基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及优化设计

2014-03-01李兵

汽车电器 2014年3期

李兵

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

随着科技的不断进步，产品的数字化设计及制造技术突飞猛进，汽车产品的设计开发周期也越来越短，利用先进的三维软件进行产品的设计分析，是提高设计效率的有效方法。CATIA三维软件不但具有强大的三维数字模型创建功能，而且还可以进行动态模拟分析（DMU—Digital Mock-Up）、CAE分析、人机工程模拟分析等，为产品的设计分析提供强有力的支持，特别是汽车产品的设计开发，更是离不开三维软件的支持。

数字样车技术（DMU）指利用CATIA V5软件所具有的装配、干涉检查、机构仿真、运动包络等功能，对样车产品进行虚拟的模仿和再现，使其具有物理模型的特性，从而取代物理模型，验证产品的设计、功能（运动）、工艺、制造和维护等方面内容的产品开发技术，形成一辆模拟现实的数字样车，对产品的真实化进行计算机模拟参数演算。

1 某开发车型的前刮水器运动机构分析

1.1 前刮水器的数字模型建立

根据参考标杆车型的已有实物，逆向初步建立三维数字模型，然后结合总布置、车身、内外饰专业的要求、风窗外CAS面等前刮水器周边数模，初步确定前刮水器安装硬点（安装点的整车坐标位置，整车设计中由总布置和相关专业共同确定），选择刮片类型，调整相关的数模尺寸，使前刮水器的数字模型初步达到静态的安装要求，如图1所示。

该机构组成：左刮臂（含刮片）、右刮臂（含刮片）、刮水电动机、连杆1、连杆2、刮臂转轴及安装支承，该分类没有按照设计BOM来分，是依据仿真要求而分的零部件组块。如图1左边数模结构树所示建立整个装配的产品文件，为下一步运动分析做准备。

1.2 前刮水器机构的运动副分析

该刮水器机构为联动平行式机构，两个连杆机构为传动件，主动件为刮水电动机的曲柄机构。两个刮臂的转轴与转轴支承件的运动关系为旋转运动副；刮水电动机与电动机传动曲柄之间也是旋转运动副。由于前风窗盖板下部安装空间的局限性，电动机旋转轴、左刮臂旋转轴、右刮臂旋转轴这3个轴的轴线为空间不平行直线，所以两个连杆端点连接为球连接，运动关系为球面运动副。表1列出了机构的运动副关系。

表1 刮水机构的运动副关系

1.3 CATIA中建立仿真运动副关系

在CATIA中建立如图1所示的产品数字模型，进入CATIA数字化装配模块中的DMU运动机构模块，使用CATIA-DMU模块中的运动副关系命令建立仿真机制。所涉及的命令见图2。

按照表1所列的关系约束后，结果见图3。

关系约束完成后，CATIA中显示机构自由度为2，说明该机构不能做仿真运动。根据机械原理的知识分析，两个刮水连杆分别存在一个自由度。对于单个连杆而言，两个球面运动副约束后，还存在一个以两个端点为轴线的旋转自由度，如图4所示。经分析，在连杆的一端与刮臂的球接头之间增加一个点面接触运动副，就可以限制该自由度。

在CATIA中使用图2中命令，分别在两个连杆上建立两个点面运动副，机构自由度为0，表示机构的自由度都被约束完。

2 前刮水器的仿真分析及设计优化

运动副约束完成，驱动加载完成后，CATIA会弹出系统提示信息，提示机构可以进行运动模拟。机构可以仿真模拟后，通过CATIA中两个命令，分步建立一个周期的模拟和重放，如图5所示。然后通命令做运动机构的运动包络。检查刮片运动包络与风窗形成的刮刷面积，计算刮刷面积是否满足法规的要求。不满足可以调整刮臂、选择刮片的长度以及调整连杆和曲柄的尺寸，然后继续仿真模拟。

结合风窗玻璃的曲率选择合适的刮片类型，调整刮臂的安装点、刮臂的安装平面、刮臂尺寸，优化刮片的运动包络，如图6与图7所示。不仅使刮片的运动包络与风窗形成的刮刷面积符合要求（GB11565：轿车风窗玻璃刮水器刮刷面积），而且尽量使刮片运动包络侵入风窗玻璃的尺寸变化均匀（刮片对风窗的压紧力变化均匀）。检查刮片的运动起止位置与风窗玻璃黑边的距离，刮臂的升降角是否符合设计要求。做出刮水连杆的运动包络，检查包络与周边件是否存在干涉，以及它们之间的运动间隙。如图8所示，是两个连杆以及曲柄与周边件的最小运动间隙，检查是否满足设计要求。

3 速度和加速分析

机构速度和加速度的分析必须要先将驱动的角度与时间关联起来。选择可以仿真的刮水机构，使用知识工具栏中命令，将已经做好的仿真机构的驱动角度定义为与时间关联的参数关系式。驱动角度进行时间函数关联，机构任意点的坐标方向上，角速度、角加速度、线速度、线加速度都可以进行动态测量。在两个刮臂上分别选择测量点（点不能选择在旋转轴上），使用命令测量两个测量点的速度和加速度，如图9所示。

进行速度和加速度分析时，选择激活传感器按钮，根据需要选取图10对话窗口中需要输出的参数。图11所示为刮水器机构电动机曲柄在一定角速度驱动下一个运动周期内，左刮臂上测量点在优化前后的线加速度曲线对比图。经过优化后的机构相同测量点线加速度峰值明显得到优化。使用该方法可以对机构进行加速度的间接定量分析。

使用CATIA-DMU模块进行的刮水器机构设计，明显缩短了产品的设计开发验证周期，首次手工件样件试装合格，试装件安装尺寸、周边运动间隙、刮水器刮刷面积满足设计要求。