韓榮娟

摘要：近些年，有關(guān)客車設(shè)計方面，越來越多的工程師應(yīng)用CATIA對其車身設(shè)計加以輔助，并且有關(guān)理論與方法也逐漸成熟。從二維到三維設(shè)計客車產(chǎn)品，到客車產(chǎn)品的模擬仿真設(shè)計，進一步促進了客車設(shè)計的發(fā)展與革新。對此，文章將著眼客車車身設(shè)計，簡要分析CATIA軟件技術(shù)的有關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：客車;CATIA;車身設(shè)計

0 ?引言

相比以往所采取的設(shè)計方法，科學(xué)應(yīng)用輔助設(shè)計軟件，實現(xiàn)客車產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域質(zhì)的跨越。關(guān)于客車產(chǎn)品行業(yè)，明顯特征為品種多、批量小以及高定制化程度。在實際設(shè)計客車產(chǎn)品時，關(guān)注三維模塊化數(shù)據(jù)的建立、基礎(chǔ)車型，應(yīng)依據(jù)實際情況進行結(jié)構(gòu)分析與仿真分析，根據(jù)性能需求展開設(shè)計與評價，有助于在多種方案擇取最佳方案，也可以對方案進行優(yōu)化。

1 ?CATIA軟件技術(shù)綜述

關(guān)于研制客車車身這一過程其設(shè)計與制造不僅難度偏高，而且需要涉及多方面協(xié)作、頻繁更改設(shè)計等，過去以“勞動密集”為主的手工生產(chǎn)模式，逐步替換為沖壓生產(chǎn)模式，設(shè)計與制作沖壓模具需依據(jù)客車車身表面的數(shù)學(xué)模型。所以，要想進一步提高我國客車行業(yè)設(shè)計與制造的現(xiàn)代化，起始點應(yīng)為客車車身表面數(shù)字模型的構(gòu)建?，F(xiàn)階段，不斷發(fā)展與大范圍應(yīng)用的信息技術(shù)特別是計算機技術(shù)，在根本上促進了以往客車研制的變革，關(guān)于其設(shè)計制造過程開始向數(shù)字化傳遞模式轉(zhuǎn)變，研制客車的過程本質(zhì)上為產(chǎn)品數(shù)字化定義、傳遞數(shù)據(jù)、拓延及加工的一個過程，而其中CATIA軟件發(fā)揮著巨大作用。接下來，本文簡要分析其有關(guān)核心技術(shù)。

1.1 混合建模技術(shù)

設(shè)計對象：依托于CATIA軟件形成的設(shè)計環(huán)境，不管是曲面還是實體，均可以實現(xiàn)交互操作。參數(shù)與變量化：在具體設(shè)計過程中，有關(guān)設(shè)計人員不需要顧慮參數(shù)化設(shè)計目標(biāo)，這是因為CATIA具備變量驅(qū)動能力與后參數(shù)化性能。智能與幾何工程：針對企業(yè)而言，將企業(yè)所積累的經(jīng)驗融合于CATIA知識庫，對企業(yè)新手進行指導(dǎo)，或者是應(yīng)用于開發(fā)新車型的指導(dǎo)，可以縮短其推向市場所需時間。

1.2 方便產(chǎn)品周期內(nèi)部修改

不管是曲面造型還是實體建模，因為CATIA具有智能科學(xué)化的樹結(jié)構(gòu)，可以方便對產(chǎn)品多次修改，在最后的設(shè)計階段即便需要進行重大修改，更新原有方案通過CATIA能輕松實現(xiàn)。

1.3 全體模塊之間的相關(guān)性

關(guān)于CATIA每一模塊均能體現(xiàn)在相同的數(shù)據(jù)平臺上，所以CATIA每一模塊具有明顯的強相關(guān)性，例如修改三維模型，可以在二維模型清晰體現(xiàn)，還能呈現(xiàn)在模擬分析與數(shù)控加工中。

1.4 設(shè)計環(huán)境并行

通過CATIA可以形成混合建模方式及多模型鏈接環(huán)境，進一步普及了并行工程設(shè)計模式在人們心中的認(rèn)知，總體設(shè)計部門只需要放出基本結(jié)構(gòu)尺寸，相關(guān)系統(tǒng)工作人員則開始工作，在實現(xiàn)協(xié)同工作的同時不會相互牽連;因為模型間存在的相互關(guān)聯(lián)性，使得上游環(huán)節(jié)的設(shè)計結(jié)果能為下游提供參考。與此同時，上游所修改設(shè)計能對下游刷新造成直接影響，從而打造真正意義上的并行工程設(shè)計環(huán)境。

1.5 覆蓋整個產(chǎn)品開發(fā)過程

CATIA具有較強的設(shè)計能力：由設(shè)計產(chǎn)品概念開始至產(chǎn)品最終形成，CATIA以可靠精確的解決模式提供完備的二維、三維、數(shù)據(jù)管理與參數(shù)化混合建模手段。同時，CATIA作為高度集成化的軟件，有機結(jié)合了工程仿真、機械設(shè)計，工程分析以及數(shù)控加工等，從而為用戶創(chuàng)造良好的無紙化工作環(huán)境，尤其是CATIA中的關(guān)于汽車、客車業(yè)的有關(guān)模塊。

2 ?正向設(shè)計

2.1 設(shè)計與布置前圍總成

在這一設(shè)計與布置過程中，首先應(yīng)明確關(guān)鍵的風(fēng)窗玻璃上橫梁、A柱、風(fēng)窗玻璃下橫梁及龍門梁。異型管與矩形管是車身骨架重要組成要素。應(yīng)用CATIA當(dāng)中的實體設(shè)計板塊，客車車身骨架設(shè)計的基本方法通常為兩種，直管拉伸以及單（雙）曲管的掃略命令，然后再以修剪等相關(guān)命令修飾模型。有關(guān)前圍A柱，采取的建模方法是：在其外蒙皮L1分割曲線上，隨意選擇某點Q，在點Q繪制L1曲線平面;然后繪制A柱外蒙皮和平面α之間的交線L2;工作草圖于平面α建立，然后繪制其矩形截面，在蒙皮內(nèi)部約束矩形當(dāng)中的某一直角點M和點Q之間的距離是S，然后約束和M相靠近直角點N和交線L2之間的距離同樣是S;將截面作為輪廓，將曲線作為掃略線，通過掃略命令形成A柱模型?；谥圃炝慵墓に囆詾橐暯?，最好將前窗玻璃的上與下橫梁設(shè)計為單曲管。然后，再依據(jù)其他總成的有關(guān)要求，對各種骨架與支架進行布置。圖1為前圍骨架總成的3D幾何模型，核校與布置刮水器，可在完成3D幾何模型后，通過CATIA的DMU模塊，展開模擬分析與運動仿真，測驗刮刷面積自身的合理性，檢查是否會干涉其余部件運動。

2.2 設(shè)計與布置頂蓋總成

在實際設(shè)計頂蓋總成時，應(yīng)該綜合考慮以下幾大方面：布置頂蓋橫梁需根據(jù)門柱以及側(cè)窗立柱的位置，最好形成封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并遵循制造與裝配側(cè)窗與艙門的工藝性原則低于安全性原則;布置頂蓋縱梁需要綜合考察頂蓋外蒙皮的行李架、下料規(guī)格的斷面結(jié)構(gòu)、安全頂窗以及空調(diào)的開口尺寸等因素;布置安全頂窗需要方便車內(nèi)進行換氣以及滿足GB7258關(guān)于撤離艙口的要求;布置空調(diào)需考慮整車前后橋載荷的分布情況;然后依據(jù)其他總成具體要求進行相應(yīng)支架的布置。圖2為頂蓋骨架總成完成的3D幾何模型。

2.3 設(shè)計與布置后圍總成

關(guān)于后圍總成部分和前圍總成較為類似，在和搭接設(shè)計其他總成完成后，重點是布置外蒙皮安裝模式與校檢后背門的運動。值得關(guān)注的是，在后背門止口部分安裝后圍外蒙皮通常有兩種方向：

首先，在客車車身X方向布置，從車后朝車前加以固定;其次，在客車車身方向布置，從車內(nèi)朝車外加以固定。因為后圍外蒙皮固定其兩側(cè)外邊緣，在Y方向從車外朝車內(nèi)固定，因此要是選擇后一方案布置，則致使在車身的Y方向相同部件具有不同方向受力情況，對后圍外蒙皮裝配的余量調(diào)節(jié)造成影響。應(yīng)在車身結(jié)構(gòu)允許的情況，最好選取前一種方案進行布置。在對后背門進行布置時，需依據(jù)造型選擇相應(yīng)的鉸鏈結(jié)構(gòu)，確保艙門運動過程與翻起角度不會干涉、門鎖鎖止安全可靠等。圖3為圍骨架總成完成的3D幾何模型。

2.4 關(guān)聯(lián)化與通用化設(shè)計

在應(yīng)用CATIA軟件輔助設(shè)計客車車身正向時，建立的車型基礎(chǔ)三維幾何模型，需要實現(xiàn)部件關(guān)聯(lián)化與總成通用化。首先，總成通用化。研發(fā)團隊初期定義產(chǎn)品時，一方面應(yīng)完成研發(fā)已確定的市場單一車型，另一方面還需對今后若干可能產(chǎn)品變化的狀態(tài)進行綜合考慮。實際布置中應(yīng)反復(fù)平衡各種變化狀態(tài)，然后明確最終的平臺車型產(chǎn)品方案，從而降低后續(xù)由于客戶定制產(chǎn)生的設(shè)計、采購、生產(chǎn)與售后等方面成本。比如某一平臺車型，要是變化的僅為整車長度，需要確保模具成型化與骨架工裝的通用化;要是變化僅為高配置與低配置，需確保在滿足客戶實際要求的情況下，更換一些附件與內(nèi)飾，局部調(diào)整車身骨架的更改。比如二級踏步的首次布置中，必須考慮布置低入口城市客車的有關(guān)需求，只有保證兩者之間的平衡才可以明確產(chǎn)品的最終方案。其次，部件關(guān)聯(lián)化。關(guān)聯(lián)化，其主要指的是在局部范圍之內(nèi)，設(shè)置參考基準(zhǔn)部件尺寸與位置約束條件產(chǎn)生變化后，可以驅(qū)動其余將該部件視為基準(zhǔn)參考部件自動呈現(xiàn)變化。比如，某客車當(dāng)側(cè)圍窗立柱發(fā)生了位置變化，車身的頂蓋橫梁可以自動更新至指定位置，而如果是橫截面狀態(tài)產(chǎn)生變化，那么其立柱內(nèi)飾橫截面的狀態(tài)會自主更新到至橫截面相對應(yīng)的狀態(tài)。

3 ?客車車身曲面設(shè)計

3.1 曲面建模

通過CATIA軟件當(dāng)中的GSD工具箱，展開曲面建模。將輪廓線作為其外部參考，將曲面建模所涉及的邊界或是特征曲線提取出來，現(xiàn)下主要為以下幾種方式，具體包含Pointcontinuity、Nopropagation等，之后通過掃描、拉伸、填充等創(chuàng)建曲面的方法，依據(jù)上述曲面建模具體原則和相應(yīng)的順序，創(chuàng)建半車身整體曲面，具體如圖4所示。

3.2 評價車身曲面品質(zhì)

基于CATIA環(huán)境，檢測曲面品質(zhì)的方法有以下幾方面：

首先，反射線法，相比曲面連續(xù)次數(shù)反射線的會少1次。要是相鄰兩個曲面斷開其上反射線斷，那么這兩個曲面屬點連續(xù)最多;要是反射線存在尖點，那么曲面切矢為連續(xù)的;要是光滑過度為曲率連續(xù)。

其次，Isophote（等照度法），相比曲面連續(xù)等照度線連續(xù)次的會少1次，也就是說要是相鄰的等照度線光滑過渡，曲面間符合曲率連續(xù)。除此之外，其形狀也能呈現(xiàn)出變化的曲面形狀。

再次，高光線法。所謂高光線其主要基于反射線而進一步發(fā)展形成的，原理和反射線法十分類似，而差異點是在構(gòu)建高光線時，視點重合光源會。

最后，環(huán)境反射，借助視覺效果對曲面品質(zhì)進行檢測。相比于轎車，客車曲面的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)并不嚴(yán)格，可依然需要確保相應(yīng)的光順程度。由于光順曲面能延遲或者是消除渦流形成與空氣跗面剝離，可以提升整個客車的空氣動力性能。圖5為反射線檢驗客車車身曲面。

3.3 分割車身零部件曲面

在創(chuàng)建完成客車整體車身曲面之后，應(yīng)依據(jù)零部件形狀分割處理車身整體曲面，獲得客車車身的每一零件基準(zhǔn)曲面。從車身整體曲面進行分割獲得的零件基準(zhǔn)曲面主要為：前圍蒙皮、霧燈、車大燈、前風(fēng)窗玻璃、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)窗玻璃、后圍蒙皮等具體如圖6所示。分兩步展開零部件分割：首先，投影，在整體曲面上投影零件邊界輪廓線，獲得零部件附著在整體曲面的邊界線;其次，裁切，應(yīng)用CATIA系統(tǒng)當(dāng)中的裁切工具，獲得分割邊界線的參考對整體曲面進行裁切。通過零部件自身基準(zhǔn)曲面，通過Part Design功能，對曲面進行增厚處理，實現(xiàn)各基準(zhǔn)曲面實體化。之后設(shè)置各零部件材質(zhì)，依據(jù)設(shè)計顏色配色并對整車造型進行觀察。圖6為客車車身創(chuàng)建的模型圖。

4 ?結(jié)束語

設(shè)計客車車身時應(yīng)用具備輔助功能的CATIA軟件，可以在提升設(shè)計效率的基礎(chǔ)上，盡早找出設(shè)計存在的問題減少研發(fā)成本投入。模型數(shù)據(jù)的建立，是下游進行模擬仿真與分析的前提。實現(xiàn)平衡工藝可行性與仿真數(shù)據(jù)之后，及時修改模型數(shù)據(jù)，然后將試制與路試中存在的問題反饋出來，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的完善。模型數(shù)據(jù)完善后，能為未來變型產(chǎn)品以及研發(fā)新平臺產(chǎn)品提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要意義。

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