CATIA軟件在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

蘇國霞

摘 要 CATIA軟件是一套完整的含三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件，同時(shí)嵌入眾多輔助設(shè)計(jì)功能，并具有強(qiáng)大的拓展功能和二次開發(fā)功能。文章總結(jié)了基于CATIA軟件平臺在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用方案，其具有的零件標(biāo)準(zhǔn)庫，人機(jī)工程功能，以及知識工程模塊極大地改變了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)工業(yè)，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而縮短汽車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

關(guān)鍵詞 CATIA軟件；零件標(biāo)準(zhǔn)庫；人機(jī)工程；知識工程

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0025-02

CATIA全稱Computer Aided 3-D Interface Application，自20世紀(jì)80年代由法國Dassault System公司開發(fā)成功，便迅速壯大發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)，汽車制造工業(yè)，造船工業(yè)，廠房設(shè)計(jì)業(yè)，加工裝配等各大行業(yè)。尤其在汽車制造工業(yè)領(lǐng)域，CATIA已成為歐洲汽車工業(yè)乃至北美、亞洲汽車工業(yè)事實(shí)意義上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其客戶涵蓋了歐洲著名的汽車一線品牌，如寶馬、奔馳、克萊斯勒等。CATIA在汽車風(fēng)格造型，車身設(shè)計(jì)以及發(fā)動起引擎開發(fā)等方面提供了E2E（端對端）解決方案，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，加速汽車新車型新產(chǎn)品的上市進(jìn)程，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

1 龐大的零件標(biāo)準(zhǔn)庫及二次開發(fā)功能，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度

作為傳統(tǒng)制造工業(yè)的典范產(chǎn)品，汽車具有龐大的零部件系統(tǒng)，而這些零部件系統(tǒng)在長達(dá)一個(gè)半世紀(jì)的演化過程中已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，而且汽車標(biāo)準(zhǔn)件在汽車全部零件數(shù)量中的比重也在不斷地提高。CATIA V5系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)化部件的應(yīng)用功能—CatalogBrowser，該部件標(biāo)準(zhǔn)庫可以大量降低研發(fā)設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)判性和前瞻性，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度。更為重要的是，CATIA V5的CatalogBrowser具有極強(qiáng)地二次拓展性，眾多汽車制造公司基于各自車型體系以及區(qū)域化的標(biāo)準(zhǔn)差異，基于CATIA V5提供的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，研發(fā)出更具針對性的自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫。

自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫事實(shí)上通過兩個(gè)層級同時(shí)實(shí)現(xiàn)（圖1）：一是創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類型，確立標(biāo)準(zhǔn)件的父類（Parent Class），以及標(biāo)準(zhǔn)件的屬性信息。通過建立標(biāo)準(zhǔn)件的類型索引，可以方便具體設(shè)計(jì)人員檢索或者調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件。二是在系統(tǒng)中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件，建立標(biāo)準(zhǔn)件的三維數(shù)據(jù)模型以及參數(shù)化信息，并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類別（Catalog）。

2 智能化的人機(jī)工程功能，解決人體舒適性和安全性問題

人機(jī)工程學(xué)是一門運(yùn)用各種交叉學(xué)科，去研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，人、機(jī)械及工作環(huán)境互相影響的交叉學(xué)科?，F(xiàn)代汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，尤其強(qiáng)調(diào)汽車工作期間，駕駛?cè)藛T以及乘客所獲得舒適感受以及行車安全等因素，也就是說在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)階段，就需要很好地解決“人機(jī)環(huán)境”之間的相互作用問題。CATIA V5率先提出了人機(jī)設(shè)計(jì)與分析的解決方案，并被集成為四大模塊：人體模型構(gòu)造器HBR，人體模型測量編輯HME，人體姿態(tài)分析HPA以及人體行為分析HPA。

圖2 CATIA V5人機(jī)分析流程簡圖

在汽車的人機(jī)工程中，人（包括駕駛員和乘客）和汽車是相互作用的主體。因此我們需要在充分了解人的身體和生理等各方面的參數(shù)后，根據(jù)汽車不同的工作形態(tài)，對汽車各方面功能進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，使我們汽車產(chǎn)品能夠最大程度上地滿足駕駛?cè)藛T和乘客的舒適性和安全性訴求。而在CATIA軟件中，嵌入了大量基于人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)源和理論系統(tǒng)，并通過這些人體測量學(xué)數(shù)據(jù)建立起參數(shù)化人（虛擬人模型），（圖2）虛擬人模型擁有仿真的人體結(jié)構(gòu)以及人體動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征。同時(shí)研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)在CATIA V5軟件中植入人機(jī)特征評價(jià)模型，如人體舒適性，人體安全性或者人體可視性及可及性等評價(jià)體系。在此基礎(chǔ)中，研發(fā)人員可以在特定的工作場景中進(jìn)行各種各樣的人機(jī)動態(tài)或者靜態(tài)的仿真模擬。如果反饋結(jié)果是積極的且符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行下一步的實(shí)施設(shè)計(jì)。如果反饋結(jié)果是負(fù)面的不符合設(shè)計(jì)要求的，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)的對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 強(qiáng)大的知識工程，優(yōu)化車身總布置設(shè)計(jì)

汽車車身總布置指研究汽車車身的部件布置以及其設(shè)計(jì)，是整車設(shè)計(jì)得的重要組成部分。傳統(tǒng)車身總布置主要依靠設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)和手工繪制圖紙。由于車身多為三維曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)車身總布置設(shè)計(jì)存在精度不高，工作量巨大等現(xiàn)實(shí)問題。

CATIA V5作為全參數(shù)化的CAD軟件，擁有一系列智能化的知識工程軟件模塊，如知識工程顧問，產(chǎn)品知識模塊，產(chǎn)品工程優(yōu)化等模塊，在CATIV V5中，所有的College（知識）以參數(shù)，公式，規(guī)則，設(shè)計(jì)表等形式存在。運(yùn)用CATIA V5強(qiáng)大的知識工程，可以構(gòu)建全參數(shù)化的汽車模型以及人機(jī)互動模型，并通過知識工程模塊實(shí)現(xiàn)車身總布置的不斷優(yōu)化。那么如何通過CATIV V5知識工程實(shí)現(xiàn)車身總布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？首先，要率先建立車身坐標(biāo)系，將虛擬車置于三維立體結(jié)構(gòu)中，建立車身的X，Y，Z三維坐標(biāo)體系。這樣虛擬車身的任何一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)或者部位點(diǎn)都有一個(gè)且唯一一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)與之呼應(yīng)，通過三維坐標(biāo)點(diǎn)也可以唯一確定車身某部位點(diǎn)位置。其次，要建立主要的參考平面，通過選定整車外形尺寸的控制要素（尺寸）并確立基準(zhǔn)參數(shù)。最后是最為關(guān)鍵的是建立車身結(jié)構(gòu)模型，通過運(yùn)用知識工程模塊中的參數(shù)以及上面提及的整車控制尺寸，生成整車車身總布置的控制參數(shù)，并將車身拆解成前部，中部，車尾分別建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。為了實(shí)現(xiàn)車身及其總布置的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，知識工程還具有Check（檢查）功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。如某參數(shù)在進(jìn)行設(shè)定或修改活動時(shí)，若造成目標(biāo)設(shè)計(jì)偏差（如整車尺寸），系統(tǒng)會自動報(bào)警。通過這種檢查預(yù)警機(jī)制，可以將設(shè)計(jì)誤差或者錯誤控制在設(shè)計(jì)前端。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件功能的CATIA在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。其全參數(shù)化的理念，以及強(qiáng)大的拓展和二次開發(fā)功能為廣大的汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來福音，通過高度標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，智能化的人機(jī)仿真模擬以及強(qiáng)大的知識工程，可大幅降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的繁雜度，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，加快汽車新產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]沈梅.CATIA環(huán)境下尺寸驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)件建庫[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998，17（2）.

[2]趙立營，黃翔.基于CATIA的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動化，2013（1）：54-56.

[3]丁巖.新一代的CATIA V5[J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2003（4）.

[4]龔禮洲，黃金陵.面向?qū)ο蠹夹g(shù)在基于知識的工程系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].汽車工程，2000（3）.endprint

摘 要 CATIA軟件是一套完整的含三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件，同時(shí)嵌入眾多輔助設(shè)計(jì)功能，并具有強(qiáng)大的拓展功能和二次開發(fā)功能。文章總結(jié)了基于CATIA軟件平臺在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用方案，其具有的零件標(biāo)準(zhǔn)庫，人機(jī)工程功能，以及知識工程模塊極大地改變了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)工業(yè)，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而縮短汽車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

關(guān)鍵詞 CATIA軟件；零件標(biāo)準(zhǔn)庫；人機(jī)工程；知識工程

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0025-02

CATIA全稱Computer Aided 3-D Interface Application，自20世紀(jì)80年代由法國Dassault System公司開發(fā)成功，便迅速壯大發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)，汽車制造工業(yè)，造船工業(yè)，廠房設(shè)計(jì)業(yè)，加工裝配等各大行業(yè)。尤其在汽車制造工業(yè)領(lǐng)域，CATIA已成為歐洲汽車工業(yè)乃至北美、亞洲汽車工業(yè)事實(shí)意義上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其客戶涵蓋了歐洲著名的汽車一線品牌，如寶馬、奔馳、克萊斯勒等。CATIA在汽車風(fēng)格造型，車身設(shè)計(jì)以及發(fā)動起引擎開發(fā)等方面提供了E2E（端對端）解決方案，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，加速汽車新車型新產(chǎn)品的上市進(jìn)程，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

1 龐大的零件標(biāo)準(zhǔn)庫及二次開發(fā)功能，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度

作為傳統(tǒng)制造工業(yè)的典范產(chǎn)品，汽車具有龐大的零部件系統(tǒng)，而這些零部件系統(tǒng)在長達(dá)一個(gè)半世紀(jì)的演化過程中已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，而且汽車標(biāo)準(zhǔn)件在汽車全部零件數(shù)量中的比重也在不斷地提高。CATIA V5系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)化部件的應(yīng)用功能—CatalogBrowser，該部件標(biāo)準(zhǔn)庫可以大量降低研發(fā)設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)判性和前瞻性，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度。更為重要的是，CATIA V5的CatalogBrowser具有極強(qiáng)地二次拓展性，眾多汽車制造公司基于各自車型體系以及區(qū)域化的標(biāo)準(zhǔn)差異，基于CATIA V5提供的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，研發(fā)出更具針對性的自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫。

自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫事實(shí)上通過兩個(gè)層級同時(shí)實(shí)現(xiàn)（圖1）：一是創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類型，確立標(biāo)準(zhǔn)件的父類（Parent Class），以及標(biāo)準(zhǔn)件的屬性信息。通過建立標(biāo)準(zhǔn)件的類型索引，可以方便具體設(shè)計(jì)人員檢索或者調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件。二是在系統(tǒng)中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件，建立標(biāo)準(zhǔn)件的三維數(shù)據(jù)模型以及參數(shù)化信息，并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類別（Catalog）。

2 智能化的人機(jī)工程功能，解決人體舒適性和安全性問題

人機(jī)工程學(xué)是一門運(yùn)用各種交叉學(xué)科，去研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，人、機(jī)械及工作環(huán)境互相影響的交叉學(xué)科。現(xiàn)代汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，尤其強(qiáng)調(diào)汽車工作期間，駕駛?cè)藛T以及乘客所獲得舒適感受以及行車安全等因素，也就是說在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)階段，就需要很好地解決“人機(jī)環(huán)境”之間的相互作用問題。CATIA V5率先提出了人機(jī)設(shè)計(jì)與分析的解決方案，并被集成為四大模塊：人體模型構(gòu)造器HBR，人體模型測量編輯HME，人體姿態(tài)分析HPA以及人體行為分析HPA。

圖2 CATIA V5人機(jī)分析流程簡圖

在汽車的人機(jī)工程中，人（包括駕駛員和乘客）和汽車是相互作用的主體。因此我們需要在充分了解人的身體和生理等各方面的參數(shù)后，根據(jù)汽車不同的工作形態(tài)，對汽車各方面功能進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，使我們汽車產(chǎn)品能夠最大程度上地滿足駕駛?cè)藛T和乘客的舒適性和安全性訴求。而在CATIA軟件中，嵌入了大量基于人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)源和理論系統(tǒng)，并通過這些人體測量學(xué)數(shù)據(jù)建立起參數(shù)化人（虛擬人模型），（圖2）虛擬人模型擁有仿真的人體結(jié)構(gòu)以及人體動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征。同時(shí)研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)在CATIA V5軟件中植入人機(jī)特征評價(jià)模型，如人體舒適性，人體安全性或者人體可視性及可及性等評價(jià)體系。在此基礎(chǔ)中，研發(fā)人員可以在特定的工作場景中進(jìn)行各種各樣的人機(jī)動態(tài)或者靜態(tài)的仿真模擬。如果反饋結(jié)果是積極的且符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行下一步的實(shí)施設(shè)計(jì)。如果反饋結(jié)果是負(fù)面的不符合設(shè)計(jì)要求的，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)的對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 強(qiáng)大的知識工程，優(yōu)化車身總布置設(shè)計(jì)

汽車車身總布置指研究汽車車身的部件布置以及其設(shè)計(jì)，是整車設(shè)計(jì)得的重要組成部分。傳統(tǒng)車身總布置主要依靠設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)和手工繪制圖紙。由于車身多為三維曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)車身總布置設(shè)計(jì)存在精度不高，工作量巨大等現(xiàn)實(shí)問題。

CATIA V5作為全參數(shù)化的CAD軟件，擁有一系列智能化的知識工程軟件模塊，如知識工程顧問，產(chǎn)品知識模塊，產(chǎn)品工程優(yōu)化等模塊，在CATIV V5中，所有的College（知識）以參數(shù)，公式，規(guī)則，設(shè)計(jì)表等形式存在。運(yùn)用CATIA V5強(qiáng)大的知識工程，可以構(gòu)建全參數(shù)化的汽車模型以及人機(jī)互動模型，并通過知識工程模塊實(shí)現(xiàn)車身總布置的不斷優(yōu)化。那么如何通過CATIV V5知識工程實(shí)現(xiàn)車身總布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？首先，要率先建立車身坐標(biāo)系，將虛擬車置于三維立體結(jié)構(gòu)中，建立車身的X，Y，Z三維坐標(biāo)體系。這樣虛擬車身的任何一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)或者部位點(diǎn)都有一個(gè)且唯一一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)與之呼應(yīng)，通過三維坐標(biāo)點(diǎn)也可以唯一確定車身某部位點(diǎn)位置。其次，要建立主要的參考平面，通過選定整車外形尺寸的控制要素（尺寸）并確立基準(zhǔn)參數(shù)。最后是最為關(guān)鍵的是建立車身結(jié)構(gòu)模型，通過運(yùn)用知識工程模塊中的參數(shù)以及上面提及的整車控制尺寸，生成整車車身總布置的控制參數(shù)，并將車身拆解成前部，中部，車尾分別建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。為了實(shí)現(xiàn)車身及其總布置的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，知識工程還具有Check（檢查）功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。如某參數(shù)在進(jìn)行設(shè)定或修改活動時(shí)，若造成目標(biāo)設(shè)計(jì)偏差（如整車尺寸），系統(tǒng)會自動報(bào)警。通過這種檢查預(yù)警機(jī)制，可以將設(shè)計(jì)誤差或者錯誤控制在設(shè)計(jì)前端。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件功能的CATIA在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。其全參數(shù)化的理念，以及強(qiáng)大的拓展和二次開發(fā)功能為廣大的汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來福音，通過高度標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，智能化的人機(jī)仿真模擬以及強(qiáng)大的知識工程，可大幅降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的繁雜度，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，加快汽車新產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]沈梅.CATIA環(huán)境下尺寸驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)件建庫[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998，17（2）.

[2]趙立營，黃翔.基于CATIA的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動化，2013（1）：54-56.

[3]丁巖.新一代的CATIA V5[J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2003（4）.

[4]龔禮洲，黃金陵.面向?qū)ο蠹夹g(shù)在基于知識的工程系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].汽車工程，2000（3）.endprint

摘 要 CATIA軟件是一套完整的含三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件，同時(shí)嵌入眾多輔助設(shè)計(jì)功能，并具有強(qiáng)大的拓展功能和二次開發(fā)功能。文章總結(jié)了基于CATIA軟件平臺在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用方案，其具有的零件標(biāo)準(zhǔn)庫，人機(jī)工程功能，以及知識工程模塊極大地改變了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)工業(yè)，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而縮短汽車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

關(guān)鍵詞 CATIA軟件；零件標(biāo)準(zhǔn)庫；人機(jī)工程；知識工程

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0025-02

CATIA全稱Computer Aided 3-D Interface Application，自20世紀(jì)80年代由法國Dassault System公司開發(fā)成功，便迅速壯大發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)，汽車制造工業(yè)，造船工業(yè)，廠房設(shè)計(jì)業(yè)，加工裝配等各大行業(yè)。尤其在汽車制造工業(yè)領(lǐng)域，CATIA已成為歐洲汽車工業(yè)乃至北美、亞洲汽車工業(yè)事實(shí)意義上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其客戶涵蓋了歐洲著名的汽車一線品牌，如寶馬、奔馳、克萊斯勒等。CATIA在汽車風(fēng)格造型，車身設(shè)計(jì)以及發(fā)動起引擎開發(fā)等方面提供了E2E（端對端）解決方案，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，加速汽車新車型新產(chǎn)品的上市進(jìn)程，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

1 龐大的零件標(biāo)準(zhǔn)庫及二次開發(fā)功能，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度

作為傳統(tǒng)制造工業(yè)的典范產(chǎn)品，汽車具有龐大的零部件系統(tǒng)，而這些零部件系統(tǒng)在長達(dá)一個(gè)半世紀(jì)的演化過程中已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，而且汽車標(biāo)準(zhǔn)件在汽車全部零件數(shù)量中的比重也在不斷地提高。CATIA V5系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)化部件的應(yīng)用功能—CatalogBrowser，該部件標(biāo)準(zhǔn)庫可以大量降低研發(fā)設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)判性和前瞻性，加快汽車設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度。更為重要的是，CATIA V5的CatalogBrowser具有極強(qiáng)地二次拓展性，眾多汽車制造公司基于各自車型體系以及區(qū)域化的標(biāo)準(zhǔn)差異，基于CATIA V5提供的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，研發(fā)出更具針對性的自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫。

自用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫事實(shí)上通過兩個(gè)層級同時(shí)實(shí)現(xiàn)（圖1）：一是創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類型，確立標(biāo)準(zhǔn)件的父類（Parent Class），以及標(biāo)準(zhǔn)件的屬性信息。通過建立標(biāo)準(zhǔn)件的類型索引，可以方便具體設(shè)計(jì)人員檢索或者調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件。二是在系統(tǒng)中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件，建立標(biāo)準(zhǔn)件的三維數(shù)據(jù)模型以及參數(shù)化信息，并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件類別（Catalog）。

2 智能化的人機(jī)工程功能，解決人體舒適性和安全性問題

人機(jī)工程學(xué)是一門運(yùn)用各種交叉學(xué)科，去研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，人、機(jī)械及工作環(huán)境互相影響的交叉學(xué)科?，F(xiàn)代汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，尤其強(qiáng)調(diào)汽車工作期間，駕駛?cè)藛T以及乘客所獲得舒適感受以及行車安全等因素，也就是說在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)階段，就需要很好地解決“人機(jī)環(huán)境”之間的相互作用問題。CATIA V5率先提出了人機(jī)設(shè)計(jì)與分析的解決方案，并被集成為四大模塊：人體模型構(gòu)造器HBR，人體模型測量編輯HME，人體姿態(tài)分析HPA以及人體行為分析HPA。

圖2 CATIA V5人機(jī)分析流程簡圖

在汽車的人機(jī)工程中，人（包括駕駛員和乘客）和汽車是相互作用的主體。因此我們需要在充分了解人的身體和生理等各方面的參數(shù)后，根據(jù)汽車不同的工作形態(tài)，對汽車各方面功能進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，使我們汽車產(chǎn)品能夠最大程度上地滿足駕駛?cè)藛T和乘客的舒適性和安全性訴求。而在CATIA軟件中，嵌入了大量基于人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)源和理論系統(tǒng)，并通過這些人體測量學(xué)數(shù)據(jù)建立起參數(shù)化人（虛擬人模型），（圖2）虛擬人模型擁有仿真的人體結(jié)構(gòu)以及人體動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征。同時(shí)研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)在CATIA V5軟件中植入人機(jī)特征評價(jià)模型，如人體舒適性，人體安全性或者人體可視性及可及性等評價(jià)體系。在此基礎(chǔ)中，研發(fā)人員可以在特定的工作場景中進(jìn)行各種各樣的人機(jī)動態(tài)或者靜態(tài)的仿真模擬。如果反饋結(jié)果是積極的且符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行下一步的實(shí)施設(shè)計(jì)。如果反饋結(jié)果是負(fù)面的不符合設(shè)計(jì)要求的，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)的對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 強(qiáng)大的知識工程，優(yōu)化車身總布置設(shè)計(jì)

汽車車身總布置指研究汽車車身的部件布置以及其設(shè)計(jì)，是整車設(shè)計(jì)得的重要組成部分。傳統(tǒng)車身總布置主要依靠設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)和手工繪制圖紙。由于車身多為三維曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)車身總布置設(shè)計(jì)存在精度不高，工作量巨大等現(xiàn)實(shí)問題。

CATIA V5作為全參數(shù)化的CAD軟件，擁有一系列智能化的知識工程軟件模塊，如知識工程顧問，產(chǎn)品知識模塊，產(chǎn)品工程優(yōu)化等模塊，在CATIV V5中，所有的College（知識）以參數(shù)，公式，規(guī)則，設(shè)計(jì)表等形式存在。運(yùn)用CATIA V5強(qiáng)大的知識工程，可以構(gòu)建全參數(shù)化的汽車模型以及人機(jī)互動模型，并通過知識工程模塊實(shí)現(xiàn)車身總布置的不斷優(yōu)化。那么如何通過CATIV V5知識工程實(shí)現(xiàn)車身總布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？首先，要率先建立車身坐標(biāo)系，將虛擬車置于三維立體結(jié)構(gòu)中，建立車身的X，Y，Z三維坐標(biāo)體系。這樣虛擬車身的任何一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)或者部位點(diǎn)都有一個(gè)且唯一一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)與之呼應(yīng)，通過三維坐標(biāo)點(diǎn)也可以唯一確定車身某部位點(diǎn)位置。其次，要建立主要的參考平面，通過選定整車外形尺寸的控制要素（尺寸）并確立基準(zhǔn)參數(shù)。最后是最為關(guān)鍵的是建立車身結(jié)構(gòu)模型，通過運(yùn)用知識工程模塊中的參數(shù)以及上面提及的整車控制尺寸，生成整車車身總布置的控制參數(shù)，并將車身拆解成前部，中部，車尾分別建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。為了實(shí)現(xiàn)車身及其總布置的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，知識工程還具有Check（檢查）功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。如某參數(shù)在進(jìn)行設(shè)定或修改活動時(shí)，若造成目標(biāo)設(shè)計(jì)偏差（如整車尺寸），系統(tǒng)會自動報(bào)警。通過這種檢查預(yù)警機(jī)制，可以將設(shè)計(jì)誤差或者錯誤控制在設(shè)計(jì)前端。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于三維設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE一體化軟件功能的CATIA在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。其全參數(shù)化的理念，以及強(qiáng)大的拓展和二次開發(fā)功能為廣大的汽車研發(fā)設(shè)計(jì)者帶來福音，通過高度標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，智能化的人機(jī)仿真模擬以及強(qiáng)大的知識工程，可大幅降低汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的繁雜度，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，加快汽車新產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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