基于CATIA的輪胎產品設計數字化模型搭建

李 華，張 敏，吳月仙，楊 旭，程麗娜，吳東霞，奚豐希

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著社會經濟的迅速發展，汽車需求量日益增加，輪胎的需求量也隨之不斷增大。輪胎作為汽車行駛中唯一接觸地面的部件，對乘車的舒適性和安全性起著極其重要的作用[1-4]，因此人們對輪胎產品設計的重視程度也不斷上升。輪胎產品設計一般分為Profile（輪廓）設計、Pattern（花紋）設計和Sidewall（胎側）設計，3部分設計既有聯系又各自獨立。輪胎產品的設計整體性要求輪廓設計作為數據源頭，其設計參數是花紋設計和胎側設計的重要輸入。但隨著企業內部分工精細化的發展，這3部分設計可能由2或3個部門共同合作完成，就對協同設計提出了很高的要求。輪廓圖設計的上游數據在更改后必須能夠及時有效地傳遞給下游設計，使下游數據進行同步設計更改。為了解決數據協同的問題，國內眾多輪胎企業都開啟了輪胎設計平臺的二次開發工作。張安強等[5]開發了基于Windows系統平臺CAD系統（WTireCAD系統）的模塊結構、設計界面和設計模塊，利用ObjectARX在AutoCAD環境下實現輪胎結構設計尺寸驅動功能。黃文龍等[6]用VisualBasic語言開發了子午線輪胎CAD系統，采用數字化輪廓描述方法實現了自動參數化繪圖功能。劉大眾[7]利用VisualBasic語言開發的輪胎CAD系統涵蓋了輪胎常規設計、計算和繪圖全過程。郝永濤等[8]提出了自動化智能輪胎設計的概念，建立了計算機輔助設計三維輪胎數字化模型開發設計平臺。因此，在數據協同而非文件夾管理的模式轉變下，參數的重用及驅動功能變得尤為重要[9]。利用數據協同可避免上、下游設計數據不一致而導致設計錯誤，同時提高了輪胎設計效率；在參數驅動設計中，實現了輪胎數字化模型的整體設計優化，便于后續輪胎設計參數修改時模型自動更新[10-12]。

本工作采用CATIA V5R22版本在GSD（Generative Shape Design，創成式曲面設計）模塊和ASD（Assembly Design，裝配設計）模塊下進行輪胎產品數字化模型設計。該方法采用分級搭建和模板調用相結合的方式進行輪胎設計圖數字化模型結構搭建。對底層部件建立文檔模板或自定義特征模板，使每次新產品裝配搭建時利用數據庫重用的方式進行快速搭建；在Profile設計階段，將協同數據進行發布，作為下游設計的輸入。在輪胎產品數字化模型搭建過程中，不僅可以有效收集及重用設計過程中所有的參數數據，且能保證下游數據對上游設計變更的及時響應，提供高效率的設計出圖及便捷的后續設計更改優化?？焖俚膮凋寗庸δ芘浜陷喬ギa品數字化模型搭建可有效避免重復設計，提高輪胎設計圖裝配的精度，同時提高制圖效率。

1 部件裝配結構

按輪胎（Tire）設計的3個部分，將輪胎總裝配分為3個裝配部件，即Profile，Pattern和Sidewall。Profile和Pattern兩個部件各包含一級子部件結構，分別對應輪廓各分段部件和各花紋節距部件。而Sidewall部件包含UPM（上胎側）和LWM（下胎側）2個一級子部件，分別對應于模具的上、下胎側。一級子部件又分UPM_CHS、LWM_CHS（上、下固定胎側板）部件和若干STB部件（活絡塊），分別對應于模具的上、下固定胎側板和活絡塊；繼續搭建若干CHS部件（字符串）等第3級子部件和各CHS/STB部件的PTT定位等第4級部件（見圖1）。

圖1 輪胎產品數字化模型部件搭建示意

輪胎產品的全部圖紙設計都在以上數字化模型中搭建部件，如Pattern節距數及節距排列關系、STB和CHS的數量及類型選擇等，確保數字化模型部件與實際輪胎設計完全一致。

2 參數定義

為了有效利用CATIA軟件的參數驅動功能，需要將輪胎產品的設計數據全部參數化，具體方式是將Profile，Pattern和Sidewall的全部設計數據進行參數定義，創建參數配置表。以輪廓圖為例，將全部設計數據進行參數定義，如圖2所示。

圖2 輪廓圖設計數據參數定義

根據不同產品對應的參數數據進行配置表設計，如圖3所示。

圖3 輪廓圖配置表設計界面

花紋圖和胎側圖同理進行參數定義和配置表設計。需要注意的是，雖然是不同的配置表設計，但其最終都關聯到同一個數字化模型裝配中，為了上、下游數據重用及協同，建議參數定義不要重復命名以免造成混淆。

3 CATIA內創建參數及關聯關系

在產品設計3個主體部件下，創建已定義的參數并與對應的設計配置表進行關聯設計[13]。利用參數驅動實現設計數據變更時，參數變化直接驅動數字化模型更新，而不需要重復創建模型。

4 創建模板數據庫：底層部件的模板開發

4.1 輪廓和花紋一級子部件數字化模型設計

利用定義好的設計參數進行輪廓圖和花紋圖設計，完成相應的輪廓分段和花紋節距模板開發，用于后續Profile和Pattern模型搭建。以輪廓圖為例，對輪廓進行分段設計，每段設計將下游設計用到的輸入進行發布輸出。

4.2 胎側底層部件數字化模型設計

對胎側中STB和CHS創建模板，與輪廓和花紋模板一樣發布設計參數，利用參數驅動功能實現設計數據變更時模板重用的目的；對胎側中STB和CHS部件創建相應的包含定位及字體排列等功能的模板，實現胎側/字體設計角度、排布半徑等設計數據更改時模板重用。

5 模板調用及裝配搭建

搭建好輪胎產品設計部件結構后，對各部件采用模板調用或者手工創建的方式完成數字化模型裝配。

5.1 Profile數字化模型搭建

調入Profile子部件模板，建立子部件數字化模型，并對必要的點、線等元素進行發布，作為下游Pattern和Sidewall模型的輸入，如圖4所示。

圖4 輪廓模板及上游數據發布界面

當上游Profile設計數據更改時，下游設計可以同步進行更新，保證數據源的唯一性及設計準確性，實現數據協同。

5.2 Pattern數字化模型搭建

調入Pattern子部件模板，建立子部件數字化模型，以上游Profile設計發布的如PDM_size、胎面曲線及花紋溝底曲線等對象作為外部參數/外部參考的輸入，結合Pattern配置表中的設計參數，逐一實例化可參數驅動的各節距，完成該節點一級部件的搭建，如圖5所示。

圖5 數據重用的實例化花紋節距設計界面

5.3 Sidewall數字化模型搭建

以上游Profile設計發布的如分型面半徑點和胎側曲線等對象作為外部參考的輸入，在搭建好的包含四級結構的胎側節點中，首先調入定位模板搭建四級PTT定位部件數字化模型，以確定整個胎側設計所有的定位點、定位線和定位面，如圖6所示。

圖6 PTT定位點/軸/線/面模板示意

根據已經創建完成的定位模板，依次調入CHS和STB等一系列模板搭建三級和二級部件數字化模型，對于裝飾鐳射線等特殊設計采用手工設計創建的方式。最后完成Sidewall全裝配部件數字化模型搭建，同時完成全裝配輪胎產品設計數字化模型搭建，如圖7所示。

圖7 輪胎全裝配產品設計數字化模型

6 結語

本工作探討輪胎全裝配產品設計部件及數字化模型的搭建方法，通過對全部設計數據進行參數定義及配置表設計，在CATIA中創建定義參數及定制配置表的關聯關系，利用各部件配置表中的參數對數字化模型進行驅動，實現本部件的模型更新，并將相關參數、點/線/面等特征發布出來作為下游相關部件數字化模型的實時輸入。在完成全部部件結構搭建及模板調用后，將各特征通過上、下文鏈接和約束關系等裝配在一起，形成完整的輪胎產品設計圖。

以往對輪胎Profile，Pattern和Sidewall普遍采用獨立設計，為了配合輪胎性能的提升，在實際開發時經常需要對設計進行不斷迭代優化。當Profile上游數據發生設計變更時，會采用人工提取的方式進行二次使用，容易造成設計數據不能及時準確地傳遞到下游，不僅效率低且無法從源頭上保證即時性，造成數據錯誤；而且由于沒有參數驅動，每次發生設計變更時，都需要重新設計制圖，工作量大，耗時長。因此傳統的各部件獨立設計開發不僅使數據容易出現孤島狀態，而且存在由于多次設計修改導致開發周期延長的問題。本工作基于CATIA軟件對輪胎產品設計數字化模型搭建進行研究，實現了Profile，Pattern和Sidewall三部分的設計協同性。采用參數化模板方式進行設計工作，利用CATIA上、下文鏈接和參數驅動功能，不僅保證了上游數據源統一，而且大幅縮短產品開發周期，提升裝配精度，提高了輪胎產品的設計質量。