基于CATIA軟件的冬季輪胎復雜鋼片模板研究

吳東霞，程麗娜，李 華

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著汽車行業的迅速發展，對輪胎性能的要求越來越高[1]，花紋設計直接關系到輪胎的使用性能和壽命[2]。CATIA是大型CAD/CAM軟件，廣泛應用于汽車、航空航天、船舶等領域，CATIA知識工程模塊是其重要組成部分。隨著有限元分析軟件在輪胎設計中的應用，越來越多的企業使用CATIA軟件進行花紋參數化設計。冬季輪胎的一副模具上鋼片數量達3 000多個，種類多達幾十種，因此對模板穩定性和功能性要求很高。一般花紋設計時，需要先判斷每個鋼片的形狀，再進行作圖。采用CATIA軟件知識工程模塊輔助設計，將鋼片按區域或類型進行分類，每類鋼片只需制作一個模板。當變換規格時，模板需滿足多變性和穩定性[3]，在作圖質量上有更高的要求，應滿足鋼片因長度和位置引起的形狀多變性。

本工作結合實際，對冬季輪胎復雜鋼片知識工程模塊輔助建模進行分析。

1 鋼片結構分析

冬季輪胎鋼片基本上都是折彎鋼片，沿鋼片中心線方向規律地陣列延伸，起始端和末端結構在不同位置形狀不一致，鋼片斷點位置不同，末端曲線延伸方向也不同，且與末端花紋溝邊界線有關系。鋼片與花紋溝夾角過小時，則鋼片末端方向需要與邊界線近似垂直，為了提高花紋模板的適用性，制作花紋模板時此區域鋼片使用同一鋼片模板，從而達到不管鋼片數量和位置如何改變，鋼片形狀能根據邊界位置而自動更新形狀。

本研究以圖1所示冬季輪胎折彎鋼片為例進行分析。

圖1 鋼片結構示意

2 CATIA建模分析

2.1 折彎鋼片建模

由鋼片結構分析可知，鋼片具有多樣性，且不同規格、不同節距輪胎鋼片位置不定等因素都使建模增加了難度。

本研究花紋鋼片起始端全部從左往右方向開始，先對鋼片中心曲線進行方向固定。然后當鋼片中心線兩端在中翻轉曲線和中變形曲線1之間，則出現鋼片起始端和末端全部向下延伸；當鋼片與打斷邊界相交時則將鋼片一分為二，定義左側鋼片為次要鋼片，右側鋼片為主要鋼片。主要鋼片重新進行折彎排布，仍然從左向右進行。且當主要鋼片末端碰到中變形曲線2時末端向上延伸；當鋼片與中翻轉曲線和打斷邊界都不相交時，則起始端和平直末端向下延伸。

在花紋模板中鋼片數量存在六等分、七等分、八等分等情況（見圖2），花紋設計時，需要對3種情況分別考慮，做出3種設計，新建曲線參數，使用知識工程模塊中的規則按條件顯示。

圖2 鋼片等分示意

2.2 建模重點

建模的重點首先是判斷影響鋼片形狀的因素，然后采用知識工程模塊規則控制不同情況下最終形狀輸出。其次是計算鋼片折彎周期，通過鋼片中心線和邊界線，計算鋼片的折彎周期數量，通過陣列復制等操作進行周期排列，從而減少作圖步驟，提高作圖效率。

2.3 建模步驟

（1）打開CATIA軟件進入創成式外形設計模塊。首先插入幾何圖形集，創建輸入元素[4]，接著對輸入元素進行作圖處理，分幾何圖像集對不同部分鋼片分開處理，最后根據要求輸出結果。

（2）輸入幾何圖形集。在創成式設計模塊選擇插入菜單的幾何圖形集命令，插入幾何圖形集。作為輸入幾何圖形集，在花紋模板繪制時，鋼片中心線及鋼片邊界線以非參形式作為輸入元素，如圖1所示鋼片所在位置邊界線。

（3）輸入處理幾何圖像集。對輸入元素進行處理，首先統一鋼片方向，使用知識工程模塊規則輔助線構造函數，進行方向設置，且根據將鋼片分為主要鋼片和次要鋼片的建模思路，對鋼片中心線也進行區分，分成主要中心線和次要中心線。

鋼片方向智能判別規則：

2.4 參數設置

在創成式設計模塊中插入F（X）公式創建新類型參數[5]。在輸入處理后，將鋼片中心線長度作為參考，根據鋼片結構按規律設置相應參數。根據鋼片長度可以用公式計算鋼片周期數（N），用于后續作圖。對鋼片進行陣列操作，鋼片陣列數等于N；當N＝2Nh（Nh為半周期數）時，陣列操作結果就是鋼片總長度；當N＜2Nh時，陣列結果后面需增加半個周期長度為完整鋼片長度。

折彎周期長度L＝8 mm；半周期長度Lh＝4 mm；鋼片起始平坦長度L0＝3 mm；鋼片中心線長度Lc由程序自動計算得出：Lc＝length（`鋼片中心線`）。

可根據以下公式計算N和Nh，并取整。

2.5 知識工程模塊規則

在知識工程模塊Knowledge Advisor中創建規則，使用已創建的參數，依照設計思路將相關聯的關系用規則控制，使最終輸出鋼片曲線滿足鋼片邊界內的所有情況[6]。

當鋼片中心線與打斷邊界距離作為判斷依據，如距離為零或小于1.5 mm時，兩者相交鋼片一分為二，如圖1所示，則此操作步驟作true激活處理，其余操作的關鍵步驟活動為false取消激活處理；當與打斷邊界不相交時，不相交操作步驟作true激活處理，其他相矛盾步驟作false取消激活處理。按條件進行判斷是否激活相應步驟。

主要鋼片中心線激活規則：

此規則也可用于鋼片等分的多種情況。

使用該方法制作的本研究花紋復雜鋼片模板和其他花紋鋼片模板分別如圖3和4所示。

圖3 本研究花紋鋼片模板示意

圖4 其他花紋鋼片模板示例

3 結語

本研究利用CATIA軟件建立復雜鋼片模板，采用創成式設計與知識工程模塊相結合，通過創建參數、規則等進行復雜鋼片建模，解決了鋼片位置不定、形狀多變等難題。不同規格、不同節距輪胎相同區域可以使用同一鋼片模板，大大減少了重復工作，提高了冬季輪胎花紋模板的建模效率，同時可減少人工成本。