CATIA在客車車身設計上的應用

韓榮娟

摘要：近些年，有關客車設計方面，越來越多的工程師應用CATIA對其車身設計加以輔助，并且有關理論與方法也逐漸成熟。從二維到三維設計客車產品，到客車產品的模擬仿真設計，進一步促進了客車設計的發展與革新。對此，文章將著眼客車車身設計，簡要分析CATIA軟件技術的有關應用。

關鍵詞：客車;CATIA;車身設計

0 ?引言

相比以往所采取的設計方法，科學應用輔助設計軟件，實現客車產品設計領域質的跨越。關于客車產品行業，明顯特征為品種多、批量小以及高定制化程度。在實際設計客車產品時，關注三維模塊化數據的建立、基礎車型，應依據實際情況進行結構分析與仿真分析，根據性能需求展開設計與評價，有助于在多種方案擇取最佳方案，也可以對方案進行優化。

1 ?CATIA軟件技術綜述

關于研制客車車身這一過程其設計與制造不僅難度偏高，而且需要涉及多方面協作、頻繁更改設計等，過去以“勞動密集”為主的手工生產模式，逐步替換為沖壓生產模式，設計與制作沖壓模具需依據客車車身表面的數學模型。所以，要想進一步提高我國客車行業設計與制造的現代化，起始點應為客車車身表面數字模型的構建。現階段，不斷發展與大范圍應用的信息技術特別是計算機技術，在根本上促進了以往客車研制的變革，關于其設計制造過程開始向數字化傳遞模式轉變，研制客車的過程本質上為產品數字化定義、傳遞數據、拓延及加工的一個過程，而其中CATIA軟件發揮著巨大作用。接下來，本文簡要分析其有關核心技術。

1.1 混合建模技術

設計對象：依托于CATIA軟件形成的設計環境，不管是曲面還是實體，均可以實現交互操作。參數與變量化：在具體設計過程中，有關設計人員不需要顧慮參數化設計目標，這是因為CATIA具備變量驅動能力與后參數化性能。智能與幾何工程：針對企業而言，將企業所積累的經驗融合于CATIA知識庫，對企業新手進行指導，或者是應用于開發新車型的指導，可以縮短其推向市場所需時間。

1.2 方便產品周期內部修改

不管是曲面造型還是實體建模，因為CATIA具有智能科學化的樹結構，可以方便對產品多次修改，在最后的設計階段即便需要進行重大修改，更新原有方案通過CATIA能輕松實現。

1.3 全體模塊之間的相關性

關于CATIA每一模塊均能體現在相同的數據平臺上，所以CATIA每一模塊具有明顯的強相關性，例如修改三維模型，可以在二維模型清晰體現，還能呈現在模擬分析與數控加工中。

1.4 設計環境并行

通過CATIA可以形成混合建模方式及多模型鏈接環境，進一步普及了并行工程設計模式在人們心中的認知，總體設計部門只需要放出基本結構尺寸，相關系統工作人員則開始工作，在實現協同工作的同時不會相互牽連;因為模型間存在的相互關聯性，使得上游環節的設計結果能為下游提供參考。與此同時，上游所修改設計能對下游刷新造成直接影響，從而打造真正意義上的并行工程設計環境。

1.5 覆蓋整個產品開發過程

CATIA具有較強的設計能力：由設計產品概念開始至產品最終形成，CATIA以可靠精確的解決模式提供完備的二維、三維、數據管理與參數化混合建模手段。同時，CATIA作為高度集成化的軟件，有機結合了工程仿真、機械設計，工程分析以及數控加工等，從而為用戶創造良好的無紙化工作環境，尤其是CATIA中的關于汽車、客車業的有關模塊。

2 ?正向設計

2.1 設計與布置前圍總成

在這一設計與布置過程中，首先應明確關鍵的風窗玻璃上橫梁、A柱、風窗玻璃下橫梁及龍門梁。異型管與矩形管是車身骨架重要組成要素。應用CATIA當中的實體設計板塊，客車車身骨架設計的基本方法通常為兩種，直管拉伸以及單（雙）曲管的掃略命令，然后再以修剪等相關命令修飾模型。有關前圍A柱，采取的建模方法是：在其外蒙皮L1分割曲線上，隨意選擇某點Q，在點Q繪制L1曲線平面;然后繪制A柱外蒙皮和平面α之間的交線L2;工作草圖于平面α建立，然后繪制其矩形截面，在蒙皮內部約束矩形當中的某一直角點M和點Q之間的距離是S，然后約束和M相靠近直角點N和交線L2之間的距離同樣是S;將截面作為輪廓，將曲線作為掃略線，通過掃略命令形成A柱模型。基于制造零件的工藝性為視角，最好將前窗玻璃的上與下橫梁設計為單曲管。然后，再依據其他總成的有關要求，對各種骨架與支架進行布置。圖1為前圍骨架總成的3D幾何模型，核校與布置刮水器，可在完成3D幾何模型后，通過CATIA的DMU模塊，展開模擬分析與運動仿真，測驗刮刷面積自身的合理性，檢查是否會干涉其余部件運動。

2.2 設計與布置頂蓋總成

在實際設計頂蓋總成時，應該綜合考慮以下幾大方面：布置頂蓋橫梁需根據門柱以及側窗立柱的位置，最好形成封閉環結構，并遵循制造與裝配側窗與艙門的工藝性原則低于安全性原則;布置頂蓋縱梁需要綜合考察頂蓋外蒙皮的行李架、下料規格的斷面結構、安全頂窗以及空調的開口尺寸等因素;布置安全頂窗需要方便車內進行換氣以及滿足GB7258關于撤離艙口的要求;布置空調需考慮整車前后橋載荷的分布情況;然后依據其他總成具體要求進行相應支架的布置。圖2為頂蓋骨架總成完成的3D幾何模型。

2.3 設計與布置后圍總成

關于后圍總成部分和前圍總成較為類似，在和搭接設計其他總成完成后，重點是布置外蒙皮安裝模式與校檢后背門的運動。值得關注的是，在后背門止口部分安裝后圍外蒙皮通常有兩種方向：

首先，在客車車身X方向布置，從車后朝車前加以固定;其次，在客車車身方向布置，從車內朝車外加以固定。因為后圍外蒙皮固定其兩側外邊緣，在Y方向從車外朝車內固定，因此要是選擇后一方案布置，則致使在車身的Y方向相同部件具有不同方向受力情況，對后圍外蒙皮裝配的余量調節造成影響。應在車身結構允許的情況，最好選取前一種方案進行布置。在對后背門進行布置時，需依據造型選擇相應的鉸鏈結構，確保艙門運動過程與翻起角度不會干涉、門鎖鎖止安全可靠等。圖3為圍骨架總成完成的3D幾何模型。

2.4 關聯化與通用化設計

在應用CATIA軟件輔助設計客車車身正向時，建立的車型基礎三維幾何模型，需要實現部件關聯化與總成通用化。首先，總成通用化。研發團隊初期定義產品時，一方面應完成研發已確定的市場單一車型，另一方面還需對今后若干可能產品變化的狀態進行綜合考慮。實際布置中應反復平衡各種變化狀態，然后明確最終的平臺車型產品方案，從而降低后續由于客戶定制產生的設計、采購、生產與售后等方面成本。比如某一平臺車型，要是變化的僅為整車長度，需要確保模具成型化與骨架工裝的通用化;要是變化僅為高配置與低配置，需確保在滿足客戶實際要求的情況下，更換一些附件與內飾，局部調整車身骨架的更改。比如二級踏步的首次布置中，必須考慮布置低入口城市客車的有關需求，只有保證兩者之間的平衡才可以明確產品的最終方案。其次，部件關聯化。關聯化，其主要指的是在局部范圍之內，設置參考基準部件尺寸與位置約束條件產生變化后，可以驅動其余將該部件視為基準參考部件自動呈現變化。比如，某客車當側圍窗立柱發生了位置變化，車身的頂蓋橫梁可以自動更新至指定位置，而如果是橫截面狀態產生變化，那么其立柱內飾橫截面的狀態會自主更新到至橫截面相對應的狀態。

3 ?客車車身曲面設計

3.1 曲面建模

通過CATIA軟件當中的GSD工具箱，展開曲面建模。將輪廓線作為其外部參考，將曲面建模所涉及的邊界或是特征曲線提取出來，現下主要為以下幾種方式，具體包含Pointcontinuity、Nopropagation等，之后通過掃描、拉伸、填充等創建曲面的方法，依據上述曲面建模具體原則和相應的順序，創建半車身整體曲面，具體如圖4所示。

3.2 評價車身曲面品質

基于CATIA環境，檢測曲面品質的方法有以下幾方面：

首先，反射線法，相比曲面連續次數反射線的會少1次。要是相鄰兩個曲面斷開其上反射線斷，那么這兩個曲面屬點連續最多;要是反射線存在尖點，那么曲面切矢為連續的;要是光滑過度為曲率連續。

其次，Isophote（等照度法），相比曲面連續等照度線連續次的會少1次，也就是說要是相鄰的等照度線光滑過渡，曲面間符合曲率連續。除此之外，其形狀也能呈現出變化的曲面形狀。

再次，高光線法。所謂高光線其主要基于反射線而進一步發展形成的，原理和反射線法十分類似，而差異點是在構建高光線時，視點重合光源會。

最后，環境反射，借助視覺效果對曲面品質進行檢測。相比于轎車，客車曲面的品質標準并不嚴格，可依然需要確保相應的光順程度。由于光順曲面能延遲或者是消除渦流形成與空氣跗面剝離，可以提升整個客車的空氣動力性能。圖5為反射線檢驗客車車身曲面。

3.3 分割車身零部件曲面

在創建完成客車整體車身曲面之后，應依據零部件形狀分割處理車身整體曲面，獲得客車車身的每一零件基準曲面。從車身整體曲面進行分割獲得的零件基準曲面主要為：前圍蒙皮、霧燈、車大燈、前風窗玻璃、轉向燈、側窗玻璃、后圍蒙皮等具體如圖6所示。分兩步展開零部件分割：首先，投影，在整體曲面上投影零件邊界輪廓線，獲得零部件附著在整體曲面的邊界線;其次，裁切，應用CATIA系統當中的裁切工具，獲得分割邊界線的參考對整體曲面進行裁切。通過零部件自身基準曲面，通過Part Design功能，對曲面進行增厚處理，實現各基準曲面實體化。之后設置各零部件材質，依據設計顏色配色并對整車造型進行觀察。圖6為客車車身創建的模型圖。

4 ?結束語

設計客車車身時應用具備輔助功能的CATIA軟件，可以在提升設計效率的基礎上，盡早找出設計存在的問題減少研發成本投入。模型數據的建立，是下游進行模擬仿真與分析的前提。實現平衡工藝可行性與仿真數據之后，及時修改模型數據，然后將試制與路試中存在的問題反饋出來，實現模型數據的完善。模型數據完善后，能為未來變型產品以及研發新平臺產品提供基礎數據，具有重要意義。

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