基于CATIA軟件的冬季輪胎復(fù)雜鋼片模板研究

吳東霞，程麗娜，李 華

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)輪胎性能的要求越來(lái)越高[1]，花紋設(shè)計(jì)直接關(guān)系到輪胎的使用性能和壽命[2]。CATIA是大型CAD/CAM軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域，CATIA知識(shí)工程模塊是其重要組成部分。隨著有限元分析軟件在輪胎設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，越來(lái)越多的企業(yè)使用CATIA軟件進(jìn)行花紋參數(shù)化設(shè)計(jì)。冬季輪胎的一副模具上鋼片數(shù)量達(dá)3 000多個(gè)，種類多達(dá)幾十種，因此對(duì)模板穩(wěn)定性和功能性要求很高。一般花紋設(shè)計(jì)時(shí)，需要先判斷每個(gè)鋼片的形狀，再進(jìn)行作圖。采用CATIA軟件知識(shí)工程模塊輔助設(shè)計(jì)，將鋼片按區(qū)域或類型進(jìn)行分類，每類鋼片只需制作一個(gè)模板。當(dāng)變換規(guī)格時(shí)，模板需滿足多變性和穩(wěn)定性[3]，在作圖質(zhì)量上有更高的要求，應(yīng)滿足鋼片因長(zhǎng)度和位置引起的形狀多變性。

本工作結(jié)合實(shí)際，對(duì)冬季輪胎復(fù)雜鋼片知識(shí)工程模塊輔助建模進(jìn)行分析。

1 鋼片結(jié)構(gòu)分析

冬季輪胎鋼片基本上都是折彎鋼片，沿鋼片中心線方向規(guī)律地陣列延伸，起始端和末端結(jié)構(gòu)在不同位置形狀不一致，鋼片斷點(diǎn)位置不同，末端曲線延伸方向也不同，且與末端花紋溝邊界線有關(guān)系。鋼片與花紋溝夾角過小時(shí)，則鋼片末端方向需要與邊界線近似垂直，為了提高花紋模板的適用性，制作花紋模板時(shí)此區(qū)域鋼片使用同一鋼片模板，從而達(dá)到不管鋼片數(shù)量和位置如何改變，鋼片形狀能根據(jù)邊界位置而自動(dòng)更新形狀。

本研究以圖1所示冬季輪胎折彎鋼片為例進(jìn)行分析。

圖1 鋼片結(jié)構(gòu)示意

2 CATIA建模分析

2.1 折彎鋼片建模

由鋼片結(jié)構(gòu)分析可知，鋼片具有多樣性，且不同規(guī)格、不同節(jié)距輪胎鋼片位置不定等因素都使建模增加了難度。

本研究花紋鋼片起始端全部從左往右方向開始，先對(duì)鋼片中心曲線進(jìn)行方向固定。然后當(dāng)鋼片中心線兩端在中翻轉(zhuǎn)曲線和中變形曲線1之間，則出現(xiàn)鋼片起始端和末端全部向下延伸；當(dāng)鋼片與打斷邊界相交時(shí)則將鋼片一分為二，定義左側(cè)鋼片為次要鋼片，右側(cè)鋼片為主要鋼片。主要鋼片重新進(jìn)行折彎排布，仍然從左向右進(jìn)行。且當(dāng)主要鋼片末端碰到中變形曲線2時(shí)末端向上延伸；當(dāng)鋼片與中翻轉(zhuǎn)曲線和打斷邊界都不相交時(shí)，則起始端和平直末端向下延伸。

在花紋模板中鋼片數(shù)量存在六等分、七等分、八等分等情況（見圖2），花紋設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)3種情況分別考慮，做出3種設(shè)計(jì)，新建曲線參數(shù)，使用知識(shí)工程模塊中的規(guī)則按條件顯示。

圖2 鋼片等分示意

2.2 建模重點(diǎn)

建模的重點(diǎn)首先是判斷影響鋼片形狀的因素，然后采用知識(shí)工程模塊規(guī)則控制不同情況下最終形狀輸出。其次是計(jì)算鋼片折彎周期，通過鋼片中心線和邊界線，計(jì)算鋼片的折彎周期數(shù)量，通過陣列復(fù)制等操作進(jìn)行周期排列，從而減少作圖步驟，提高作圖效率。

2.3 建模步驟

（1）打開CATIA軟件進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊。首先插入幾何圖形集，創(chuàng)建輸入元素[4]，接著對(duì)輸入元素進(jìn)行作圖處理，分幾何圖像集對(duì)不同部分鋼片分開處理，最后根據(jù)要求輸出結(jié)果。

（2）輸入幾何圖形集。在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊選擇插入菜單的幾何圖形集命令，插入幾何圖形集。作為輸入幾何圖形集，在花紋模板繪制時(shí)，鋼片中心線及鋼片邊界線以非參形式作為輸入元素，如圖1所示鋼片所在位置邊界線。

（3）輸入處理幾何圖像集。對(duì)輸入元素進(jìn)行處理，首先統(tǒng)一鋼片方向，使用知識(shí)工程模塊規(guī)則輔助線構(gòu)造函數(shù)，進(jìn)行方向設(shè)置，且根據(jù)將鋼片分為主要鋼片和次要鋼片的建模思路，對(duì)鋼片中心線也進(jìn)行區(qū)分，分成主要中心線和次要中心線。

鋼片方向智能判別規(guī)則：

2.4 參數(shù)設(shè)置

在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊中插入F（X）公式創(chuàng)建新類型參數(shù)[5]。在輸入處理后，將鋼片中心線長(zhǎng)度作為參考，根據(jù)鋼片結(jié)構(gòu)按規(guī)律設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)鋼片長(zhǎng)度可以用公式計(jì)算鋼片周期數(shù)（N），用于后續(xù)作圖。對(duì)鋼片進(jìn)行陣列操作，鋼片陣列數(shù)等于N；當(dāng)N＝2Nh（Nh為半周期數(shù)）時(shí)，陣列操作結(jié)果就是鋼片總長(zhǎng)度；當(dāng)N＜2Nh時(shí)，陣列結(jié)果后面需增加半個(gè)周期長(zhǎng)度為完整鋼片長(zhǎng)度。

折彎周期長(zhǎng)度L＝8 mm；半周期長(zhǎng)度Lh＝4 mm；鋼片起始平坦長(zhǎng)度L0＝3 mm；鋼片中心線長(zhǎng)度Lc由程序自動(dòng)計(jì)算得出：Lc＝length（`鋼片中心線`）。

可根據(jù)以下公式計(jì)算N和Nh，并取整。

2.5 知識(shí)工程模塊規(guī)則

在知識(shí)工程模塊Knowledge Advisor中創(chuàng)建規(guī)則，使用已創(chuàng)建的參數(shù)，依照設(shè)計(jì)思路將相關(guān)聯(lián)的關(guān)系用規(guī)則控制，使最終輸出鋼片曲線滿足鋼片邊界內(nèi)的所有情況[6]。

當(dāng)鋼片中心線與打斷邊界距離作為判斷依據(jù)，如距離為零或小于1.5 mm時(shí)，兩者相交鋼片一分為二，如圖1所示，則此操作步驟作true激活處理，其余操作的關(guān)鍵步驟活動(dòng)為false取消激活處理；當(dāng)與打斷邊界不相交時(shí)，不相交操作步驟作true激活處理，其他相矛盾步驟作false取消激活處理。按條件進(jìn)行判斷是否激活相應(yīng)步驟。

主要鋼片中心線激活規(guī)則：

此規(guī)則也可用于鋼片等分的多種情況。

使用該方法制作的本研究花紋復(fù)雜鋼片模板和其他花紋鋼片模板分別如圖3和4所示。

圖3 本研究花紋鋼片模板示意

圖4 其他花紋鋼片模板示例

3 結(jié)語(yǔ)

本研究利用CATIA軟件建立復(fù)雜鋼片模板，采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與知識(shí)工程模塊相結(jié)合，通過創(chuàng)建參數(shù)、規(guī)則等進(jìn)行復(fù)雜鋼片建模，解決了鋼片位置不定、形狀多變等難題。不同規(guī)格、不同節(jié)距輪胎相同區(qū)域可以使用同一鋼片模板，大大減少了重復(fù)工作，提高了冬季輪胎花紋模板的建模效率，同時(shí)可減少人工成本。