李 華，張 敏，吳東霞，程麗娜，吳月仙，楊 旭，黃明新

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車需求量日益增大。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，對(duì)乘車舒適性和安全性都起著極其重要的作用。在輪胎設(shè)計(jì)變得尤為重要的今天，輪胎花紋的復(fù)雜程度也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。輪胎花紋形態(tài)千變?nèi)f化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常常需要耗費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。眾多輪胎企業(yè)紛紛采用CATIA，UG和SolidWorks等三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，特別是利用CATIA軟件對(duì)單節(jié)距花紋進(jìn)行參數(shù)化模板開發(fā)，顯著縮短了輪胎的開發(fā)周期，并伴隨著設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度的提高，輪胎的設(shè)計(jì)質(zhì)量也得到了明顯提升[1-2]。

輪胎花紋對(duì)輪胎的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、噪聲、燃油經(jīng)濟(jì)性和滑水等性能都有重要影響[3-8]。為了提高輪胎的綜合性能，輪胎花紋一般采用多節(jié)距變參數(shù)設(shè)計(jì)及改變不同節(jié)距排列順序的方法[9-11]。隨著設(shè)計(jì)方法及仿真手段的提升，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)不僅要對(duì)花紋進(jìn)行多節(jié)距設(shè)計(jì)，而且會(huì)采用跨節(jié)距設(shè)計(jì)的方法，即當(dāng)前、后節(jié)距組合順序不同時(shí)，前節(jié)距的花紋造型也會(huì)作出一些細(xì)微變化以利于改善輪胎綜合性能。在這種情況下，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，不僅需要對(duì)每個(gè)節(jié)距花紋進(jìn)行手工設(shè)計(jì)，而且需要根據(jù)前、后節(jié)距的不同組合把每種情況都做出來。該方法不僅耗時(shí)耗力，而且當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生更改時(shí)，原設(shè)計(jì)中所有造型過程均需要推倒重來，開發(fā)效率非常低下。而開發(fā)跨節(jié)距設(shè)計(jì)模板，可迅速地批量創(chuàng)建前、后關(guān)聯(lián)的單節(jié)距的三維模型，即可有效避免重復(fù)設(shè)計(jì)，采用自動(dòng)化的參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更改時(shí)花紋造型的自動(dòng)生成[12]。因此采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)改進(jìn)花紋的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)化模板優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是提高輪胎質(zhì)量的重要途徑[13]。

為提高輪胎跨節(jié)距花紋組設(shè)計(jì)的效率，本工作在CATIA V5R22版本下，根據(jù)花紋塊最小單元——節(jié)距，在CATIA設(shè)計(jì)模塊下完成對(duì)跨節(jié)距相關(guān)參數(shù)的創(chuàng)建，而后通過參數(shù)和配置表公式進(jìn)行參數(shù)化跨節(jié)距設(shè)計(jì)的2D線框、3D曲面和3D實(shí)體設(shè)計(jì)。在單節(jié)距模板封裝時(shí)，發(fā)布節(jié)距代號(hào)及旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，然后利用CAA二次開發(fā)，根據(jù)自定義節(jié)距排列順序，自動(dòng)多次調(diào)用跨節(jié)距設(shè)計(jì)的花紋模板，自動(dòng)完成花紋整周的拼合。

1 不同前、后節(jié)距組合造成當(dāng)前節(jié)距設(shè)計(jì)差異

輪胎花紋一般由3—5個(gè)不同節(jié)距組成。以某花紋3個(gè)節(jié)距設(shè)計(jì)為例，輪胎整周由A，B，C三個(gè)節(jié)距根據(jù)一定的順序排列組成（3個(gè)節(jié)距設(shè)計(jì)規(guī)則一致，設(shè)計(jì)參數(shù)不同）。為了直觀展示跨節(jié)距設(shè)計(jì)造型，將這3個(gè)節(jié)距展開在同一個(gè)平面內(nèi)，如圖1所示。

圖1 3個(gè)節(jié)距花紋平面展開示意

該花紋肩部的2個(gè)鋼片需要均布在上下2個(gè)肩部花紋溝之間，而每個(gè)節(jié)距內(nèi)的肩部花紋溝寬度不同，因此不僅需要本節(jié)距長(zhǎng)度參數(shù)，而且需要相鄰節(jié)距溝寬度參數(shù)才能計(jì)算出鋼片位置。如左側(cè)肩部鋼片位置需要根據(jù)上方節(jié)距肩部溝寬度參數(shù)計(jì)算，右側(cè)肩部鋼片位置需要根據(jù)下方節(jié)距肩部溝寬度參數(shù)計(jì)算。因?yàn)椴捎昧丝绻?jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)際上每個(gè)節(jié)距的設(shè)計(jì)造型都會(huì)由于前、后節(jié)距組合的不同而存在少量差異。

由于每個(gè)節(jié)距設(shè)計(jì)都需要關(guān)聯(lián)前、后節(jié)距參數(shù)，在CATIA中可以通過設(shè)置當(dāng)前及前、后“節(jié)距代號(hào)”參數(shù)，利用知識(shí)工程工具，獲取相應(yīng)節(jié)距的參數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)跨節(jié)距設(shè)計(jì)，并通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前節(jié)距在前、后節(jié)距代號(hào)變化時(shí)造型的自動(dòng)更改。由此，僅開發(fā)一個(gè)含跨節(jié)距設(shè)計(jì)的單節(jié)距花紋模板，即可通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)完成不同節(jié)距組合下輪胎的整周花紋造型，可極大地提升設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期。

2 跨節(jié)距設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)定義

根據(jù)花紋跨節(jié)距設(shè)計(jì)規(guī)則特點(diǎn)，先進(jìn)行參數(shù)分類和定義（見圖2），再將定義好的參數(shù)進(jìn)行配置表設(shè)計(jì)（見表1），配入各節(jié)距設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于對(duì)稱設(shè)計(jì)的部分，只需要定義單側(cè)參數(shù)即可。

圖2 單節(jié)距花紋參數(shù)分類及定義

表1 參數(shù)配置設(shè)計(jì)

2.2 CATIA內(nèi)創(chuàng)建參數(shù)及其關(guān)聯(lián)

在CATIA的GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)）模塊中，創(chuàng)建設(shè)計(jì)參數(shù)并與配置表進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。創(chuàng)建的參數(shù)包含常規(guī)參數(shù)和跨節(jié)距參數(shù)，常規(guī)參數(shù)為單節(jié)距內(nèi)的設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅包含設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，還包含節(jié)距旋轉(zhuǎn)參數(shù)，使模板自帶旋轉(zhuǎn)功能，滿足后續(xù)程序調(diào)用時(shí)自動(dòng)整周拼合；跨節(jié)距參數(shù)為在當(dāng)前節(jié)距設(shè)計(jì)過程中需要用到的前、后節(jié)距中的相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用知識(shí)工程工具在配置表里進(jìn)行抓取，在模板設(shè)計(jì)時(shí)用于參數(shù)計(jì)算。

跨節(jié)距參數(shù)如Ptich_Code參數(shù)和肩部溝寬度對(duì)應(yīng)的D6參數(shù)。一般以pPitch用作當(dāng)前節(jié)距的上節(jié)距代號(hào)，以nPitch用作當(dāng)前節(jié)距的下節(jié)距代號(hào)，如pPitch_Code＝A，Pitch_Code＝B，nPitch_Code＝C，表示當(dāng)前模板設(shè)計(jì)節(jié)距為B節(jié)距，對(duì)應(yīng)配置表中B節(jié)距設(shè)計(jì)參數(shù)，其前節(jié)距為A，后節(jié)距為C，節(jié)距順序?yàn)锳，B和C。在此種節(jié)距組合下，B節(jié)距的前、后及當(dāng)前的D6參數(shù)表示為pD6＝4.5 mm，nD6＝5.5 mm，D6＝5.0 mm。

3 跨節(jié)距設(shè)計(jì)的模板開發(fā)

3.1 2D線框設(shè)計(jì)

在GSD模塊下，利用參數(shù)配置設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行2D線框設(shè)計(jì)。對(duì)于跨節(jié)距設(shè)計(jì)，要根據(jù)跨節(jié)距參數(shù)進(jìn)行公式計(jì)算，確定跨節(jié)距圖形元素的位置、尺寸等，而后進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，依次設(shè)計(jì)單節(jié)距的花紋溝和鋼片等。線框造型如圖3所示。

圖3 跨節(jié)距設(shè)計(jì)下單節(jié)距線框造型

當(dāng)前節(jié)距右側(cè)鋼片等分的長(zhǎng)度計(jì)算為前節(jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，公式為：右側(cè)鋼片等分長(zhǎng)度＝[（Pitch長(zhǎng)度＋pPitch長(zhǎng)度）/2－pD6]/3；左側(cè)鋼片等分的長(zhǎng)度計(jì)算后節(jié)距的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，公式為：左側(cè)鋼片等分長(zhǎng)度＝[（Pitch長(zhǎng)度+nPitch長(zhǎng)度）/2－nD6]/3。

在常規(guī)設(shè)計(jì)方式下，對(duì)于花紋為左、右對(duì)稱設(shè)計(jì)的情況，只需要設(shè)計(jì)出單側(cè)造型，通過一系列的旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、平移等操作即可得到另一側(cè)圖形。但是跨節(jié)距設(shè)計(jì)的部分，由于其左、右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的前、后節(jié)距不同，不可通過此種方式生成，需要分別單獨(dú)進(jìn)行處理。

3.2 3D曲面和實(shí)體設(shè)計(jì)

在GSD模塊下，將已生成的2D單節(jié)距線框展開投影到胎面曲線上，之后根據(jù)配置表關(guān)聯(lián)的3D設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行角度掃掠、橋接、圓角和修剪等設(shè)計(jì)，生成花紋單節(jié)距3D曲面。在PDG（Part Design，零件設(shè)計(jì)）模塊下，將曲面進(jìn)行封閉并轉(zhuǎn)化為3D實(shí)體的溝和鋼片，以備后續(xù)節(jié)距整周拼合時(shí)進(jìn)行布爾減操作。

此時(shí)，利用CATIA知識(shí)工程的功能，將所有設(shè)計(jì)進(jìn)行模板封裝，達(dá)到通過配置表選擇節(jié)距參數(shù)以實(shí)現(xiàn)3D單節(jié)距造型自動(dòng)生成的目的。封裝時(shí)，需要發(fā)布pPitch_Code，Pitch_Code，nPitch_Code，Ro和Ro_LastPitch等參數(shù)，用于后續(xù)程序自動(dòng)拼花時(shí)由程序?qū)?shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置。

4 輪胎整周花紋自動(dòng)裝配

在CATIA的ASD（Assembly Design，裝配設(shè)計(jì)）模塊中，首先由輪廓曲線旋轉(zhuǎn)得到輪胎光胎實(shí)體，再利用CAA編程二次開發(fā)自動(dòng)對(duì)3D節(jié)距實(shí)體進(jìn)行多次調(diào)用，并根據(jù)模板自帶的旋轉(zhuǎn)功能使之旋轉(zhuǎn)到正確位置后進(jìn)行布爾運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自定義節(jié)距順序下的自動(dòng)整周拼合。

以Ro_LastPitch 為上一個(gè)節(jié)距的角度參數(shù)，Ro為當(dāng)前節(jié)距的旋轉(zhuǎn)角度從而確定拼合位置。程序開發(fā)時(shí)，將第1個(gè)自動(dòng)調(diào)入的節(jié)距的Ro_LastPitch參數(shù)默認(rèn)為0°，模板自動(dòng)計(jì)算第1個(gè)節(jié)距的Ro值。后續(xù)調(diào)用拼合的節(jié)距，均以Ro_LastPitch＝pRo（即等于上一個(gè)節(jié)距的Ro值），即可實(shí)現(xiàn)跨節(jié)距設(shè)計(jì)的節(jié)距自動(dòng)拼合。

自動(dòng)裝配時(shí)，用戶只需要在程序開發(fā)的對(duì)話框中輸入自定義節(jié)距排列順序“Pitch Arrange”，選擇需要調(diào)用的單節(jié)距模板“Select Pattern”，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跨節(jié)距設(shè)計(jì)花紋的整周裝配，如圖4所示。

圖4 跨節(jié)距設(shè)計(jì)的花紋模板自動(dòng)整周拼合

5 結(jié)語

本工作對(duì)輪胎花紋跨節(jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，采用單節(jié)距模板設(shè)計(jì)，對(duì)跨節(jié)距花紋進(jìn)行參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，以跨節(jié)距參數(shù)等作為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行跨節(jié)距花紋設(shè)計(jì)擴(kuò)展的應(yīng)用。配合CAA二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單、便捷的生成跨節(jié)距設(shè)計(jì)下不同節(jié)距組合的單節(jié)距造型。

采用參數(shù)化跨節(jié)距模板方式進(jìn)行花紋跨節(jié)距設(shè)計(jì)工作，結(jié)合CAA編程開發(fā)輸入自定義節(jié)距排序，自動(dòng)完成輪胎花紋整周拼合的花紋設(shè)計(jì)，不僅大幅度縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)人員的工作時(shí)間，同時(shí)避免在不同前、后節(jié)距組合設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，減少因排列組合不同而需要多次對(duì)節(jié)距花紋進(jìn)行造型的工作，規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高了輪胎花紋圖的設(shè)計(jì)質(zhì)量。