基于CATIA的全景天窗運(yùn)動仿真及校核分析

張俊杰，陳昆山

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

基于CATIA的全景天窗運(yùn)動仿真及校核分析

張俊杰，陳昆山

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

采用CATIA中數(shù)字樣機(jī)DMU模塊，對全景天窗進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。針對天窗的組成部件及運(yùn)動特點(diǎn)，首先建立簡化的天窗模型。在此基礎(chǔ)上，通過對樣機(jī)模型添加符合其運(yùn)動方式的運(yùn)動副和驅(qū)動，使天窗進(jìn)行運(yùn)動，模擬其實(shí)際運(yùn)動軌跡，從而分析天窗運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，對其進(jìn)行校核分析，為全景天窗系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)提供參考。

全景天窗機(jī)構(gòu)；CATIA—DMU；運(yùn)動仿真；校核分析

0　引言

近幾年來，汽車全景天窗已經(jīng)逐漸成為了汽車的一個重要配置。隨著人們對駕乘舒適性要求的不斷提高，全景天窗以時尚氣息和優(yōu)越性贏得了消費(fèi)者的青睞。如何提高對其進(jìn)行虛擬的運(yùn)動仿真及問題檢驗(yàn)是天窗設(shè)計的關(guān)鍵。

本文主要是根據(jù)全景天窗的實(shí)際運(yùn)動軌跡，結(jié)合目標(biāo)設(shè)定值，運(yùn)用CATIA軟件建立了天窗簡化數(shù)模，模擬其實(shí)際運(yùn)動軌跡，對全景天窗進(jìn)行三維運(yùn)動校核分析。根據(jù)根據(jù)校核結(jié)果分析原因，并對數(shù)模的不足之處進(jìn)行及時修改。

1　天窗的校核內(nèi)容

采用CATIA中的DMU（“Digital Mock-Up”的簡稱）模塊對天窗的數(shù)字樣機(jī)模型施加符合其運(yùn)動方式的運(yùn)動副和驅(qū)動命令，實(shí)現(xiàn)對天窗的運(yùn)動模擬仿真，從而形象地分析天窗的運(yùn)動狀態(tài)，優(yōu)化天窗結(jié)構(gòu)的總體布置，提高天窗零件間的相互匹配能力。

天窗的校核主要包括：

1）靜態(tài)校核：主要驗(yàn)證天窗機(jī)構(gòu)在靜態(tài)狀況下，各零部件是否符合設(shè)計要求，即不存在靜態(tài)干涉；

2）動態(tài)校核：主要驗(yàn)證天窗機(jī)構(gòu)在運(yùn)動狀態(tài)下，各零部件的間隙是否足夠，是否存在動態(tài)干涉；

3）前玻璃最高點(diǎn)Z向校核：根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，保證前玻璃在運(yùn)動過程中，其最高點(diǎn)Z向變化量不得超過45mm；

4）前玻璃的加速度：根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，拉索在以50mm/s2的速度運(yùn)動時，前玻璃的加速度不得超過400mm/s2。

2　天窗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真

在CATIA軟件中，天窗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真基本流程如圖1所示。

圖1　運(yùn)動仿真創(chuàng)建流程

2.1建立各零部件的數(shù)模

要模擬天窗的實(shí)際運(yùn)動過程，首先要有相關(guān)零件的三維數(shù)模，包括：車頂玻璃、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、框架總成及其他附件等，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　全景天窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)參考已有的天窗實(shí)物，通過逆向和正向的方式初步建立簡化的三維數(shù)字模型。該分類沒有按照設(shè)計BOM來分，而是依照仿真要求來分的。

2.2天窗系統(tǒng)的虛擬裝配

按照自底向上的設(shè)計方法，進(jìn)入CATIA裝配設(shè)計模塊中導(dǎo)入已經(jīng)建立的簡化三維數(shù)字模型。為了簡化運(yùn)算模型，提高運(yùn)算速度，應(yīng)對運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡化，同時對其他對運(yùn)動仿真影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡化或合并（如將導(dǎo)軌和排水槽合并為一個零件）。為了方便以后的運(yùn)動分析，建立了運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。創(chuàng)建天窗的虛擬裝配模型如圖3所示。

圖3　天窗模型的虛擬裝配圖

2.3運(yùn)動副的添加及控制規(guī)則的設(shè)置

進(jìn)入DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊，建立一個運(yùn)動機(jī)構(gòu)。根據(jù)全景天窗的實(shí)際運(yùn)動情況，首先將“排水槽+導(dǎo)軌”定義為運(yùn)動基準(zhǔn)，后玻璃固定在導(dǎo)軌上，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌中前后移動，從而實(shí)現(xiàn)前玻璃的升降功能。根據(jù)這些運(yùn)動特點(diǎn)來添加機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副，運(yùn)動模型即建立完成。在添加約束的過程中，要注意對已有的約束進(jìn)行轉(zhuǎn)配約束轉(zhuǎn)換，避免過約束影響運(yùn)動分析。表1為關(guān)于天窗各個零件所添加的運(yùn)動副的名稱及原理。

在天窗運(yùn)動分析中，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和前玻璃可以運(yùn)動，驅(qū)動命令必不可少，可以在建立運(yùn)動副使直接定義驅(qū)動命令，也可在運(yùn)動副創(chuàng)建之后定義驅(qū)動命令。為了讓天窗模擬運(yùn)動更加接近于真實(shí)，將拉索的速度設(shè)置為50mm/s，即編輯點(diǎn)曲線9運(yùn)動的法則曲線。

2.4天窗的運(yùn)動模擬仿真

進(jìn)入DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊，設(shè)置合適的運(yùn)動副并添加驅(qū)動力后，機(jī)構(gòu)的自由度為0，表示機(jī)構(gòu)的自由度都被約束完，CATIA彈出系統(tǒng)提示信息，提示機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行運(yùn)動模擬仿真。

在“DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)”工具欄中選擇“使用法則曲線進(jìn)行模擬”按鈕，根據(jù)要求選擇相應(yīng)的選項，從而完成天窗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4　天窗的運(yùn)動模擬仿真

表1　各個零件間運(yùn)動副名稱及原理

3　天窗系統(tǒng)的校核分析

3.1天窗的靜態(tài)校核分析

在天窗裝配設(shè)計階段按要求進(jìn)行各個零部件之間的約束定義后，還需要對天窗機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配干涉檢查（即靜態(tài)校核），以便及早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改，減少錯誤。通過激活Clash命令，并按照相對應(yīng)的對話框中選擇檢查類型和范圍，進(jìn)行靜態(tài)校核。如有干涉現(xiàn)象，分析原因，及時修改更正。天窗的靜態(tài)校核部分結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　后玻璃與導(dǎo)軌的靜態(tài)校核結(jié)果

圖6　前玻璃與后玻璃的靜態(tài)校核結(jié)果

由于后玻璃與導(dǎo)軌通過螺釘連接，必須保證后玻璃上的安裝支架與導(dǎo)軌上的安裝孔相貼合。通過CATIA的靜態(tài)校核的結(jié)果顯示：后玻璃與導(dǎo)軌的接觸類型是接插件，該值為0mm，符合設(shè)計要求，故該靜態(tài)校核合格。

為了防止雨水通過前后玻璃之間的縫隙進(jìn)入車內(nèi)，所以后玻璃前段存在一務(wù)長長的橡膠材料密封務(wù)，以便前玻璃完全關(guān)閉時，前后玻璃能達(dá)到良好的密封效果。通過CATIA的靜態(tài)校核的結(jié)果顯示：前玻璃和后玻璃的接觸類型是碰撞，該值為-7.35mm，在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，故該靜態(tài)校核合格。如若不能達(dá)到設(shè)計要求，應(yīng)對不合理的機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，根據(jù)干涉檢查結(jié)果分析干涉原因，并按給出的干涉提示，結(jié)合實(shí)際的天窗結(jié)構(gòu)，進(jìn)行及時修正，直至該天窗數(shù)模能通過靜態(tài)校核。

3.2天窗的動態(tài)校核分析

運(yùn)用CATIA軟件仿真技術(shù)對天窗的運(yùn)動模擬進(jìn)行詳細(xì)動態(tài)干涉檢查（即動態(tài)校核），可以在天窗投產(chǎn)前有效地檢查天窗各個零部件的間隙及極限干涉情況，降低后期投產(chǎn)風(fēng)險及相應(yīng)成本。

在運(yùn)動仿真過程中，通過以下方法檢查動態(tài)干涉：將DMU運(yùn)動仿真模塊中的clash detection命令設(shè)為on或stop，則在運(yùn)動過程中將碰撞的區(qū)域顯示為紅色并停止運(yùn)動，從而可以詳細(xì)觀察具體干涉部位。圖7為天窗的動態(tài)校核結(jié)果。

圖7　天窗的動態(tài)校核結(jié)果

從動態(tài)校核結(jié)果來看，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動連桿和輔助連桿與后玻璃出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象。由于后玻璃的左右兩側(cè)均存在一務(wù)密封務(wù)，以確保后玻璃與車頂?shù)拿芊鈩?wù)緊密貼合，防止雨水從車頂滲入車內(nèi)。因此驅(qū)動連桿和輔助連桿將輕壓后玻璃左右兩側(cè)的密封務(wù)，從而形成了動態(tài)校核結(jié)果中的情況。進(jìn)一步對干涉結(jié)果進(jìn)行檢測，該干涉的值均為-3.11mm，如圖8所示，該值在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，因此該動態(tài)校核結(jié)果合格。如若不能達(dá)到設(shè)計要求，應(yīng)對不合理的機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，根據(jù)干涉檢查結(jié)果分析干涉原因，并按給出的干涉提示，結(jié)合實(shí)際的天窗結(jié)構(gòu)，進(jìn)行及時修正，直至該天窗數(shù)模能通過動態(tài)校核。

圖8　后玻璃與驅(qū)動支架的干涉值

3.3前玻璃最高點(diǎn)Z向的校核

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T30037-2013汽車電動天窗總成》中的相關(guān)要求，結(jié)合企業(yè)自身的技術(shù)要求規(guī)范，要求天窗的前玻璃起翹高度不得超過38mm，即前玻璃最高點(diǎn)Z向變化不得超過38mm。因此在天窗設(shè)計完成后，要對天窗前玻璃最高點(diǎn)進(jìn)行Z向校核，從而達(dá)到國家和企業(yè)要求的規(guī)范。

在對前玻璃Z向進(jìn)行校核時，選擇激活傳感器按鈕，根據(jù)需要選取相應(yīng)對話窗口中輸出的參數(shù)。天窗前玻璃最高點(diǎn)Z向變化曲線如圖9所示。

圖9　前玻璃最高點(diǎn)Z向變化曲線

根據(jù)上述變化曲線可知，前玻璃最高點(diǎn)Z向變化均在35mm以下，這說明該天窗在運(yùn)動過程中滿足國家和企業(yè)要求的相關(guān)規(guī)范，該設(shè)計合理。

3.4前玻璃加速度的校核

根據(jù)相關(guān)研究表明：汽車天窗水平運(yùn)動過程除了在電機(jī)起動的短時間內(nèi)有個加速過程外，其余時間是一個基本保持勻速運(yùn)動的過程，這個過程一般不會有大的沖擊和噪聲產(chǎn)生；卻多次發(fā)現(xiàn)在斜向運(yùn)動過程的初始階段有較大噪聲。所以要對前玻璃的移動速度進(jìn)行相關(guān)設(shè)定。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，拉索在以50mm/s的速度運(yùn)動時，前玻璃的加速度不得超過400mm/s2。根據(jù)圖10變化曲線可知，前玻璃的加速度值均在400mm/s2以下，這說明該天窗在運(yùn)動過程中符合相關(guān)設(shè)計要求，該設(shè)計合理。

圖10　前玻璃加速度變化曲線

4　結(jié)論

根據(jù)以上三維數(shù)模運(yùn)動仿真分析結(jié)果，可以得到以下基本結(jié)論：

1）天窗機(jī)構(gòu)在靜態(tài)狀況下，各零部件符合設(shè)計要求，不存在靜態(tài)干涉（除前后玻璃結(jié)合處的密封干涉）；

2）動態(tài)校核：天窗機(jī)構(gòu)在運(yùn)動狀況下，各零部件的間隙足夠，不存在動態(tài)干涉（除驅(qū)動連桿和輔助連桿與后玻璃左右兩側(cè)的干涉）；

3）前玻璃最高點(diǎn)Z向變化量在相關(guān)技術(shù)要求范圍值內(nèi)；

4）前玻璃的加速度在相關(guān)設(shè)計要求范圍內(nèi)。

綜上所述，該天窗設(shè)計符合設(shè)計要求。

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Kinematic simulation and checking analysis of panoramic sunroof based on CATIA

ZHANG Jun-jie， CHEN Kun-shan

U463.83+5

A

1009-0134（2016）10-0052-04

2016-08-05

張俊杰（1991 -），男，江蘇常州人，研究生，研究方向?yàn)槠嚁?shù)字化設(shè)計及仿真研究。