基于CATIA GSD模塊的輪胎復雜3D花紋的研究

楊 旭，李 華，程麗娜，吳月仙，張 敏，吳東霞

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

CATIA，UG和Pro/E是行業性的三大3D設計軟件，其中UG已成為模具行業主流應用之一，Pro/E廣泛應用于汽車、航空航天、玩具、工業設計和機械制造等行業，而CATIA是法國達索公司開發的高端計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助工程（CAE）/計算機輔助制造（CAM）一體化軟件，其功能已得到各行業的認可，被廣泛應用于汽車、航空航天和船舶等領域，為工業產品設計提供了一種有效手段[1-5]。在輪胎花紋的設計中采用CATIA 3D設計軟件，是為了在達索公司3DExperience平臺中，將設計端數據直接無縫應用到仿真端，使3D花紋造型變參數模型直接應用到CAE進行性能仿真分析，為設計-仿真一體化提供模型基礎，使設計-分析使用同一個數據源模型，避免數據分離、統一變更和優化等問題，同時參數化的設計可使CAE仿真分析工作效率提升[6-12]。

3D花紋是基于2D平面花紋設計的。將胎面曲線和溝底曲線通過旋轉得到輪胎胎面和輪胎溝底曲面，將2D平面花紋中對應的花紋溝曲線展開投影到胎面曲面上，進行角度掃掠從而生成花紋溝基礎面，將其與輪胎溝底曲面進行倒角、分割、修剪等處理，最終得到輪胎花紋的3D曲面造型。當在某些參數設計中，無法直接在輪胎胎面上進行掃掠面及倒角設計時，必須對其進行特殊處理，才可以得到完整的花紋溝側壁曲面及溝底圓角造型。

本工作基于CATIA GSD（Generative Shape Design，創成式曲面設計）模塊對輪胎復雜3D花紋的處理進行研究，主要涉及對無法通過在輪胎胎面上直接掃掠得到的花紋溝側壁曲面的處理方法，及一些因設計要求和在實際設計過程中由于其復雜程度造成報錯問題的倒角設計的處理方法，從而使3D花紋得以成功造型，避免報錯導致無法出圖，影響模具加工。

1 CATIA GSD模塊介紹

CATIA V5的GSD模塊主要包括線框和曲面造型功能，其工具模塊組成為線框造 型（Wireframe）、曲 面 造 型（Surfaces）、幾何 操 作（Operations）、分 析（Analysis）、約 束（Constraints）、規則（Law）、工具（Tools）、復制（Replication）、容器（Volumes）和高級曲面造型（Advanced Surfaces），以建立和修改用于復雜外形設計所需的各種曲面。同時，GSD模塊采用了基于特征的設計方法和全相關技術，在設計過程中能有效地捕捉設計者的設計意圖，從而極大地提高設計質量與效率，并為后續設計更改提供強有力的技術支持。

2 3D花紋設計前處理

在GSD模塊中，通過點、線、平移、圓角、旋轉、修剪、分割和接合等命令生成2D平面花紋，以此作為3D花紋造型的基礎，如圖1所示。

圖1 CATIA 2D平面花紋

3 3D花紋設計

在2D平面花紋的基礎上，根據花紋溝剖面設計完成對應的3D造型開發，主要包含內容如下。

3.1 輪胎胎面與溝底面的創建

首先對胎面曲線和溝底曲線進行外插延伸、對稱等一系列前處理，形成完整的胎面曲線和溝底曲線，利用旋轉命令，得到輪胎胎面和溝底面，如圖2所示。

圖2 輪胎胎面和溝底面

3.2 簡單花紋溝的創建

將前處理設計的2D平面花紋造型中縱溝花紋曲線展開投影到對應的輪胎胎面上，對簡單花紋縱溝進行角度掃掠、圓角、修剪等命令，得到縱溝造型，如圖3所示。

圖3 縱溝造型

3.3 復雜花紋溝的創建

將前處理設計的2D平面花紋造型中的橫溝花紋曲線展開投影到對應的輪胎胎面上，根據3D設計要求進行角度掃掠得到橫向花紋溝壁側曲面。將這些曲面通過分割、修剪、橋接等處理生成相互貫通的花紋側面，通過接合命令得到一體的花紋框架，而后將花紋框架與溝底曲面進行一系列的倒角處理，得到3D花紋曲面造型。

在3D花紋曲面造型的設計開發中，難點為溝底和肩部位置的設計。溝底是由花紋溝壁側面與溝底曲面倒角而成，由于輪胎花紋溝設計的復雜性及輪胎規格數量眾多，很容易出現部分設計參數在常規設計下發生倒角困難、報錯等現象，從而使3D花紋溝造型不能生成。因此為滿足花紋設計的基本要求，需要對復雜花紋溝的設計進行優化及分段處理，特別是花紋溝壁側面和溝底倒角位置。

3.3.1 花紋溝壁側面處理

某些復雜花紋肩部位置的胎面曲線和胎肩曲線倒角小于15 mm，出現花紋溝側壁無法成功掃掠或掃掠出來的曲面無法直接使用等問題，如圖4所示。有2種方式可以對花紋溝側壁曲面進行優化處理。

圖4 掃掠曲面相關問題

（1）填充方式。將2D花紋溝的曲線分別展開投影到中間胎面和肩部胎面，對兩條投影曲線進行掃掠得到兩張花紋溝側壁掃掠曲面，再將兩張曲面與溝底曲面相交得到兩條相交線，用樣條曲線將兩條相交線進行處理得到填充所用的溝底曲線。將曲線和肩部位置展開投影的花紋溝側壁的曲線進行優化并創建直線，而后通過修剪得到填充所需的輪廓，進行填充處理得到胎肩位置完整的花紋溝側壁掃掠曲面，如圖5（a）所示。

（2）橋接方式。與填充方式一致，先生成兩張花紋溝側壁掃掠曲面，而后對兩張曲面進行橋接命令，最終得到胎肩位置完整的花紋溝側壁掃掠曲面，如圖5（b）所示。

圖5 花紋溝側壁曲面處理

2種花紋溝側壁曲面的處理方式都能應用到一些因特殊原因導致掃掠報錯、掃掠曲面無法直接用于倒圓角的情況。其中，填充方式主要應用于橫向花紋溝曲率突變等特殊原因導致無法掃掠、掃掠報錯的情況，填充后的花紋溝側壁曲面可以保證其曲面完整性，用填充后的花紋溝側壁曲面進行倒角能保證倒角的光順，在一些簡單的花紋溝位置能夠完全避開倒角報錯的情況；橋接方式主要用于生成的掃掠曲面無法用于后續溝底倒角的生成，可以在原有的掃掠基礎上進行橋接處理，這樣既能保持原有掃掠的角度及面的曲率性，又可以實現后續倒角設計。實際應用時，可根據花紋溝形式和花紋溝掃掠時出現的具體情況進行分析從而優選處理方式。

3.3.2 花紋溝底倒角處理

花紋溝底的倒角分為多種形式，在實際設計過程中由于某些花紋溝肩部位置變倒角特殊設計，花紋溝底存在變溝寬設計，使實際造型設計過程中容易出現倒角報錯問題，因此需要對特殊部位進行二次優化處理。

（1）肩部位置倒角的處理。將通過橋接方式得到的花紋溝側壁曲面與溝底曲面相交生成的曲線作為倒角脊線，在其尾部位置創建兩個倒角半徑的控制點，然后使用簡單圓角命令中雙切線圓角，將花紋溝側壁掃掠曲面與溝底曲面作為倒角所需的支持面1和支持面2。以脊線為對象，選擇法則曲線里的隱式類型加入創建倒角半徑控制點，輸入相應的半徑值，最終生成變倒角參數設計的肩部位置溝底倒角，如圖6所示。

圖6 變倒角參數設計

（2）溝底漸變圓角的處理。在一些輪胎花紋溝底的設計中會出現同一溝底由全切圓倒角的形式漸變到普通倒角的形式，但在CATIA的設計中同一溝底的倒角形式基本都做同一簡單圓角的處理。為了滿足設計要求，使3D造型在變參數下能夠順利生成，需要對溝底漸變圓角的形式進行處理。

首先將兩側的花紋溝側壁掃掠曲面與溝底曲面進行三切線內圓角形成全切倒角（倒角1），再將花紋溝側壁掃掠曲面與溝底曲面進行普通雙切線圓角的處理形成普通圓角（倒角2），形成兩塊不同方式的倒角，分別在倒角1與2的大致位置各創建一張曲面與兩塊倒角進行相交處理，形成曲面與倒角1和2的相交線，并利用相交線對倒角1與2進行分割處理，從而形成兩段待處理的倒角曲面（圓角1與圓角2）。

在兩條相交線上分別創建點，通過點創建多條樣條曲線。將樣條曲線與倒角和支持面的相交線形成多個封閉輪廓并進行填充曲面處理，形成多個填充曲面。而后將曲面進行接合得到倒角1與2的過渡圓角部分（圓角3），將圓角3與圓角1和2進行接合處理形成溝底的漸變圓角，如圖7所示。最后將兩側的花紋溝側壁掃掠曲面與處理好的溝底倒角進行修剪，得到相應的3D花紋溝曲面。

圖7 完整過渡圓角

3.4 3D花紋實體造型生成

將經過掃掠、修剪和倒角等一系列操作得到的未封閉3D花紋造型與輪胎胎面進行修剪處理，最終得到輪胎花紋的3D曲面造型。

進入零件設計（Part design）模塊對已完成的輪胎3D花紋曲面造型進行封閉曲面處理并生成3D實體花紋，然后進行布爾操作。將花紋溝、鋼片及其他相關溝槽的3D實體進行布爾操作中的移除命令生成單節距的3D花紋，如圖8所示。

圖8 3D花紋造型

4 結論

本工作基于CATIA GSD模塊對輪胎特殊3D花紋溝側壁掃掠曲面和復雜特殊的溝底倒角的處理進行多方法研究。這些方法能夠使輪胎設計在不同規格和參數的轉換下，其3D花紋得以成功造型，避免因報錯導致無法出圖，影響模具加工。同時，對比以往2D圖紙交付模具加工的形式，由于存在剖面設計標注不完全、不準確的現象，導致不同模具廠對造型理解的方式不同，增加模具加工過程中的溝通時間及編程時間，加長模具加工周期。如今在設計開發中統一復雜3D花紋造型的處理規則，使用二次優化設計對復雜3D花紋造型進行統一處理，使得模具廠按圖加工的一致性得到提高，增強了花紋設計的規范性。