基于CATIA平臺的參數化車身設計研究

文勃

摘 要：本文針對傳統的自底向上的設計方式和建模方法，介紹了自頂向下的設計方式和CATIA參數化的建模方，實現底層零件的快速修改更新；并充分利用父代數據的替換功能，使得零件細節設計工作可以在設計的初期開始，甚至是借用數據庫內結構類似的數據。該種參數化設計實現了產品的快速設計、快速更改和并行設計，提高了機車車身的設計效率，節省了開發時間。

關鍵詞：CATIA平臺 參數化 車身設計

中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0075-03

本文中的CATIA平臺的設計多是使用自頂而下的參數化設計方式，設計人員如果要進行方案修改，則只需要將原來的造型圖或者布置圖等圖片或者數據進行更換，系統就能夠自動地進行修改，完成零件結構設計的更新或者修改，在此過程中所輸入的零件數據參數發生相應的變化，完成零件建模，也在這個過程中零件快速設計和更改就相應完成。

1 設計方式概述

作為一項復雜的設計活動，車身產品的設計合理與否將會影響后續車輛的正常使用。合理的車身設計需要處理好車身不同部分零件之間的關系，使他們相互配合。其中，某一個零件的改動就會對其他零件產生一定的影響，其他零件也要發生相應的改動。為了完善機車的造型設計，工作人員就要不斷修改設計方案，直至方案相對完善。一般來說，從第一版的CAS到最后的方案定稿往往會經歷多次變更。而在多次變更中，車身設計的思路和造型等都會發生相應的變化，性能也會更為良好。當然，這都是非常正常的。另外，工藝的反饋過程和CAE分析工作也會讓結構設計中存在的問題逐漸顯現出來，并在此基礎上進行相應的修改。過去，車身的零件設計都是利用三維軟件進行的，之后軟件也會對零件進行相應的裝配，從而完成部件的總體設計工作。這種傳統的設計行為使得車身設計工作的變更性不高，也增加了設計人員的工作量，設計效率偏低，產品的設計質量也不高。

正如上文所提到的，本文采用的是自頂而下的設計方式。該設計過程，也就是說，要以產品的整體需求為導向，要充分考慮車身零件設計中不同零件之間的約束關系，并考慮其分塊關聯。在車身設計的總體概念形成以后，工作人員要對單個零件及逆行詳細的設計。就目前來說，自頂而下的設計理念已經深入人們的思維，也成為當前CAD設計中的主流設計思想。從結構和功能方面來說，機車可以看成一個大的系統，而這個大系統則是由若干個子系統構成的，零件是最基本的子系統，每個子系統都具有不同的功能。這些不同的子系統之間能夠形成一種樹形結構。上游的設計目標能夠通過斷面到達車身的設計中，并關聯傳遞到其他的零件中，從而滿足零件的設計需求，也能夠實現自頂而下的設計需求。上級的總成會對下級的零件提出相應的設計需求，下級零件要按照上級的設計輸入，建立由參數驅動的產品模型，并根據新的參數和關聯迅速發展設計更改。

CATIA系統是由IBM公司和達索公司共同研發形成的新一代的CAD軟件，也是當前應用范圍最廣的、效果最為明顯的CAD軟件。作為計算機輔助三維交互系統，CATIA系統能夠為用戶提供大量的參數化特征體，讓用戶能夠根據自己的產品特點和實際需要建立參數化的數據特征庫。

2 基于CATIA平臺的參數化設計分解

近年來，機車工業的迅速發展在給機車零配件企業帶來發展機遇的同時，也使企業發展面臨諸多挑戰。如何降低產品生產成本、提高產品質量成為各個零部件生產企業面臨的重要任務。為了在激烈的競爭中占據主導地位，很多企業開始采取CAD技術，提高自身對市場的快速響應能力。正因為如此，各類CAD軟件得到了較為廣泛的應用，其中CATIA平臺擁有廣大的用戶群體。機車零部件的產品種類較多，而產品的開發過程又是一種順序過程。在設計之初，設計人員很難考慮到產品的可制造性、可裝配性等，因此多次修改才能夠達到完善的地步。CATIA等系統的應用并不能一次性滿足客戶的基本需求，因此，設計人員要根據實際情況輸入必要參數，系統在較短時間內生產優化的變型計算結果，從而提高產品的設計效率，縮短設計周期。

CATIA在開發過程中充分應用了先進的技術標準，主要具有以下幾個方面的特征：第一，采用單一的數據結構，不同模塊之間的數據相關性較強；第二，產品設計集成以流程為中心，能夠根據不同的產品類型，提供不同的開發流程；第三，能夠更新設計人員的知識經驗，加快產品的設計和研發；第四，應用先進的混合建模技術，將幾何元素和設計知識都能夠統一到模型中；第五，開放性平臺，能夠為各種應用的集成提供應用架構，它提供的JAVA交互面板等能夠提供一個完全一致的開發環境；第六，為并行工程提供設計環境；第六，針對特定的設計開展工程分析；是一種端到端的集成系統。

基于CATIA平臺的參數化車身設計要先對各個零件進行詳細的設計，并為各個子系統建立斷面部分，之后形成product，并為此提供相關的Publication數據。之后，要對各個零件進行具體的設計，協調不同零件之間的約束關系，從而為后續的設計工作提供更好的保障。從功能分解的角度來看，該種自頂而下的設計方法能夠滿足機車車身的設計要求，并能將這種設計要求分解到不同部件方面，也能實現總體設計目標。從結構分解方面來說，自頂而下的設計是一個自上而下的設計工作，是一個精益求精的設計過程，是一個設計不斷分解并最終獲得滿足的過程。當前機車車身的設計對產品進度提出了更高的要求，并將零部件的設計工作看成是一種模塊化和參數化的設計。在零件部分中詳細設計的構造中，通過輸入不同的條件或者參數，零件部分就會自動或者少量的修改完成，并借助數據庫中的已有信息，完成產品的設計工作。總之，自頂而下的設計思路是從整體到局部的設計思路，能夠實現車身設計的后期細化調整，并能夠進行并行開發。在這個過程中，參數會進行傳遞，并實現該設計需求。

3 CATIA參數設計過程研究

CATIA軟件為參數化設計提供了一個重要的平臺，并將概念設計和詳細設計有序地結合起來，將其貫穿于整個產品設計過程中，保證設計工作的順利進行。參數化設計能夠存儲整個設計過程，并設計出具有高度相似性的產品模型。作為一種全新的思維方式，參數化設計能夠積極進行產品的創建和設計的修改，它利用約束來表達出產品的集合特征，并定義一組參數來控制產品設計的結果。在這個過程中，通過參數的調整來實現設計模型的修改，以創建功能或者形狀相似的設計方案。

第一，軟件設置方面。要在結構數中顯示設計的參數值和公式，并顯示參數、關聯和約束等；在product中要帶參數進行外部引用，可以進行手動更新。之后，可以點擊f（x）圖標，進入formula對話框，新建設計參數。

第二，形成參數化建模的零件樹。

第三，進行參數傳遞。CATIA參數化設計的建模分為斷面部分和零件部分。（1）斷面部分是對設計造型輸入和總布置輸入進行出來，并將不同的造型面、線和總布置信息連接到斷面部分，進行布置設計工作。輸入的是造型和總布置圖，輸出的則是斷面部分。（2）零件部分。這是完整的結構特征設計，輸出的是具體的零件。CATIA具有非常完善的參數功能，能夠對大概圖中的元素進行幾何相關性約束，表示出設計人員的設計思路，并在后續設計中進行相應的修改，并對相關的設計尺寸作參數關聯，從而達到參數驅動建模的根本目的。一般來說，車身設計需要建立55～80個左右的參數化斷面。為了達到斷面更新的目的，可以替換不同的造型圖，并通過修改其中的相關參數，調整斷面結構，防止出現重復斷面繪制的情況。為了方便后期的設計修改，一般車身設計過程中會將過程尺寸通過形式控制，并將車身的料厚信息在參數中明確體現出來。作為參數化建模的重要手段，參數關聯能夠進行定義和控制模型尺寸，對機車零部件設計工作具有十分重要的意義。另外，不同Part之間的參數傳遞也很重要。這也代表著父Part和子part之間的密切關系和數據關聯。一旦前者發生變化，后者的引用元素也會發生相應的變化，從而實現不同Part的參數傳遞。另外，參數設計還有replace的功能。在造型面、總布置圖等發生變化時，就可以利用replace功能發揮替代作用，并實現零件的快速更改，從而達到更新斷面的根本目的。另外，該功能的應用也能夠發揮Part結構替換的功能，從而優化車身設計。

4 自頂而下的建模方法在參數化車身設計中的應用分析

在車身設計過程中，要使后座腿部的空間更大，就應使R點發生后移，下車身的尺寸也應相應地增長，車身造型也相應地改變。基于CATIA平臺的參數化設計方案的應用能夠迅速調整車身設計工作。

第一，下車身的更改。車輛下車身的布置斷面主要由三個部分構成：機艙、前地板和中后地板。本部分只討論中后地板的后移，修改中后地板部分的布置斷面。中后地板中凸起的位置決定著腿部空間的后移，而凸起位置點與R點是相互關聯的。要實現下車身更改，就要使用Replace命令置換總布置圖，之后中后地板截面和其周邊搭件的斷面也會發生相應的后向移動。為了實現車身斷面的更新，要安裝硬點。斷面的改變會使零件部分相應地更新。自頂而下參數的傳遞會在很短的時間內完成下車身部分的相關修改。

第二，上車身更改。如果上車身的造型發生變化，那上車身的斷面也會因此發生變化。以車頂蓋后的風擋處為例，斷面的輸入是后風擋和頂蓋的造型面。而頂蓋的第一道的翻邊與頂蓋的分縫和造型面是相互關聯的，風擋的涂膠面又是與玻璃面相關聯的。在車身設計過程中，工作人員只需要使用Replace命令替換其中的輸入數據，斷面就會發生自動更新。這樣一來，斷面的更新也會迅速傳遞到零件部分，零件部分也會發生實時更新。

第三，Part結構的調整和更改。車身零件細節的更改可以通過part內部參數的修改來實現。以車的內飾車棚安裝支架為例，筋的寬度和深度可以通過草圖設計進行某些可視化的調整和修改，零件的細節特征也可以隨時進行修改。就孔的位置和尺寸方面可以通過內飾提供的輸入進行調整，并將孔兩側筋的位置和孔心的位置與零件上下切邊關聯起來。一旦內飾的安裝點發生改變，那么孔兩側筋的位置也會相應地修改，零件的上下切邊發生相應的變化，之后零件的細節特征能夠自動修改。這樣一來，零件的設計初期就能夠對相應的設計細節進行隨時修改，而后期也能夠對不合理之處通過簡單的操作改變，使得同步工程得以實現。另外，如果所需要的零件結構的相關數據與數據庫中已有的零件結構相類似，那么就可以借用這個數據庫內結構類似的數據，對于不相似之處則可以通過少量修改或者替換數據輸入來實現。

綜上所述，自頂而上建模方法在車身設計中的應用能夠在較短時間內實現車身設計的調整和更改，有利于實現車身的優化設計，是車身以及零部件設計過程中的重要方法。

5 結語

基于CATIA平臺的參數化車身設計可以迅速的建立自頂而下的產品設計模型，并通過參數替換或修改等功能，提高建模的效率，節省大量修改和反復建模的時間，有效地避免設計過程中的重復勞動，也能夠騰出更多的時間進行數據完善。另外，該種設計也能借用內部零件的設計方式，提高設計效率。另外，參數化修改和父代替換的形式使得細節設計更為重要，有利于并行工程的實現，也能夠努力縮短設計周期，實現車身的優化設計。車身的優化設計是一項長期的工作，需要多方面因素的協調控制，更需要多個工作人員的共同努力。除了車身設計之外，基于CATIA平臺的參數化設計方案已經被廣泛應用到車門等設計過程之中，發揮出較大的實用價值，也為機車零部件企業的運營發展提供了良好的思路，極大地提高了這部分企業的市場競爭力，有利于促進我國機車行業的長遠健康發展。

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