淺談CATIA在隔熱罩設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用

李子旺，黃昌瑞,，武彬，張穎，趙俊男，李帥

（1.沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)加速發(fā)展，推進(jìn)了新一代電子信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合。因此，國內(nèi)外許多汽車公司為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)及生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中都采用各種的三維軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

CATIA軟件是法國達(dá)索公司的大型高端應(yīng)用軟件，其內(nèi)容包含了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)、模擬分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)仿真、工程制圖輸出、到生成加工的全過程，為企業(yè)建立一個(gè)針對(duì)產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)過程的數(shù)字化工作環(huán)境。

隔熱罩是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)周圍零件而設(shè)。成功設(shè)計(jì)的隔熱罩可以阻隔高溫?zé)嵩锤蓴_或損壞其它零件，確保發(fā)動(dòng)機(jī)熱敏元件在適宜的溫度環(huán)境下正常工作。由于隔熱罩是由一系列復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成的，這些曲面是由不同曲率的空間曲面相互連接而成，這種連接既要滿足零件功能和結(jié)構(gòu)布置的要求，又要光滑過渡，達(dá)到平順、和諧的效果。隔熱罩的設(shè)計(jì)一般分為正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。因此，文章分別闡述CATIA軟件在這兩方面設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用，提高隔熱罩設(shè)計(jì)水平與質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

1 CATIA特點(diǎn)簡述

CATIA軟件在世界CAD/CAE/CAM一體化應(yīng)用領(lǐng)域中處于領(lǐng)導(dǎo)地位，應(yīng)用范圍涉及到航空航天、汽車、數(shù)控加工和電子等諸多領(lǐng)域，越來越受到工程技術(shù)人員的青睞，其具體特點(diǎn)如下：

● 基于Windows平臺(tái)開發(fā)的系統(tǒng)，易于使用；

● 知識(shí)驅(qū)動(dòng)的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)；

● 先進(jìn)的電子樣機(jī)技術(shù)；

● 先進(jìn)的混合建模技術(shù)；

● 強(qiáng)大的CAD曲面造型功能；

● 支持并行工程；

● 實(shí)現(xiàn)資源共享，構(gòu)造數(shù)字化企業(yè)；

● 易于發(fā)展電子商務(wù)集成；

● 優(yōu)良的可擴(kuò)展性，保護(hù)用戶投資。

2 隔熱罩開發(fā)流程

隔熱罩整個(gè)開發(fā)過程包括概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析、成品定義和制造、乃至成品在整個(gè)生命周期中的使用和維護(hù)。目前，隔熱罩主要是委托供應(yīng)商生產(chǎn)的，因此文章只考慮CATIA軟件在概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和工程分析三個(gè)階段中的應(yīng)用，具體的隔熱罩設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 隔熱罩設(shè)計(jì)流程圖

3 CATIA在隔熱罩正向設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用

3.1 概念設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)階段中，主要任務(wù)是在熱源與周圍熱敏元件之間確定出合理的隔熱罩布置空間，同時(shí)要預(yù)留出隔熱罩的裝配與拆裝空間。隔熱罩布置原則：要保證隔熱罩與熱源距離10mm以上，隔熱罩與熱敏元件的距離也要保證在30mm以上。

根據(jù)上述要求，使用CATIA軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊，裝配出基于骨架的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型，再使用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，運(yùn)用多重提取和復(fù)制命令建立基于骨架的隔熱罩布置邊界模型（如圖2所示）。

圖2 基于骨架模型的隔熱罩布置邊界模型

在隔熱罩布置邊界模型基礎(chǔ)上，使用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，建立隔熱罩概念設(shè)計(jì)模型（如圖3所示）。

圖3 隔熱罩概念設(shè)計(jì)模型

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中，主要任務(wù)是建立詳細(xì)的三維模型和繪制二維圖紙。其中三維模型的建模思路如下：

（1）根據(jù)隔熱罩概念設(shè)計(jì)模型，確定隔熱罩的沖壓方向；

（2）采用復(fù)制或拷貝幾何命令，復(fù)制隔熱罩邊界；

（3）參照邊界建立隔熱罩曲面模型；

（4）根據(jù)隔熱罩的結(jié)構(gòu)形式和材料參數(shù)，建立隔熱罩實(shí)體模型；

（5）參照隔熱罩整體模型，確定其安裝位置；

（6）根據(jù)隔熱罩的安裝形式，參照安裝位置，繪制隔熱罩安裝孔。

根據(jù)上述思路，首先使用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，建立隔熱罩曲面模型，保證曲面間連續(xù)光滑過渡，達(dá)到平順、和諧的效果（如圖4所示）。

圖4 隔熱罩曲面模型

對(duì)于形狀相對(duì)簡單的隔熱罩來說，使用Generative Sheet-metal Design模塊，運(yùn)用Hopper等命令，建立隔熱罩實(shí)體模型；而形狀復(fù)雜的隔熱罩，采用傳統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)模塊，運(yùn)用加厚或封閉曲面等命令，建立相應(yīng)的實(shí)體模型。在實(shí)體模型基礎(chǔ)上，繪制安裝孔，得到隔熱罩的三維數(shù)模（如圖5所示）。

圖5 隔熱罩三維模型

在繪制二維圖紙時(shí)，使用工程制圖模塊，先標(biāo)注主定位孔的相關(guān)尺寸，再參照定位孔基準(zhǔn)標(biāo)注其他安裝孔尺寸和輪廓尺寸，參照使用要求和材料特性，編寫技術(shù)要求，得到隔熱罩的二維圖紙（如圖6所示）。

圖6 隔熱罩二維圖紙

3.3 工程分析階段

在工程分析階段中，主要任務(wù)體現(xiàn)在DMU校核、安裝工藝性驗(yàn)證、加工工藝性驗(yàn)證和有限元分析四個(gè)方面。

從DMU校核方面考慮，主要檢查隔熱罩與排氣歧管及周邊熱敏元件的空間間隙，在裝配設(shè)計(jì)模塊調(diào)入各子系統(tǒng)模型，使用DMU空間分析模塊對(duì)隔熱罩進(jìn)行間隙測量和靜態(tài)干涉分析（如圖7所示）。圖中的數(shù)據(jù)表示隔熱罩與周圍零部件間的間隙，一般要求大于3mm。如不滿足間隙要求，需要對(duì)模型進(jìn)行表面局部優(yōu)化，重新詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖7 隔熱罩DMU校核

從安裝工藝性驗(yàn)證方面考慮，模擬隔熱罩的裝配過程，合理規(guī)劃各零部件裝配順序，使用DMU配件模塊對(duì)隔熱罩進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉分析。如圖8所示，紅線表示隔熱罩與進(jìn)氣鋁管和吊耳出現(xiàn)干涉，在實(shí)際裝配過程中，會(huì)影響裝配，需要對(duì)模型進(jìn)行安裝位置修改，優(yōu)化裝配順序。

圖8 隔熱罩安裝工藝性驗(yàn)證

從加工工藝性驗(yàn)證方面考慮，參考沖壓方向分析隔熱罩表面拔模角度，繪制分型線，建立隔熱罩凸凹模模型（如圖9所示）。如果出現(xiàn)負(fù)角度的曲面，需要局部重新設(shè)計(jì)。

圖9 隔熱罩加工工藝性驗(yàn)證

從有限元分析方面考慮，使用 Generative Structural Analysis模塊，對(duì)隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析（如圖10所示）。要求一階固有頻率大于250Hz，最大應(yīng)力符合材料使用要求。如不滿足要求，需要通過加筋、增加安裝點(diǎn)等方式來強(qiáng)化。

圖10 隔熱罩有限元分析

在滿足上述的設(shè)計(jì)要求之后，通知供應(yīng)商進(jìn)行樣件開發(fā)工作，制作樣件以便后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。在CATIA軟件知識(shí)工程模塊中，建立如圖11所示的隔熱罩?jǐn)?shù)據(jù)庫，便于后續(xù)數(shù)據(jù)整理和他人參考，具有良好的延續(xù)繼承性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)共享。

圖11 隔熱罩?jǐn)?shù)據(jù)庫

4 CATIA在隔熱罩逆向設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用

逆向設(shè)計(jì)是以無法編輯的隔熱罩模型或隔熱罩實(shí)物為出發(fā)點(diǎn)，在沒有產(chǎn)品原始圖紙的情況下，利用數(shù)字測量儀器，對(duì)已有實(shí)物進(jìn)行工程分析和測量，從而得到相應(yīng)三維模型的過程。相對(duì)于正向設(shè)計(jì)開發(fā)來說，逆向設(shè)計(jì)開發(fā)用曲面重構(gòu)階段代替概念設(shè)計(jì)階段。因此，本節(jié)只闡述CATIA軟件對(duì)無法編輯的隔熱罩模型或隔熱罩實(shí)物的曲面重構(gòu)階段的應(yīng)用。

4.1 CATIA在無法編輯的隔熱罩模型的曲面重構(gòu)階段的應(yīng)用

無法編輯的模型一般情況下是以 CGR格式生成的，首先需要在裝配設(shè)計(jì)模塊中，調(diào)入無法編輯的模型。然后，再進(jìn)入DMU優(yōu)化器模塊，運(yùn)用3D剪切命令對(duì)模型進(jìn)行三角單元化處理，將生成的模型以model格式保存（如圖12所示）。

圖12 隔熱罩model格式模型

在零件設(shè)計(jì)模塊中，新建一個(gè) part，運(yùn)用復(fù)制命令，把model格式模型中的曲面粘貼到part的幾何圖形集中（如圖13所示）。接著，進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊中，對(duì)模型中三角單元的曲面進(jìn)行重構(gòu)，得到隔熱罩曲面模型。最后，按照隔熱罩正向設(shè)計(jì)開發(fā)流程進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

圖13 隔熱罩三角單元的曲面模型

4.2 CATIA在隔熱罩實(shí)物的曲面重構(gòu)階段的應(yīng)用

圖14 隔熱罩點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

在進(jìn)行曲面重構(gòu)之前，要對(duì)隔熱罩實(shí)物進(jìn)行表面數(shù)字化處理，得到隔熱罩表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在DSE模塊中，導(dǎo)入隔熱罩的點(diǎn)云文件，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾等相應(yīng)的處理（如圖14所示）。

運(yùn)用Mesh Creation命令，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)輔成曲面；再運(yùn)用Planar Sections等命令在曲面上繪制交線（如圖15所示）。

圖15 在曲面上繪制交線圖

根據(jù)所建的交線，使用 Freestyle、QSR、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊等模塊進(jìn)行逆向，大體的逆向原則是點(diǎn)-線-面，從而得到隔熱罩曲面模型（如圖16所示）。最后，按照隔熱罩正向設(shè)計(jì)開發(fā)流程進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

圖16 隔熱罩曲面模型

5 總結(jié)

在隔熱罩設(shè)計(jì)開發(fā)中使用CATIA軟件，給設(shè)計(jì)者帶來了極大的方便，提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)誤差及失誤率，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，為企業(yè)降低開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)共享，具有良好的延續(xù)繼承性，同時(shí)也適用于其他產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。