務(wù)機(jī)、以及Darkstar 無(wú)人駕駛偵察機(jī)。

3.2 ?汽車工業(yè)

CATIA憑借其出色設(shè)計(jì)表現(xiàn)已成為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，世界前20名的汽車企業(yè)已有18家采用CATIA作為其核心設(shè)計(jì)軟件。CATIA軟件以其獨(dú)到的開(kāi)發(fā)思維全程數(shù)字化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念為各類車型的設(shè)計(jì)制造提供終極的解決方案技術(shù)依托。

3.3 ?造船工業(yè)

CATIA以一貫的技術(shù)優(yōu)勢(shì)深入運(yùn)用于造船工業(yè)設(shè)計(jì)方面。為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、船艙結(jié)構(gòu)及及載重優(yōu)化設(shè)計(jì)提供先進(jìn)的技術(shù)支持，已被眾多船舶制造企業(yè)廣為認(rèn)可。

3.4 ?加工和裝配

產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到制造成型要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過(guò)程，高效先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件的選用可事半功倍。擅長(zhǎng)為棱柱和工具零件作二維三維關(guān)聯(lián)、設(shè)計(jì)分析的CATIA軟件，可保證產(chǎn)品高速生產(chǎn)和組裝精密。

3.5 ?電子電器

CATIA于電子電器行業(yè)的設(shè)計(jì)運(yùn)用很大成分得益于其快速、方便的操作性能和高品質(zhì)的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)。經(jīng)CATIA軟件設(shè)計(jì)制造的電器產(chǎn)品不僅外觀新穎而且質(zhì)感上層。諸如，PC、移動(dòng)通訊工具、廚電設(shè)備、各種智能電子設(shè)備大部分都是CATIA設(shè)計(jì)成果。得利于快速、真實(shí)的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可使生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品為上市前即可參與預(yù)售宣傳展示，實(shí)現(xiàn)預(yù)先經(jīng)濟(jì)效益。

4 ?CATIA實(shí)例設(shè)計(jì)-活塞模型

本例以繪制汽車活塞實(shí)體為說(shuō)明，包含整個(gè)部件的模型建造流程及CATIA相關(guān)操作命令（草圖、拉伸實(shí)體、拉伸凹槽、旋轉(zhuǎn)槽、倒圓角）的使用。

（1）繪制步驟

1）新建一個(gè)part文件命名1.1

2）調(diào)用草圖命令，以XY平面為操作臺(tái)進(jìn)入草圖設(shè)計(jì)，調(diào)用兩點(diǎn)圓命令以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制圓，約束直徑107.5 mm。

3）退出草圖窗口返回零件設(shè)計(jì)界面，調(diào)用拉 ?伸實(shí)體命令以草圖為輪廓，向上拉伸102.4 mm。如圖4。

4）再次進(jìn)入草圖設(shè)計(jì)界面，以1.1.1所繪圓柱上表面為操作點(diǎn)，調(diào)用兩點(diǎn)圓命令繪制直徑為57.5的圓，圓心至橫軸距離6 mm，縱軸距離1.5 mm。如圖5。

5）調(diào)用拉伸凹槽命令對(duì)上步輪廓向下拉伸22.4 mm，再以倒圓角命令于凹槽底部邊線倒半徑為13 mm的圓角。再次進(jìn)入草圖于圓柱下端面創(chuàng)建直徑為10 mm的圓，以拉伸凹槽命令拉伸輪廓66 mm。如圖6。

6）調(diào)用邊線圓角命令于凹槽底部邊線倒半徑14 mm，以ZY平面為設(shè)計(jì)平面調(diào)用連續(xù)輪廓命令繪制關(guān)于縱軸對(duì)此的草圖7。

7）拉伸上步草圖輪廓成實(shí)體在ZX平面建立圓心在縱軸上直徑為35 mm的圓，用拉伸凹槽命令，建成實(shí)體。并在yz面以鏡像命令建立草圖8。

8）以旋轉(zhuǎn)槽命令將1.1.6輪廓按中心軸旋轉(zhuǎn)360度生成實(shí)體，在zx平面建立封閉輪廓草圖9。

9）調(diào)用旋轉(zhuǎn)槽命令將草圖1.1.7輪廓旋轉(zhuǎn)360度建立旋轉(zhuǎn)槽，在ZX平面建立凹槽草圖并以凹槽命令生成實(shí)體，模型建成。如圖10。

通過(guò)實(shí)例可知CATIA不僅操作界面簡(jiǎn)潔、操作命令清晰方便、交互人性、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹(shù)規(guī)律有序，而且混合設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，操作非常流暢便捷。在實(shí)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)中認(rèn)可度相當(dāng)高。

5 ?結(jié)語(yǔ)

由法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的CATIA軟件是一套集成系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件它涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)各個(gè)方面，實(shí)用于平面二維、三維立體草圖創(chuàng)建及實(shí)體造型，不僅適宜普通機(jī)械產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)也能很好的用于復(fù)雜的空間曲面造型設(shè)計(jì)以及知識(shí)工程，有限元分析、逆向開(kāi)發(fā)、運(yùn)動(dòng)仿真等等產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程。CATIA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛使用極大的縮短了設(shè)計(jì)過(guò)程，加速了成品制造效率，降低企業(yè)開(kāi)發(fā)成本促進(jìn)制造工業(yè)向“高精尖”方向飛速發(fā)展。

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