论CATIA V5 Start Model在车身设计中的应用-060630

论CATIA V5 Start Model在车身中的应用-060630 CATIA V5 Start Model 陈泽良 张效凯 长安汽车（集团）公司汽车工程研究院 [] 本文介绍了CAD开发平台CATIA V5 在汽车车身零部件设计中的运用，通过采用文中CATIA V5 Start Model设计模板可以极大提高CATIA V5在车身零件设计中的设计质量，大大缩短了设计时间。 CAD CATIA V5 Start Model 汽车 车身 零件设计 The application of CATIA V5 Start Model on the design of BIW Chen Zeliang Zhang Xiaokai Chongqing Changan Automobile Co.Ltd. Automobile Engineering Institute [Abstract] This article introduce the application of CATIA V5 Start Model on the design of BIW,by using CATIA V5 Start Model we can improve the quality of BIW and save more time. Main word: CAD CATIA V5 Start Model Automobile BIW Part design 自从进入21世纪，中国在多年改革开放的经济发展基础之上，与世界经济进一步融合，成功 加入了WTO。中国汽车工业作为中国经济的支柱产业也迎来了飞速发展的时期，长安汽车公司作为民 族汽车工业的代也在进行着裂变式的发展，汽车产品的自主研发是中国民族汽车工业持续健康发 展的必经之路。而长安具有多年的汽车生产历史，拥有深厚的技术知识沉淀，如何将这些优势转化 为实实在在的产品优势，是我们长安人现在需要做的。最近几年，长安的走出去，请进来，整合国 内外的先进设计理念结合自身技术优势的自主研发理念，为长安的发展提供了强有力的支持。 汽车作为高级耐用工业品，从构思、设计、试验、定型到批量生产，要耗费巨大的资金和时间。 其中车身的开发设计是其中非常重要的部分，约占整车开发费用和时间的70%，按照传统方式约需5-6年，采用电子计算机辅助设计（CAD/CAM），现在从设计到样车仅需2年时间甚至更短的时间，从而大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本，能够更快更好的响应市场需求。所以，我们针对现 在所应用的CAD产品开发平台CATIA-V5出了更适合现阶段车身开发的设计思路方法，并且建立 了一个通用的3D数据设计模板：CATIA-V5 Start Model。 1 车身3D数据设计是汽车工程化设计的最关键阶段。3D数据要体现车身零件工程化的许多必要 信息，CATIA-V5 Start Model就很好的实现了这些信息的整和。它充分挖掘CATIA-V5的参数化设计优势，通过对CATIA-V5 PART文件历史树结构的优化设计，不仅提高了设计阶段的工作效率，并且 对数据信息的读取和后期零件数据的修改都提供了更高的可操作性。使整个车身设计流程的工作效 率有显著提高。 下面着重介绍CATIA-V5 Start Model的结构形式和其在车身设计中的具体应用方法。 首先，CATIA-V5 Start Model模板根据车身零件3D数据的结构特征，将历史树分成如下组成部分： 1、 零件名称（PART NUMBER） 2、 车身坐标系（Axis Systems） 3、 零件实体数据(PartBody) 4、 外部数据（external geometry） 5、 最终结果（final part） 6、 零件设计过程(part definition) 7、 关键截面(section) 整体结构树形式如图1所示 图1 2 其次，详细介绍各个组成部分在CATIA-V5 Start Model的具体应用方法。 1、 零件名称（PART NUMBER） 零件名称定义的规范性和准确性对一个汽车主机厂来说在整个汽车产品生命周期内对产品的采购、 生产、销售都具有重要意义。所以首先要确定零件的准确件号和尽量简单且详尽的名称。具体的命名方 法见车身所《白车身三维设计规范》（2005-10-30实施），如下图2所示： XXX_XXXXXXX-X00_000_REINF_ROOFSIDEGRABHANDLE_LH_CHZK_20060510 设计完成日期 设计者名字简称 零件的英文名称 零件的版本号（数据冻结时的版本为第一版） 零件的件号 车型代号 图2 2、车身坐标系（Axis Systems） 该坐标原点为车身坐标原点即是世界坐标原点，定义该坐标系以后后期设计过程中的几何元素的空 间坐标都以该坐标系为基准。 3、零件实体数据(#Part Body) Part Body内是用来存放零件实体数据，一般是设计的最终结果实体数据。如果需要更改Part Body的名称，可以在Part Body右键属性内更改，如果要反映该零件设计的不同阶段或不同状态的实体数据， 或者是周边相关零件的实体数据（周遍相关零件的Parent信息来自#external geometry），可以在零件内插入多个Part Body来分别定义。 3 图3 如图3所示插入了多个Part Body来分别存放定义不同状态实体数据。Part Body的名称可根据需要做对应更改。 4、外部引用数据（#external geometry） 图4 如图4所示，#external geometry openbody内包括两个openbody分别为#design surfaces和#imported geometry，在做零件设计时需引用外部几何元素作为边界条件，而这些外部元素根据其性质 不同可以分为如下两中类型。 4 4、1 #design surfaces 该openbody用来存放做零件设计所需要的造型A级曲面数据。 图5 如上图5所示，如果需要引用的A级曲面较大，可根据设计步骤需要分解为很多局部区域来进行管 理，这样方便后期设计过程中参考元素的准确借用，可以节省时间并提高准确性而且也方便后期的数据 修改。图中将所引用的A级曲面分为两个大的区域分别为#ASURF- 060215和#pre-work on A-surfs，其中每个openbody内再分解为多个几何特征。 #ASURF- 060215中包括#ASURF- rr door和#ASURF- glass两个openbody #pre-work on A-surfs中包括#top flange\#upper frame等11个openbody。 #design surfaces内的造型A级曲面是相对固定不变的，在零件工程化阶段要以造型A级面为基准进行结构设计。故A级曲面的Parents/Children关系多数是一父多子的关联关系。每个A级曲面与后面设计步骤中的多个同时保持关联关系，在这种情况下，我们提倡这些步骤中的上一级关系直接为A级，尽量避免关联A级面子元素的中间借用情况出现。与后面#part definition中父子相承的关联关系有所不同，在后期设计更改的时候应注意。 4、2 #imported geometry 该openbody用来存放与所设计零件有边界约束关系的几何元素 5 图6 如图6所示#imported geometry内定义了#surfaces from concept studies等7个边界条件，每个openbody内存放了用来做边界约束的点、线、面等几何元素。这些几何元素用非参数化的形式存放。 尽量做到让这些参考几何元素之间无Parents/Children关系。便于后期这些参考元素的更新替换。 5、最终结果（#final part） 该openboy用来存放零件的最终设计曲面数据、的矢量方向、材料厚度、零件MLP信息、搭接面零件上的螺母、螺栓以及对部件的设计修改信息。如图7所示。 图7 6 5、1 #final geometry 该openbody用来存放零件的最终设计结果，仅仅用一个面片来表示，这个结果可以 用Invert Orientation命令将零件设计过程（#part definition）数据的最后一步结果保存在#final geometry openbody内。另外，当数据冻结后，要用copy as result命令将零件设计过程（#part definition）数据的最后一步结果保存在#final geometry openbody内。用Invert Orientation命令的优点是可以使最终结果始终与设计修改保持参数化的关联关系，设计过程更改后系统自动更新最 终结果。当数据冻结后，需要保存非参数化的最终设计结果。如图8所示采用Invert Orientation命令。 图8 5、2 #last changes 表示数据冻结后的设计更改结果存放在此openbody内，其表示方法与#final geometry类似，用 Invert Orientation命令将零件设计过程（#part definition）数据的最后一步结果保存在# last changes openbody内。此时，#last changes内保存的零件设计过程（#part definition）数据的最后一步结果与#final geometry内的结果相比已经发生了设计更改。 5、3 #tooling info 该openbody内用来存放表示材料料厚和材料矢量方向信息的料厚线，料厚线用0.7mm的点划线表示，料厚线的长度为实际料厚尺寸的100倍，料厚线的方向由材料的适量方向决定。 5、 4 #MLP 该openbody内用来存放零件工程化设计后期的许多MLP相关信息。主要有主次定位孔和夹持面 信息。有关MLP的相关知识详见由车身所董艳菊工程师所编写的《MLP基础知识》。每个主次定位孔及夹 持面信息在CATIA V5参数化建模过程中主要由如下元素构成：一个点、一条线、一个平面、一个草绘 （夹持面有两个草绘）。如图9所示。 7 主定位孔a 主定位孔a参 数化元素 夹持面S1 夹持面S1参 数化元素 图9 主次定位孔及夹持面的参数化元素构建方式如下： 1）定位点，采用以车身坐标原点为参考点的X、Y、Z三坐标表示，并且定位点要位于零件上，在X、Y、Z三个坐标值中视零件在车身坐标中的位置，为方便工艺功能的实现，要保证最少圆整一个坐标值。如 下图10所示。 图10 2）第一条定位轴线，过定位点做垂直于零件曲面的线段，长度为20mm,如图11 8 图11 3）定位平面，过定位点做垂直于第一条轴线的Plane 面 4）另外两个定位轴线，在定位平面上做Sketcher Positioning另外两定位轴线方向尽量保持与 车身坐标轴平行。 5）夹持面，在定位平面上做Sketcher Positioning具体做法见《MLP基础知识》，如图12所示。 以上五个元素构建完成后，在第二次构建定位孔或夹持面时，可复制，粘贴已经构建好的五个元素，此 时只须更改相应的定位点即可。 图12 9 5、5 #matching areas 零件上搭接区域的标注信息存放于此。用0.5mm宽的紫色双点划线表示搭接区域，该线条在零件 表面上以实际搭接边界为准向内偏移1mm。一个封闭区域用一条打断关联的曲线表示（如图14所示）。与不同零件的搭接区域在结构树上命名方式如图13所示。 图13 图14 5、6 #nut&bolt 零件上的凸焊螺栓、螺母放于此openbody内，在历史树上的表示方式如图15所示， 10 图15 首先将要用到的各规格螺栓、螺母导入到#external geometry内，再分别在目标螺栓、螺母上用Axis System 命令创建坐标系，在零件上螺栓、螺母焊接点创建对应的坐标系。对应坐标系创建成功后 用Axis To Axis 命令复制移动螺栓、螺母到指定位置即可。 以上MLP，搭接面，螺母、螺栓的工作在工程化设计后期完成，即在下面将要介绍的零件设计过程 （#part definition）完成后来完成的。 6、 零件设计过程（#part definition） 在结构树上的这一部分是零件设计的主体工作，也是工作量最大，最关键的部分。这部分#part definition的构成如图16所示。 图16 #part definition包括参考点（#reference point）、基础面(#basic surface)、压筋结构(#depressions)、翻边结构(#flanges)、裁剪结构（#trimmed_part）和孔(#holes)特征。 11 6、1 参考点（#reference point） 该openbody内有一个点，该点为车身坐标原点（0、0、0），在后面的零件设计过程中，几何元 素的构建大多数情况下要以该点为参考点。我们也建议几何元素的参数化尽量以该点为基准。 6、2 基础面(#basic surface) 在零件设计过程中要有大局观，整体意识。即由整体到局部，由简单到复杂的过程，Start Model就是遵循这样一个思路来进行零件设计的。当接到一个设计任务时，首先考虑构成该零件的主要型面是 怎样的，即该零件的形状是怎样的。在该型面的基础上怎样来很好的实现零件的功能，就是接下来要考 虑零件的结构设计，即增加必要的压筋结构(#depressions)、翻边结构(#flanges)和孔(#holes)特征。当然基础面和零件结构这两者是相互影响的，要综合考虑。 首先看基础面的设计。基础面是零件结构的基础，零件形状由基础面的形状来决定。 图17 如图17所示，基础面(#basic surface)内只包含#reference_structure和basic surface两部分，#reference_structure内有Start Model模板内给定的其个元素，一个参考点（坐标值可任意给定）、 三个plane面（分别平行与三个系统平面）、三个基于plane绘制的草绘（Sketch with Absolute Axis Definition 相对于 Sketcher更便于参数化控制其空间位置和草绘形状）。基础面的制定没有 MLP一样严谨的设计规范，由于零件形状的不同，设计人员的不同，基础面有着不同的设计思路和方法。 以下面的零件为例来说明。 12 图18 如图18所示，决定该零件形状的基础面可由如上四个子基础面组成，四个主要子基础面相互倒角 得到大的基础面，在子基础面设计过程中要注意不同结构的命名和它们之间的相互历史层次关系。往往 每个子基础面又由许多面元素构成，这些面元素同样要求用清晰的命名和历史层次关系体现在结构树 上。如图19所示。 图19 子基础面#Main surface 3由七个面片通过依次倒角Shape Fillet得到（在通常情况下较少采用 Edge Fillet和 Variable Radius Fillet命令倒角，因其不利于参数化控制）。 13 通过以上介绍，我们了解了基础面(#basic surface)的设计思路，下面再看具体到一个单面片的设 计方法。 上面讲到在基础面(#basic surface)内只包含#reference_structure和basic surface两部分。其中#reference_structure内的几何元素是被套用来设计单面片的固定格式。 图20 如图20所示，要构建# Main surface 1内# Back 1面片，先将#reference_structure内的元素全部复制粘贴到# Back 1内，调整reference_point的坐标值以确定其空间位置，随后Update更新三个基准平面和三个草绘的位置（因为三个基准平面和三个草绘与reference_point有参数关联关系），此时，在其中的两个草绘上分别做出引导线（guide curve）和轮廓线（profile），再用Sweep或Extrude拉伸生成直纹面（直纹面在参数化设计中更便于控制面的参数）。 6、3 压筋结构(#depressions) 在零件结构中可以归结为局部压筋特征的部位，例如凸台、加强筋等，就将其设计参数放在 #depressions openbody内，如图21所示零件的压筋部位。根据压筋形状得到压筋面片后，再与上一 步#basic surface的最终结果共同作用生成压筋结果。 14 Depression angle 图21 6、4 翻边结构(#flanges) 在零件结构中可以归结为局部压筋特征的部位，例如凸台、加强筋等，就将其设计参数放在 #flanges openbody内，根据翻边形状得到翻边面片后（翻边面片可能是多个面片通过倒角或相加命令 共同作用形成），再与上一步# depressions的最终结果共同作用生成翻边结果。如图22所示零件的翻 边部位是多个面片通过倒角共同作用形成。 顺次倒角得到 翻边结果 One side flange 图22 6、5 裁剪结构（#trimmed_part） 15 裁剪结构（#trimmed_part）用来放置裁剪零件边界的几何元素。在此建议用面元素做裁剪元素 Split，裁剪面是多个面片绕零件边界通过倒角或相加命令共同作用结果，利用面做裁剪元素便于后期零 件边界形状的控制，更利于控制裁剪边界的质量，控制边界的相切连续性。如图23所示裁剪面设计结果。 Result of flange Trime surface 图23 6、6 孔（#holes） 在零件上，可以归为孔特征的结构元素放在此openbody内。在设计孔的时候，要注意孔的冲孔 方向，特别要注意安装、定位孔的工作方向。所有孔特征按照空间位置、大小、形状、方向等特征构建 后，用 Split命令与上一步裁剪（#trim）结果做裁剪后得到冲孔结果。如图24所示。还有另外一种常见孔是带翻边结构的孔，这种结构特征在Start Model设计过程中可以将其归入翻边（#flange）或孔(#holes)均可。如图25所示。 16 Hole 5 Hole 4 Hole assembly 3 Hole assembly 2 Hole assembly 1 图24 带翻边的孔 图25 17 7、 关键截面（#Sections） 此openbody内存放了显示零件关键部位信息的截面数据，如安装孔、定位孔、搭接面、零件局部 结构形式等数据。这些数据信息可以反映零件周边的装配、搭接关系，可以很好的指导零件结构设计。 如图26所示。 图26 18 综上所述，参数化设计在现代汽车产品开发中具有重要的意义，参数化设计可以大大提高汽车 开发设计的工作效率，适合在同平台上系列产品的演变，大大缩短产品开发周期。汽车各个零件相 互间有着紧密的联系和协调性。部分设计质量好不等于产品质量也好。为此，重要的是各零件的设 计人员应具备（自己专业之外的）其他零件的知识，懂得对整体的影响。在零件设计过程中可以很好的体现的参数化设计优势，培养设计人员在汽车开发设计中的整 体设计理念，设计人员通过对零件结构特征的理解，可以很好的吃透零件，把握零件的要素特 征和关键结构形式，举一反三。 19