基于三維設(shè)計軟件CATIA的12R22.5全鋼載重子午線輪胎的造型設(shè)計

戰(zhàn)琪軒，朱柏林，徐 劍，雍占福

（1.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.山東領(lǐng)航輪胎研究院，山東 青島 266042）

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，輪胎工業(yè)在不斷進(jìn)步。在輪胎企業(yè)中，輪胎造型設(shè)計、施工設(shè)計和力學(xué)分析對計算機(jī)技術(shù)的需求漸漸增大，二維設(shè)計軟件逐漸被三維設(shè)計軟件替代[1]。目前，為了降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，利用三維設(shè)計軟件對輪胎進(jìn)行設(shè)計尤為重要。

近年來，利用三維設(shè)計軟件CATIA（簡稱CATIA軟件），設(shè)計人員對輪胎設(shè)計開展了多項研究。席思文[2]基于CATIA軟件進(jìn)行了輪胎包絡(luò)計算分析，結(jié)果準(zhǔn)確，方法可靠。王傳鑄等[3]介紹了CATIA軟件在輪胎設(shè)計中的具體應(yīng)用，效果明顯。楊洪云等[4]基于CATIA軟件進(jìn)行二次開發(fā)，創(chuàng)建出輪胎包絡(luò)自動形成的方法。孫文學(xué)[5]研究了基于UG軟件的子午線輪胎及其模具CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，介紹了三維設(shè)計軟件的具體使用情況。李廷照[6]對CATIA軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計出一套輪胎3D花紋的自動設(shè)計系統(tǒng)。胡燕萍[7]研究了CATIA軟件在輪胎三維設(shè)計中的應(yīng)用，有效提高了研發(fā)者的工作效率。黃榮彬等[8]基于CATIA軟件設(shè)計了12.00R20變節(jié)距花紋全鋼載重子午輪胎造型，可完成復(fù)雜花紋的施工設(shè)計，使材料分布更加符合實際施工尺寸。李華等[9-10]研究了基于CATIA參數(shù)化建模及CAA二次開發(fā)的輪胎輪廓參數(shù)化模板設(shè)計方法，進(jìn)行花紋節(jié)距自動排列，實現(xiàn)了輪胎整周花紋快速拼接，可縮短輪胎開發(fā)設(shè)計周期、降低開發(fā)成本。

受上述研究啟示，本工作基于CATIA軟件研究了12R22.5全鋼載重子午線輪胎造型設(shè)計的流程優(yōu)化，提出利用CATIA軟件的不同設(shè)計功能，可以迅速繪制輪胎花紋，模擬成品輪胎造型，優(yōu)化設(shè)計流程。

1 草圖繪制

CATIA軟件的草圖繪制具有類似二維設(shè)計軟件（如AutoCAD）常用的設(shè)計功能，可以迅速繪制輪胎斷面輪廓曲線和花紋展開圖（見圖1和2）。繪制輪胎斷面輪廓曲線時，先在XY面進(jìn)入草圖，在草圖中利用輪廓工具先大致描繪外輪廓，再用約束工具實現(xiàn)斷面輪廓曲線的繪制。將花紋展開圖進(jìn)行適當(dāng)修剪，保留一個花紋節(jié)距，同時也適當(dāng)修剪輪胎斷面輪廓，減小將花紋向胎面展開的難度。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2 胎面造型

CATIA軟件擁有很強(qiáng)的曲面造型功能，可以直接在輪胎斷面輪廓的旋轉(zhuǎn)曲面上繪制花紋。將輪胎斷面輪廓以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，上下各旋轉(zhuǎn)半個節(jié)距，形成輪胎曲面。在胎面處偏移ZX面建立平面，以此平面進(jìn)入草圖，粘貼花紋展開圖，調(diào)整花紋位置，退出草圖后提取胎面，將花紋圖展開在提取面上。

圖2 花紋展開示意

2.1 開槽法

2.1.1 縱向花紋

創(chuàng)建XY平面，以此平面進(jìn)入草圖，按要求畫出縱向花紋溝形狀（見圖3，可在創(chuàng)建形狀時將倒角設(shè)計好），再創(chuàng)建好引導(dǎo)線，使用開槽工具開槽。為了使花紋切割得更加徹底，可以使切割線和引導(dǎo)線向外延伸一段距離，或者使用外插延伸工具。

圖3 開槽法縱向花紋溝三維造型

2.1.2 橫向花紋

創(chuàng)建YZ平面，以此平面進(jìn)入草圖，按要求畫出橫向花紋溝形狀（見圖4）。為方便快捷，可以將橫向花紋投影后用線連接起來（這一步可以在最初展開花紋時連接好，就可以直接接合展開的花紋），此時引導(dǎo)線并不在輪胎曲面上，使用展開工具將引導(dǎo)線展開到輪胎曲面，再使用接合工具，最后使用開槽工具以接合曲線作為引導(dǎo)線開槽。為了使花紋切割得更加徹底，可以使切割線和引導(dǎo)線向外延伸一段距離，或者使用外插延伸工具。

圖4 開槽法橫向花紋溝三維造型

2.1.3 胎冠

使用開槽法切割花紋溝時只使用半個輪胎花紋展開圖，本次設(shè)計花紋為左右對稱，可以使用鏡像工具。先用分割工具以YZ面將沒有展開花紋的一半分割掉，再使用鏡像工具得到1個節(jié)距輪胎的三維造型。本次設(shè)計輪胎節(jié)距為4.86 mm，使用圓形陣列工具可以得到完整輪胎的三維造型，如圖5所示。

圖5 開槽法完整輪胎的三維造型

2.2 掃掠法

2.2.1 縱向花紋

以胎面處平面進(jìn)入草圖，使用鏡像工具得到1個節(jié)距的花紋圖，將縱向花紋和橫向花紋的兩邊各自用線連接起來（在最初展開花紋時連接好，就可以直接提取展開的花紋），退出草圖后再將連接起來的縱向花紋展開到胎面提取面上。使用掃掠工具，輪廓類型選擇直線，子類型使用參考曲面，引導(dǎo)曲線1用右鍵選擇創(chuàng)建多重提取，然后選出1條縱向花紋，再對角度和長度進(jìn)行調(diào)整，確定后得到1個掃掠面，同理得到其他幾條縱向花紋的掃掠面。使用偏移工具，將胎面提取面向下偏移花紋溝深度的距離。為了使花紋切割得更加徹底，可以使用外插延伸工具將掃掠面向外延伸，再使用修剪工具調(diào)整修剪元素，然后使用分割工具得到1條花紋溝，最后使用倒圓角工具得到帶有圓弧的縱向花紋溝。重復(fù)上面的操作，得到其他縱向花紋溝（見圖6）。

圖6 掃掠法縱向花紋溝三維造型

2.2.2 橫向花紋

以胎面平面進(jìn)入草圖，將橫向花紋兩邊都投影后用線連接起來，退出草圖后將連接后的橫向花紋展開到胎面提取面上。使用掃掠工具，輪廓類型選擇直線，子類型使用參考曲面，引導(dǎo)曲線1用右鍵選擇創(chuàng)建多重提取，然后選出1條橫向花紋，再對角度和長度進(jìn)行調(diào)整，確定后得到1個掃掠面，再對橫向花紋展開的另一條做同樣處理，得到第2個掃掠面。將胎面提取面向下偏移橫向花紋溝深度的距離得到1個偏移面。使用外插延伸工具將2個掃掠面和1個偏移面向外延伸適當(dāng)長度，使用修剪工具保留花紋溝部分，分割得到橫向花紋溝（見圖7）。

圖7 掃掠法橫向花紋溝三維造型

2.2.3 胎冠

使用圓形陣列工具將1個節(jié)距旋轉(zhuǎn)指定角度，得到完整輪胎的三維造型（見圖8）。

圖8 掃掠法完整輪胎的三維造型

3 結(jié)語

基于CATIA軟件，本工作使用開槽法和掃掠法簡單快捷地完成了輪胎花紋的繪制，得到了完整輪胎的三維造型，該軟件設(shè)計具有以下優(yōu)點。

（1）軟件設(shè)計數(shù)據(jù)更加精確，材料分布與實際更接近。

（2）隨時根據(jù)需求對輪胎尺寸進(jìn)行調(diào)整，尺寸更精準(zhǔn)，可提高設(shè)計效率，縮短生產(chǎn)周期。

（3）提高輪胎設(shè)計的合格率和工藝穩(wěn)定性。

（4）減少試制次數(shù)，節(jié)約開發(fā)成本。