基于CATIA/CAA的輪胎花紋設計及自動節距排列

李 華，張 敏，程麗娜，吳東霞

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

伴隨著經濟的不斷發展，汽車的需求量日益增大，而輪胎在汽車行駛的舒適性和安全性方面起著重要作用。因此，輪胎的設計變得日益重要，復雜程度也逐漸上升，胎面花紋形狀千變萬化，結構復雜，常需要耗費大量設計時間。二維圖形設計已經無法滿足輪胎設計要求，眾多輪胎企業紛紛采用CATIA，UG和SolidWorks等三維軟件進行輪胎設計開發，顯著縮短了輪胎的開發周期，同時伴隨著設計自動化程度的提高，輪胎的設計質量也得到了明顯提升[1]。

胎面花紋對噪聲、滾動阻力和滑水等輪胎性能有重要影響[2-5]，是輪胎產品設計的重要組成部分。改進胎面花紋的設計方法、優化設計系統是提高輪胎質量的重要途徑[6]。國外研究者積累了豐富的輪胎花紋設計經驗和技術。S.Fujiwara等[7]通過研究輪胎花紋溝槽產生諧振頻率的原理，提出了可以降低花紋溝噪聲的穩態花紋設計方法。W.Strache等[8]將虛擬開發技術應用到輪胎花紋設計過程中，可縮短開發周期和降低開發成本。C.H.Chu等[9]在分析輪胎及其花紋特點的基礎上，借助CATIA提供的CAA-RADE開發工具，實現了輪胎三維花紋的快速化設計。國內的輪胎企業和院校也在研究輪胎花紋設計的開發技術，主要有基于語義的輪胎3D花紋設計、輪胎模具花紋塊系統、基于CAA-RADE的輪胎三維花紋參數化設計等[10-14]。

為了滿足輪胎花紋設計的精細復雜程度，本工作在CATIA V5R22版本下根據花紋塊最小單元——節距設計，在GSD（Generative Shape Design，創成式曲面設計）模塊進行輪胎參數化的節距花紋2D線框和3D曲面設計，然后在PDG（Part Design，零件設計）模塊下轉化為3D實體。通過三維設計中常用的掃略、拉伸、旋轉、曲面特征、布爾運算等命令，完成輪胎花紋的三維造型[15]。在設計過程中，利用參數驅動及CATIA知識工程的特性，先完成一個節距花紋實體的模板創建，并以“節距代號”為主要發布參數進行模板封裝。通過參數變化即可實現不同節距花紋實體的自動生成。然后在ASD（Assembly Design，裝配設計）模塊利用CAA二次開發自動調用單節距花紋模板，根據花紋節距排列順序的設計要求，通過程序自動完成輪胎花紋整周的裝配。

1 CATIA參數化模板設計在花紋設計中的應用

輪胎花紋一般有3—5個不同節距組成。以RP18花紋5個節距設計為例，輪胎整周由A，B，C，D，E五個節距根據一定的順序環形排列組成，這5個節距形狀相似而尺寸不同（一般A為最大，E為最小）。為了直觀展示節距之間的異同，將5個節距花紋展開在同一個平面內，如圖1所示。

每個節距花紋設計只有參數不同而形狀一致，利用CATIA參數驅動及知識工程工具，通過更改模板中發布的“節距代號”參數即可實現由1個節距變參數而生成其他4個節距的操作，由此輪胎的花紋設計就集中到可用參數化的單節距模板設計上。

2 節距花紋的設計

2.1 2D線框設計

在GSD模塊下，根據花紋特點劃分出最小設計單元——節距，首先進行2D線框設計。根據實際需要，如果花紋為對稱設計，則只需要畫出單側圖形，通過相應的對稱、平移操作即可得到另一側圖形，如圖2所示。

2.2 3D曲面設計

在GSD模塊下，根據上級設計節點輸出的輪廓曲線，旋轉即可得到輪胎胎面和溝底面等3D花紋設計中需要的曲面。將已設計好的2D單節距花紋線框對應依次展開投影到胎面上，如圖3所示。然后根據3D設計參數進行角度掃略、橋接、圓角、修剪等操作，實現花紋節距的3D曲面造型的生成，如圖4所示。

圖4 3D曲面節距花紋示意

2.3 3D實體設計

在PDG模塊下，首先將3D曲面節距花紋設計中的溝和鋼片進行封閉曲面，轉化為3D實體。為了便于節距實體在輪胎整周裝配，避免輪胎實體的重復裝配，在單節距花紋實體設計中，并不涉及光面輪胎的實體，對節距花紋實體采用布爾減的設計，如圖5所示。

圖5 3D實體節距花紋設計界面

3 輪胎整周花紋自動裝配

在ASD模塊中，首先根據輪廓曲線得到光面輪胎實體。利用CAA編程二次開發，對做好的3D節距花紋實體進行調用，并根據節距長度自動進行節距間環形排列角度的計算。在開發工具的對話框中輸入節距排列順序“UDFABC”，裝配樹結構中選擇輪廓“Part”和裝配的光面輪胎“Body”，再對裝配的節距花紋3D實體文件做路徑選擇，最后點擊“確定”按鈕，即可實現自動節距花紋的整周裝配，如圖6所示。

圖6 輪胎整周花紋自動裝配界面

4 系列化規格花紋擴展

上述介紹的是單規格輪胎的花紋整周自動裝配過程，通過關聯設計即可實現多規格、系列化的花紋擴展。在ASD模塊中，裝配文件采用關聯設計，有輪廓和花紋兩個裝配節點。在輪廓和花紋兩個模板的設計中均采用配置表設計，如圖7所示。

圖7 輪廓及花紋設計參數配置表界面

兩個配置表均以“輪胎規格”為擴展關鍵參數，當規格發生變化時，配置表關聯設計就會自動更新輪廓圖曲線，并自動選擇新規格下的花紋設計參數，點擊“更新”按鈕，即可實現更新節距花紋及整周花紋裝配，如圖8所示。

圖8 規格驅動的花紋系列擴展界面

5 結語

本工作對輪胎花紋2D和3D設計方法進行探討，采用花紋設計最小單元—節距設計的方法，對節距花紋進行參數化模板設計，以“節距代號”作為參數驅動進行花紋模板擴展的應用。同時利用CAA二次開發，實現了輪胎花紋快速和準確的整周裝配。利用CATIA參數化和知識工程的模板化設計，用配置參數表的關聯和規格驅動，達到了簡單便捷的花紋系列擴展的目的。

以往花紋圖在autoCAD平臺上進行2D節距設計及有限節距數量的平面拼合，不僅不能直觀展現輪胎整周花紋造型，且每個節距的制圖都需要進行重復性設計工作及人工手動節距拼合。以5個節距的花紋設計為例，需要人工設計制圖5次，并且手工拼合5個節距后提供模具廠作為拼合圖示例。本工作基于CATIA/CAA對輪胎花紋設計及整周拼合裝配進行研究，實現了同花紋系列的迅速擴展。以開發24個規格為例，以每個規格耗時8 h計算，24個規格一個人需要24個工作日的時間。采用CATIA/CAA參數化模板設計，利用規格參數驅動圖紙自動更新，加以CAA二次開發節距花紋整周自動裝配，以每個規格2 min計算，24個規格僅需要48 min，即一個人不到1 h的時間就能將花紋圖全部擴展完成。采用CATIA模板設計及CAA開發花紋自動整周裝配，不僅大幅度縮短了設計開發人員的工作時間，同時避免在不同節距重復性設計時出現的人為錯誤，規范設計標準，提高了輪胎花紋圖的設計質量。另外，以整周3D造型花紋圖交付模具廠，可縮短造型確認的溝通時間，進而縮短輪胎開發周期。