胡 蓉，賀 新

（東風(fēng)汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

基于CATIA知識工程的人體模板模塊設(shè)計

胡 蓉，賀 新

（東風(fēng)汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

結(jié)合客車車身總布置的特點，以CATIA軟件為設(shè)計平臺，利用CATIA知識工程技術(shù)設(shè)計人體模板參數(shù)化模塊，并作為標(biāo)準(zhǔn)通用工具供設(shè)計人員調(diào)用,使重復(fù)性的設(shè)計工作參數(shù)化、規(guī)范化，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

CATIA；知識工程；人體模板；參數(shù)化；設(shè)計模塊

汽車車身的布置、外形、結(jié)構(gòu)對汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性、汽車使用壽命及維修保養(yǎng)等都有直接影響[1-2]。因此，在車身總布置設(shè)計時，必須充分考慮基本的性能要求，滿足良好的駕乘舒適性和安全性，并要盡可能地適合人體特性的要求[3-5]，所以車身布置尺寸的確定都是建立在人機工程學(xué)基礎(chǔ)上的。

二維人體模板是目前人機系統(tǒng)設(shè)計時最常用的一種物理仿真模型[6]。例如，在進行車身布置設(shè)計時，可以采用第95百分位的大個子人體尺寸確定駕駛座椅調(diào)節(jié)量的上限，采用第5百分位的小個子人體尺寸確定其調(diào)節(jié)量的下限，從而使駕駛座椅的位置適用于第95百分位與第5百分位之間的90%的人群使用。

CATIA是目前汽車車身設(shè)計中最常用的三維設(shè)計軟件。利用CATIA V5提供的二次開發(fā)接口，使用VB開發(fā)環(huán)境來創(chuàng)造標(biāo)準(zhǔn)件庫應(yīng)用程序，可以滿足設(shè)計者的不同需求，設(shè)計靈活性大，容易運用；CATIA的參數(shù)化設(shè)計模式可以快速滿足設(shè)計要求，縮短開發(fā)周期[7-8]。

本文主要介紹基于CATIA知識工程的人體模板庫文件的設(shè)計方法及其在某客車車身總布置設(shè)計中的應(yīng)用。

1 人體模板參數(shù)化模塊設(shè)計

在客車車身總布置階段，傳統(tǒng)方法主要通過在CATIA/Product模塊下插入預(yù)先繪制好的二維中國人體線圖文件來進行總布置設(shè)計，然后手動調(diào)整人體線圖狀態(tài)（見圖1）。這種設(shè)計方法存在以下幾點不足：操作繁瑣，設(shè)計效率低，難以形成通用化、系列化設(shè)計；文件零散，存儲、調(diào)用不便；無法定義人體線圖文件的插入原點，不能快速、準(zhǔn)確定位人體線圖的H點，需要進行移動、H點重合等反復(fù)操作，不易于構(gòu)建人體線圖與駕駛區(qū)布置之間的相互關(guān)聯(lián)，難以實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動和線圖的特征定位；各尺寸人體線圖模板文件中的活動關(guān)節(jié)角度無法精確調(diào)整，往往采用偏移、旋轉(zhuǎn)等手動操作方法；調(diào)整時間長，定位不準(zhǔn)確，不能及時、清晰地顯示出人體線圖的狀態(tài)，可視性差。

因此，基于CATIA軟件參數(shù)化、模塊化設(shè)計的優(yōu)越性，運用CATIA軟件平臺進行模塊設(shè)計開發(fā)，以建立實用的參數(shù)化中國人體模板文件，可以有效地解決上述設(shè)計中的不足?，F(xiàn)以人體模板側(cè)視圖為例，說明整個模塊的開發(fā)流程。

1）繪制草圖。在CATIA中創(chuàng)建一個Human-Model-2D-left.CATPart文件并保存，此文件由四個草圖文件構(gòu)成。這四個草圖均以坐標(biāo)系的原點作為人體模型的H點參考，依次參照文獻[9]中給定的四個等級模板尺寸繪制。

2）建立角度參數(shù)。點擊“Knowledge”工具欄上“公式（Formula）”命令，參照文獻[10]建立角度參數(shù)（腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)等），以及角度參數(shù)“大腿軀干線與水平線的夾角”。

3）建立草圖中的角度驅(qū)動。分別將四個草圖中活動關(guān)節(jié)的角度及“大腿軀干線與水平線夾角”與上一步所建立的九個角度參數(shù)對應(yīng)。

4）建立參數(shù)“Curve.1”。點擊“Knowledge”工具欄上“公式（Formula）”命令，建立參數(shù)“Curve.1”。

5）建立參數(shù)“人體百分位”。點擊“Knowledge”工具欄上“公式（Formula）”命令，建立參數(shù)“人體百分位”，該參數(shù)取多值，對應(yīng)四個等級百分位的人體模板。

6）進入“知識顧問（Knowledgeware Advisor）”模塊。在CATIA界面選擇“開始（Start）”菜單，點擊“知識工程（Knowledgeware）”，選擇“知識顧問（Knowledgeware Advisor）”模塊。

7）建立規(guī)則“Rule.1”。點擊“Reactive Features”工具欄上“規(guī)則（Rule）”命令，建立規(guī)則“Rule.1”，實現(xiàn)參數(shù)“人體百分位”值選取時的人體模板調(diào)用，見圖2。

8） 建立參數(shù)“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”。點擊“Knowledge”工具欄上“公式（Formula）”命令，建立參數(shù)“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”，三坐標(biāo)用以定義草圖原點，也即人體模板的H點。

9）建立坐標(biāo)系原點三坐標(biāo)X、Y、Z值的參數(shù)驅(qū)動。進入“公式編輯（Formula Editor）”界面，建立坐標(biāo)系原點X、Y、Z值與參數(shù)“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)人體模板文件調(diào)用時準(zhǔn)確定位插入點的功能。

10）設(shè)定角度參數(shù)的取值范圍。根據(jù)文獻[10]中人體模板關(guān)節(jié)角度的調(diào)節(jié)范圍，設(shè)定各角度參數(shù)的取值范圍，見圖3。

11）創(chuàng)建 CATIA文檔模板。點擊“插入（Insert）”菜單，選擇“知識工程模板（Knowledge Templates）”，點擊“文檔模板定義（DocumentTemplate…）”命令。

12）發(fā)布參數(shù)（Published Parameters）。在“文檔模板定義”窗口中，單擊“發(fā)布參數(shù)（Published Parameters）”選項卡，選擇發(fā)布如下4個參數(shù)，見圖4。

13）保存文檔模板為Catalog文件。點擊“開始（Start）”選擇“知識工程（Knowledgeware）”模塊，訪問“產(chǎn)品知識模板（ProductKnowledge Template）”工作臺，單擊“保存在目錄中（Save in Catalog）”命令，選擇文件存儲位置并確定。

在進行人體模塊開發(fā)時，要注意以下4個主要方面：

①三視圖的草圖繪制均以坐標(biāo)系原點作為人體模板H點參考，并與建立的點坐標(biāo)參數(shù)一一對應(yīng)，實現(xiàn)人體模板文件調(diào)用時的準(zhǔn)確定位功能。

②建立的“人體百分位”參數(shù)，參數(shù)取多值，分別對應(yīng)四個等級百分位的人體模板（人體模板按照身高尺寸不同分為四個等級，一級采用女子第P5百分位身高；二級采用女子第P50百分位身高與男子第P5百分位身高重疊值；三級采用女子第P95百分位身高與男子第P50百分位身高重疊值；四級采用男子第P95百分位身高[9]），實現(xiàn)參數(shù)“人體百分位”多值選取時的對應(yīng)人體模板調(diào)用。

③根據(jù)文獻[10]中人體模板關(guān)節(jié)角度的調(diào)節(jié)范圍，設(shè)定角度參數(shù)的取值范圍，實現(xiàn)對活動關(guān)節(jié)角度輸入值進行校驗和超出范圍提醒并修正的功能。

④各百分位的三視圖人體模板文件集成為CATIA模塊，供設(shè)計人員調(diào)用。

2 人體模板參數(shù)化設(shè)計模塊的應(yīng)用

1）調(diào)用模板。運行CATIA軟件，單擊“Catalog Browser”命令，選擇Catalog文件存儲目錄，調(diào)用“Human-Model-2D-left.Catalog（人體模板側(cè)視圖）”文件。

2）輸入?yún)?shù)。在圖5所示界面中輸入H點坐標(biāo)（0，0，0），選擇“人體百分位”參數(shù)值為 95%（四級人體模板），完成對應(yīng)等級人體側(cè)視圖模板文件的插入。

3）點坐標(biāo)參數(shù)驅(qū)動。進入零部件設(shè)計界面，根據(jù)初步駕駛區(qū)綜合布置定義，R點坐標(biāo)（40，-585，690），輸入新參數(shù)值，人體模板定位驅(qū)動，使人體模板H點與R點位置重合，見圖6。

4）“人體百分位”參數(shù)多值選取。通過選取“人體百分位”參數(shù)的不同參數(shù)值來調(diào)用不同等級百分位的人體側(cè)視圖模板，5%為一級人體模板，50%-male為三級人體模板等。這樣簡化了客車車身總布置設(shè)計中繁瑣重復(fù)的操作過程，使用方法簡單、清晰，設(shè)計者工作效率得到了提高。

5）角度參數(shù)驅(qū)動。通過輸入特征樹上的角度參數(shù)值，實現(xiàn)人體側(cè)視圖模板中活動關(guān)節(jié)的參數(shù)化驅(qū)動。圖7為肘關(guān)節(jié)角度為130°的驅(qū)動示圖。

6）角度輸入值超出范圍提醒。如果出現(xiàn)角度參數(shù)的輸入值超出設(shè)定范圍，即不滿足文獻[10]中規(guī)定的情況時，CATIA會自動提醒設(shè)計者，并彈出確認對話框。以肘關(guān)節(jié)角度參數(shù)輸入值為例，文獻[10]要求的范圍是60°～180°，如果輸入值為250°，則會彈出圖提醒界面。

以上為CATIA人體側(cè)視圖模板的使用操作步驟，人體正視圖模板和人體俯視圖模板的使用步驟相同。

3 結(jié)束語

基于CATIA知識工程技術(shù)，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計功能，制作中國人體尺寸的參數(shù)化設(shè)計模塊，作為標(biāo)準(zhǔn)工具供設(shè)計人員調(diào)用，達到規(guī)范設(shè)計過程的目的。CATIA人體參數(shù)化設(shè)計模塊調(diào)用簡捷、方便，可以實現(xiàn)定位點特征定位、不同等級百分位人體模板的選取調(diào)用和人體各活動關(guān)節(jié)的參數(shù)化驅(qū)動功能，同時模板文件的特征樹簡潔明了地顯示出人體線圖的狀態(tài)參數(shù)。其中人體模板百分位、各活動關(guān)節(jié)角度值等可讀性強，能較大程度地提高客車總布置人機工程設(shè)計效率和設(shè)計準(zhǔn)確性，縮短開發(fā)周期，并快速適應(yīng)多樣性的客車市場需求。

[1]羊拯民.汽車車身設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.8.

[2]黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.9.

[3]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進設(shè)計方法與流程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.4.

[4]張志軍.汽車內(nèi)飾設(shè)計概論[M].北京:人民交通出版社，2008.9.

[5]王望予.汽車設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.8.

[6]周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1999.12.

[7]曹巖.CATIA V5R15曲面建模實例精解[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.1.

[8]王智明，楊旭，平海濤.知識工程及專家系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4.

[9]GB/T 15759-1995，人體模板設(shè)計和使用要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[10]GB/T 14779-93，坐姿人體模板功能設(shè)計要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

修改稿日期：2012-11-25

Module Design of Human Templates Based on CATIA Know ledge Engineering

Hu Rong,He Xin
(Commercial Vehicle Technical Center of Dong feng Motor Co.,Ltd,Wuhan 430056,China)

Combining the features of bus/coach body general arrangement,the authors take the CATIA software as a design platform and use the CATIA knowledge engineering technology to design the parametric module of human templatesasa genaral standard tool for designers to beadopted in order to make the repetitive design work parameterized and standardized and improvedesign efficiency and quality.

CATIA;knowledgeengineering;human template;parameterzation;designmodule

TB472

A

1006-3331（2013）02-0004-03

胡 蓉（1985-），女，工程師；研究方向：客車車身技術(shù)。