本文探討了車身的CATIA數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

　　車身設(shè)計(jì)流程

　　一輛新車從前期調(diào)研到后期的批量生產(chǎn)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，而車身的開發(fā)占據(jù)整個(gè)車型開發(fā)的70%，所以車身的開發(fā)在整車開發(fā)的過(guò)程中尤為重要。圖1所示為一般的車身開發(fā)流程。

圖1 車身開發(fā)流程

　　CATIA V5在車身設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用

　　1.車身總布置階段

　　汽車車身總布置是其他設(shè)計(jì)階段的前提和基礎(chǔ)，是汽車設(shè)計(jì)的最初始的步驟，車身總布置的好壞，在很大程度上決定著車身設(shè)計(jì)的成敗。

　　車身總布置可以初步確定駕駛室長(zhǎng)寬高尺寸、前后風(fēng)窗位置和角度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩高度、地板平面高度、前圍板位置、座椅布置、內(nèi)部空間尺寸、方向盤位置角度與操作機(jī)構(gòu)和踏板的相互位置等，對(duì)車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制和指導(dǎo)作用。

圖2 CAITA 2D Layou車身應(yīng)用

　　在這個(gè)過(guò)程中，使用CATIA中的2D Layou(LO1)模塊進(jìn)行車身總布置設(shè)計(jì)，專門用于加速3D概念設(shè)計(jì)流程，它能夠使設(shè)計(jì)師工作在內(nèi)置2D繪圖功能的3D環(huán)境中，使設(shè)計(jì)師能夠工作在一個(gè)多視圖功能的繪圖工作臺(tái)上。在這里我們可以直接使用2D的人體模型模板，也可以將其轉(zhuǎn)換到三維的設(shè)計(jì)中。2D人體模板利用CATIA的模板化功能進(jìn)行定制，并把SAE或其他人體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嵌入到模板中，使其更加符合現(xiàn)實(shí)的人體設(shè)計(jì)。該模塊能夠調(diào)用一切的二維或三維資源到我們的布置中，可以最大程度上利用資源，大大提高效率。如圖2所示，圖中直接調(diào)用目標(biāo)車型的斷面線，利用模板調(diào)用二維人體模型，調(diào)用三維的座椅模型等進(jìn)行布置工作。利用2D概念集合圖形設(shè)計(jì)3D模型，利用完整的圖紙功能規(guī)劃3D模型布局，利用遺留圖紙啟動(dòng)新項(xiàng)目。

　　2.產(chǎn)品開發(fā)階段

　　首先根據(jù)所設(shè)計(jì)車型的規(guī)劃方向、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車所需的要點(diǎn)及概念，繪制出能使第三者充分認(rèn)識(shí)這些概念的內(nèi)容和特點(diǎn)的表達(dá)設(shè)計(jì)的草圖。

　　在外觀概念草圖階段，可以直接利用FSK模塊將造型師的作品(JPG、BMP等格式)直接集成到3D格式中，提供了一個(gè)直觀工具箱，幫助我們將二維數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)。該功能可直接將JPG等圖片按照實(shí)際尺寸大小擺放到三維空間，使用CATIA的自由曲面和創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)，繪制出參考線框，生成曲面，直接轉(zhuǎn)換到加工模塊對(duì)其進(jìn)行數(shù)控編程，以用于后期的油泥制作等階段的數(shù)控加工模型等功能。該功能快捷、方便、直觀，不用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可提高設(shè)計(jì)效率。

　　從很多概念圖中選出數(shù)種方案，使其特征鮮明化，考慮細(xì)部形狀布置等問(wèn)題后，以嚴(yán)格的透視圖畫法，畫出效果圖(見(jiàn)圖3)，一般還要畫出正側(cè)、正前和正后等效果圖，并且所有的形體變化、裝飾件、附件等都要仔細(xì)畫出，給人以真實(shí)的質(zhì)感。

圖3 效果圖

　　現(xiàn)在人們對(duì)于汽車的外觀和舒適性要求越來(lái)越高，而且汽車的外觀也直接影響其銷售業(yè)績(jī)，所以在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，對(duì)其進(jìn)行真實(shí)化的渲染必不可少。在這里可以直接利用一些專業(yè)的渲染軟件，對(duì)其進(jìn)行2D的渲染，也可以利用上面步驟做出來(lái)的3D模型在CATIA中進(jìn)行渲染，2D的渲染總有一些視覺(jué)差異，而三維的渲染更能突出地表現(xiàn)出空間的效果。

　　隨后，利用工業(yè)油泥制作油泥模型(見(jiàn)圖4)，使模型的外表感觀上像真車一樣。

圖4 油泥模型

　　油泥模型制作完成后，通常采用先進(jìn)的數(shù)字化掃描技術(shù)將實(shí)物的表面和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部分用點(diǎn)的云圖方式在CAD系統(tǒng)中顯示，在油泥模型階段確定之后，利用掃描設(shè)備對(duì)其進(jìn)行掃描，得到點(diǎn)云格式的三維數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)，利用CATIA軟件中數(shù)字化編輯器(DSE)將其直接導(dǎo)入到CATIA的三維環(huán)境中，并對(duì)其進(jìn)行下一步驟的A級(jí)曲面建模工作。DSE模塊支持多種點(diǎn)云格式文件(txt、igs、stl、asc等各種掃描設(shè)備的點(diǎn)云文件)，可以對(duì)點(diǎn)云文件進(jìn)行整理、組合、剔除壞點(diǎn)、截面生成以及實(shí)時(shí)外形質(zhì)量診斷等各種操作。

圖5 點(diǎn)云

　　根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)云，開始線圖工作。線圖數(shù)據(jù)必須滿足A級(jí)曲面(見(jiàn)圖6)的要求，這一點(diǎn)非常重要。A級(jí)曲面(線圖數(shù)據(jù))的建模，利用CATIA專門的A級(jí)曲面建模模塊(ICEM SUR DESIGN縮寫ISD)對(duì)其進(jìn)行A級(jí)曲面的建模工作。利用該模塊可以生成高質(zhì)量的A級(jí)曲面，并帶有相應(yīng)的曲面檢查工具，來(lái)對(duì)A級(jí)曲面進(jìn)行檢測(cè)，查找不符合要求的地方，并對(duì)其進(jìn)行修整。該步得到的模型可以直接用于后期的模具設(shè)計(jì)和加工，整個(gè)過(guò)程屬于無(wú)縫連接，并不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖6 內(nèi)飾A級(jí)曲面

　　以上內(nèi)容主要是造型工作，而工程設(shè)計(jì)工作主要是完成車身主斷面、工程設(shè)計(jì)和分析檢查工作。

　　首先介紹一下主斷面設(shè)計(jì)工作，主斷面設(shè)計(jì)對(duì)主要截面進(jìn)行分析，包括布置分析、法規(guī)校核、零件的工藝簡(jiǎn)單分析和固定點(diǎn)的概念設(shè)計(jì)等，并對(duì)各個(gè)零件之間的匹配給出概念設(shè)計(jì)，做出基本的前期開發(fā)布置圖，同時(shí)也根據(jù)造型定義的縫隙和結(jié)構(gòu)工藝提出最小倒角要求，完成理論的縫隙倒角的概念圖。車身主斷面大概要做55～80個(gè)。

　　車身斷面設(shè)計(jì)作為面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)布數(shù)據(jù)，首先要體現(xiàn)出部件間的配合關(guān)系或安裝形式，還要體現(xiàn)出部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、部件間的間隙、部件的料厚、密封膠條的密封形式以及鈑金與內(nèi)飾件的安裝布置等內(nèi)容。斷面圖如圖7所示。

圖7 斷面圖

　　好的車身斷面設(shè)計(jì)的完成等于將白車身的建立完成了80%，剩下的工作就是按照發(fā)布的主斷面引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖8)。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)CATIA的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行工作，利用草圖和裝配斷面切割等工具，可以使工作事半功倍。

圖8 三維結(jié)構(gòu)

　　工程設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用CATIA V5軟件，目前先進(jìn)主機(jī)廠可以實(shí)現(xiàn)全無(wú)紙化設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)模型直接支持模具的設(shè)計(jì)及制造。在完成上步的車身主斷面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行車身零件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只用CATIA的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)(GSD)和自由曲面(FSS)結(jié)合采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)生成帶有關(guān)聯(lián)性的模型文件，在結(jié)構(gòu)發(fā)生更改時(shí)，只要更改主斷面就可以完成零件的自動(dòng)生成，并可以生成帶關(guān)聯(lián)的圖紙，用于指導(dǎo)生產(chǎn);也可以直接進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行加工，完成無(wú)紙化的設(shè)計(jì)。

　　最后，我們必須要進(jìn)行檢查和校核三維數(shù)據(jù)，校核的內(nèi)容包括零部件之間的干涉檢查，各種機(jī)構(gòu)件的DMU、人機(jī)校核和雨刮的面積校核等。

　　CATIA的DMU功能非常強(qiáng)大，它的主要價(jià)值體現(xiàn)在3個(gè)方面：

　　(1)提供各種檔次的可視化功能，用不同方式對(duì)電子樣車的任何部位進(jìn)行審視，評(píng)估，低成本地實(shí)現(xiàn)形象化，擴(kuò)展了樣機(jī)應(yīng)用的范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜區(qū)域的可視化。

　　(2)提供各類對(duì)車型或部件間進(jìn)行功能性分析的手段，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、干涉分析、拆裝分析、空間分析和管理等。低成本地進(jìn)行產(chǎn)品功能性研討，在設(shè)計(jì)早期階段就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段及時(shí)大量地進(jìn)行各種分析，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　(3)應(yīng)用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，按照自頂向下的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)裝配之間、零部件之間和多個(gè)幾何體之間的多層次的端到端的各類關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)的快速更改，降低成本，快速地進(jìn)行多方案的評(píng)估與研討，實(shí)現(xiàn)基于總體參數(shù)的各級(jí)總成之間及內(nèi)部零部件的更改，提高設(shè)計(jì)效率。

　　在人機(jī)校核方面，CATIA提供了人體建模模塊、人體姿態(tài)分析、人體尺寸編輯和人體動(dòng)作分析等來(lái)完成不同的功能，人體建模模塊可以在三維環(huán)境中創(chuàng)建和操作精確的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化人體模型，包括人種、性別、身高百分比定義和人體操作等，可以生成動(dòng)畫及創(chuàng)建高級(jí)視覺(jué)仿真等。人體姿態(tài)分析可以定性和定量地分析人體姿態(tài)的各個(gè)方面，可以對(duì)人的整個(gè)身體及局部姿態(tài)進(jìn)行檢查、評(píng)分以及與已公布的舒適性進(jìn)行比較，從而對(duì)人機(jī)交互環(huán)境中的操作者的舒適度和功效進(jìn)行評(píng)定等。人體尺寸編輯可以制作一些特殊人群人體模型等功能。

　　在人機(jī)功能模塊中可以對(duì)視野，手伸及面、頭部包絡(luò)線等技術(shù)驗(yàn)證參數(shù)，以使我們的設(shè)計(jì)符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。人機(jī)工程分析見(jiàn)圖9。

圖9 人機(jī)工程分析

　　3.工裝開發(fā)階段

　　(1)沖壓模具

　　CATIA在沖壓模具中使用非常廣泛，利用CATIA的知識(shí)工程可以方便地建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，而不是重新建模，使設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單，大大提升效率。

　　(2)夾具

　　CATIA在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用PKT模板技術(shù)，將單個(gè)夾具建成模板，在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，不再是單純地調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件，而是將整個(gè)夾具作為模板直接使用，只要確定一個(gè)夾緊點(diǎn)一個(gè)桌面就可以直接生成一個(gè)夾具，而且可自動(dòng)生成工程圖，嵌入DMU機(jī)構(gòu)仿真，設(shè)計(jì)全參數(shù)化，帶關(guān)聯(lián)，在產(chǎn)品發(fā)生變更的時(shí)候，夾具會(huì)自動(dòng)更新。CATIA的夾具模板設(shè)計(jì)方式使我們的設(shè)計(jì)變得輕松簡(jiǎn)單，將設(shè)計(jì)人員從建模過(guò)程中解放出來(lái)，將精力更多地放在設(shè)計(jì)本身，使我們的夾具設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，提升我們的設(shè)計(jì)效率。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文論述了車身設(shè)計(jì)流程以及在設(shè)計(jì)流程中CATIA的應(yīng)用，并結(jié)合CATIA V5系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，討論了車身設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造過(guò)程中CATIA V5的具體應(yīng)用。由此可以深刻體會(huì)到CATIA V5已不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的輔助設(shè)計(jì)工具，它所提供的先進(jìn)建模與仿真技術(shù)，為車身的設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造建立了一個(gè)相當(dāng)完善的軟件系統(tǒng)支撐環(huán)境，加快了新車型的開發(fā)速度，增強(qiáng)了其對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力，給企業(yè)帶來(lái)了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。