CATIA軟件在汽車總布置設(shè)計中的應(yīng)用

邵澤楷

摘要：CATIA 軟件是一套完整的含三維設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真的CAD/CAM/CAE 一體化軟件，同時嵌入眾多輔助設(shè)計功能，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)計工業(yè)，可有效降低汽車研發(fā)設(shè)計復(fù)雜度和工作量，提高產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而縮短汽車產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計周期，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機(jī)。

關(guān)鍵詞：CATIA軟件；汽車總布置設(shè)計；應(yīng)用

汽車制造行業(yè)的競爭從未停止，競爭的環(huán)境較為惡劣。產(chǎn)品得不到及時的更新，研發(fā)的現(xiàn)狀似乎有所緩慢，現(xiàn)代汽車的制造是研發(fā)、生產(chǎn)和銷售一條龍服務(wù)，產(chǎn)品的核心理念決定汽車的研發(fā)宗旨，汽車設(shè)計在應(yīng)用CATIA 軟件時應(yīng)當(dāng)結(jié)合自己的核心理念，促使汽車的各個系統(tǒng)能夠更好的得到開發(fā)。

一、CATIA 軟件概述

1.CATIA 軟件型號。CATIA 軟件有許多型號，其中的一款較為先進(jìn)的三維設(shè)計軟件，在汽車領(lǐng)域中對于它的應(yīng)用較為廣泛，CATIA軟件對汽車產(chǎn)品的所有方面進(jìn)行設(shè)計和仿真模擬，對車輛的造型可以進(jìn)行設(shè)計，對機(jī)械可以進(jìn)行加工和分析，CATIA 軟件中有很多模塊和指令，對于使用者來說較為全面。CATIA 軟件可以建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)的模型，可以對三維圖形進(jìn)行分析，對于圖形里的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形態(tài)加以模擬。在設(shè)計和制造產(chǎn)品時，對于復(fù)雜的模型，CATIA 軟件對內(nèi)部的情況了如指掌，產(chǎn)品內(nèi)部的觀察較為到位，對于漫游的狀態(tài)也較為清楚和了解，對于產(chǎn)品還可以進(jìn)行檢查，最后建立運(yùn)動的模型設(shè)計方案，進(jìn)行三維立體的演示，通過視頻呈現(xiàn)出來，CATIA 軟件可以準(zhǔn)確的呈現(xiàn)出模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，為工作人員提供較為清晰的仿真動態(tài)，對于汽車的設(shè)計提供依據(jù)。

2.操作簡介。CATIA 軟件的工作界面較為簡潔，按照操作要求在開始菜單中的數(shù)字模擬中尋找DUM Kinematics，點擊即可進(jìn)入工作界面。在工具欄中尋找DUM 運(yùn)動副創(chuàng)建工具條，它可以建立對應(yīng)的十六種不同的運(yùn)動副。在下面的工具欄中可以進(jìn)行動畫播放、軌跡創(chuàng)建和編輯等功能的操作，還可以將呈現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行錄制。第三工具欄呈現(xiàn)的就是對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的實現(xiàn)功能，可以將運(yùn)動的仿真效果加以動態(tài)化處理。CATIA 軟件打開即可進(jìn)入工作狀態(tài)，模具被打開后可以輸送命令指令，將模具中的所有零件約束起來，運(yùn)動副添加完成后，就可以對部件進(jìn)行約束，約束完成后，進(jìn)行指令的轉(zhuǎn)換功能并且施加驅(qū)動，最后即可呈現(xiàn)出完整的運(yùn)動軌跡，模具可以對運(yùn)動進(jìn)行仿真，然后檢查模具。技術(shù)可行性原則，要求所設(shè)計的車型的整車尺寸、質(zhì)量、各大系統(tǒng)和人機(jī)工程布置方案，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上是可行的。目前人們追求汽車空間大、動力經(jīng)濟(jì)、整車舒適等性能，這些性能的實現(xiàn)必須從技術(shù)上進(jìn)行滿足，設(shè)計人員要從技術(shù)可行性方面出發(fā)，設(shè)計的車型既要滿足法律法規(guī)的要求，又要對整車的質(zhì)量、發(fā)動機(jī)的匹配、懸架的設(shè)計等方面進(jìn)行分析設(shè)計。脫離了技術(shù)可行性，要么導(dǎo)致設(shè)計不可實現(xiàn)，要么導(dǎo)致產(chǎn)品問世后性能和質(zhì)量問題不斷。汽車總布置設(shè)計中，為了使新開發(fā)的產(chǎn)品更具有競爭力和吸引力，不應(yīng)拘泥于現(xiàn)有的車型選擇和布置型式，而應(yīng)在經(jīng)過各種可行性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新。

二、CATIA軟件在汽車總布置設(shè)計中的應(yīng)用

1.應(yīng)用CATIA 軟件建立整車的數(shù)據(jù)模型。企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品一般會在現(xiàn)有的平臺上進(jìn)行改進(jìn)研發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出來的產(chǎn)品需要對整車的零部件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模，應(yīng)用CATIA 軟件對整車的零部件分別建模，將各個總成進(jìn)行數(shù)據(jù)虛擬裝配，然后進(jìn)行總體裝配，形成整車模型。為獨(dú)立懸架總成的裝配圖。對于一些外購產(chǎn)品，整車廠需要向外購廠家索取三維數(shù)據(jù)模型，如：發(fā)動機(jī)三維模型、后橋三維模型、變速箱三維模型等，這樣可以大大節(jié)省時間，而且可以保證整車設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.CATIA 軟件在總布置圖中的應(yīng)用。車型和整車尺寸確定完成后，應(yīng)用CATIA 軟件繪制整車的總布置圖，整車總布置圖可以直接從整車三維數(shù)據(jù)模型生產(chǎn)，在CATIA 工程制圖中對整車的尺寸進(jìn)行標(biāo)注，這樣大大節(jié)省了繪圖的時間。傳統(tǒng)的繪圖方法是利用CAD 二維軟件對整車的大致輪廓進(jìn)行繪制，然后再進(jìn)行尺寸標(biāo)注，這樣需要對整車的外形和尺寸非常了解，而且對二維軟件的操作非常熟悉的工程師才能完成。利用CATIA軟件直接生成工程制圖的方法來確定整車的總布置圖，只需要了解CATIA 的操作就可以完成，自動化程度非常高，簡單易用。應(yīng)用CATIA 軟件直接生成整車總布置圖，可以實現(xiàn)對整車數(shù)據(jù)模型的及時更新，對不滿足設(shè)計要求的尺寸進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)三維數(shù)據(jù)模型的更新顯示，可以對整車設(shè)計階段整車的外觀進(jìn)行數(shù)據(jù)評審，更加省時便捷。

3.CATIA 軟件在整車校核中的應(yīng)用。整車數(shù)據(jù)校核就是對整車法規(guī)人機(jī)校核，并形成校核報告。應(yīng)用CATIA 軟件可以方便的對整車三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行法規(guī)人機(jī)校核，校核整車各個總成布置的合理性及可維修性。應(yīng)用CATIA 軟件主要對整車的以下系統(tǒng)進(jìn)行校核：整車外形尺寸、動力總成、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、內(nèi)外飾、車身以及人機(jī)工程等。應(yīng)用CATIA 軟件的DMU 功能對整車各個總成間的間隙和干涉情況進(jìn)行分析，對設(shè)計要求進(jìn)行檢測。如對排氣系統(tǒng)進(jìn)行校核，保證排氣管與油箱、轉(zhuǎn)向機(jī)油管、轉(zhuǎn)向機(jī)防塵套、換擋拉線、發(fā)動機(jī)懸置軟墊的最小間隙≥200mm，從而滿足設(shè)計要求。在CATIA 軟件的DMU 模塊里面建立前懸架運(yùn)動模型，并做出輪胎包絡(luò)面（輪胎上下跳動及轉(zhuǎn)向時形成的運(yùn)動軌跡），我們可以利用輪胎包絡(luò)面來校核輪胎與周邊件的間隙，人機(jī)工程設(shè)計主要基于對人體模型數(shù)據(jù)庫的建立，一切經(jīng)驗數(shù)據(jù)均通過人體的尺寸并借助于SAE 的方法和工具進(jìn)行布置分析。在汽車設(shè)計中，常把95%男人人體尺寸作為設(shè)計上限，5%女人人體尺寸作為設(shè)計下限，因此設(shè)計就可以滿足90%的人的需要。應(yīng)用CATIA 軟件人機(jī)功能模塊可以確定座椅參考點（SgRP）的位置、座椅靠背角和座椅調(diào)節(jié)行程，對駕駛員的視野進(jìn)行設(shè)計、A 柱盲區(qū)進(jìn)行校核、駕駛員和乘客的進(jìn)出方便性、內(nèi)部空間進(jìn)行校核、可維修性、儀表及操縱件的布置進(jìn)行校核等。參考市場上成熟車型，儀表盤平面和儀表盤中心與眼球中心連線與水平面的夾角一般控制在20°±22°范圍內(nèi)，應(yīng)用CATIA 軟件人機(jī)功能模塊對發(fā)動機(jī)機(jī)罩掀起高度進(jìn)行校核。對后備箱箱蓋的掀起高度進(jìn)行校核。對燃油的加注性能進(jìn)行校核。

4.CATIA 軟件對汽車零部件的有限元分析。CATIA 軟件的“分析與模擬”模塊可以對汽車零部件進(jìn)行有限元分析，對零部件的各階模態(tài)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。有限元分析的流程為：建立結(jié)構(gòu)的CATIA 三維模型→劃分網(wǎng)格→約束、加載→計算→有限元結(jié)果→對結(jié)果進(jìn)行分析。如對排氣系統(tǒng)吊鉤位置的選?。号艢庀到y(tǒng)吊鉤的位置必須滿足以下三點設(shè)計原則：①吊鉤應(yīng)該位于振動的節(jié)點上；②吊鉤應(yīng)該在縱向能夠延伸；③吊鉤應(yīng)該位于車身結(jié)構(gòu)的剛性處。如果僅憑經(jīng)驗很難找到準(zhǔn)確的位置，應(yīng)用CATIA 軟件的有限元分析功能對排氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，劃分網(wǎng)格，添加約束并行計算，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行各階模態(tài)分析，從而確定排氣系統(tǒng)上的最佳吊鉤位置，進(jìn)一步確定車身的吊鉤位置，并增加車身吊鉤位置處的剛度，從而保證強(qiáng)度和剛度要求。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基于三維設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真的一體化軟件功能的CATIA 在汽車設(shè)計研發(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]趙立營，黃翔.基于CATIA的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的研究與實現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動化，2016（1）：54-56.

[2]丁巖.新一代的CATIA V5[J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2017（4）.

[3]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，2016（3）.