CATIA软件与客车车身设计

孙立君，崔守基，陈　博

（一汽客车有限公司，长春130033）

CATIA软件与客车车身设计

孙立君，崔守基，陈博

（一汽客车有限公司，长春130033）

按客车产品的研发需求和设计流程，分别从正向设计和逆向设计的角度，介绍使用CATIA软件的不同功能模块，进行客车车身辅助设计的具体内容和要求。

CATIA软件；客车车身设计；正向设计；逆向设计

CATIA软件多模块化、关联化的设计功能，尤其是强大的曲面设计功能，在飞机、汽车、轮船等设计领域得到广泛的应用。近年来，在客车设计的领域，工程师使用CATIA软件辅助客车车身设计的理论和方法也日趋成熟［1-2］。客车产品设计从二维到三维，再到模拟仿真设计，客车设计技术在不断地革新和发展［3］。对比传统的设计方法，有效地使用计算机辅助设计软件，给客车产品设计带来了质的飞跃。客车产品具有小批量、多品种、定制化程度高的行业特点。在进行客车产品设计时，针对基础车型，建立模块化的三维数据，根据实际条件进行仿真分析和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行优化设计，就显得尤为重要［4-5］。

1　 CATIA软件与客车车身正向设计

目前，国内客车行业普遍使用CATIA软件进行客车车身的正向辅助设计工作［6］。

1.1造型设计

在完成前期产品市场调研和市场定位的基础上，造型师根据总布置给出的整车轮廓尺寸和前后悬距离，提供经过评审的整车CAS（Class-A-Surface）数模和四视效果图，分别如图1和图2所示。CATIA软件具有造型设计功能模块，使用CATIA软件可以完成早期的造型设计数模，如图3所示。但是，国内造型师普遍青睐Alias、Rhino等专业的（A级曲面建模）造型设计软件完成此项工作。1.2分组/总成设计

确定整车的造型后，由总布置在CATIA软件中对CAS数据进行分割处理，给出关键位置的剖视图，布置六大片总成（前/后围、顶盖、左/右侧围和地板骨架）及内外饰和附件等，进行分组/总成设计。

1）前围总成的布置和设计。前围总成的布置和设计过程，首先要确定关键的A柱、风窗玻璃上/下横梁及与侧围和顶盖搭接的龙门梁。客车车身骨架主要由矩型管和异型管组成。使用CATIA软件中的实体设计（PD）模块，建立车身骨架的基本方法一般有两种，分别为针对单曲管或双曲管的扫略命令和针对直管的拉伸命令，再经过修剪等命令完成模型的修饰。前围A柱的建模方法是：在A柱的外蒙皮分割曲线L1上，任意选取一点Q，通过点Q绘制曲线L1的法平面α；再绘制平面α与A柱外蒙皮的交线L2；在平面α上建立工作草图，绘制A柱的矩形截面MNN'M'，在蒙皮内侧约束矩形的一个直角点M与Q点的距离为S，再约束与M相邻的直角点N与交线L2的距离也为S（S的值，取决于外蒙的厚度）；以截面MNN'M'为轮廓，以曲线L1为扫略线，使用扫略命令，生成A柱模型。从零件制造工艺性的角度出发，前风挡玻璃上/下横梁应尽量设计成单曲管。之后，再根据其它总成的具体要求，布置各种相应的骨架和支架。完成前围骨架总成的三维几何模型，如图4所示。其中，刮水器的布置和校核，可以在三维几何模型完成后，使用CATIA软件中的数字样机（DMU）模块，进行运动仿真和模拟分析，检查刮刷面积是否合理，检查是否与其它部件发生运动干涉［7］。

2）后围总成的布置和设计。后围总成的布置和设计过程，与前围总成类似，在完成与其它总成的搭接设计后，主要是进行外蒙皮安装方式的布置和后检视门的运动校核。

应该注意的是，后围外蒙皮在后检视门止口区域的安装方向一般有两种：第一种是布置在车身的x方向，由车后向车前固定；第二种是布置在车身的y方向，由车内向车外固定。由于后围外蒙皮两侧外边缘的固定，是在车身y方向由车外向车内固定，所以，如果选择第二种布置方案，就会导致同一部件在车身y方向存在相向的受力情况，限制了后围外蒙皮装配的调节余量。建议在车身结构允许时，尽可能选择第一种布置方案。在布置后检视门时，应根据不同的造型，选择合适的铰链结构，保证舱门翻起角度、运动过程无干涉、气弹簧支撑力适当和门锁锁止可靠等。完成后围骨架总成的三维几何模型，如图5所示。

3）顶盖总成的布置和设计。顶盖总成的布置和设计过程，需从以下几个方面综合考虑：顶盖横梁的布置应依据侧窗立柱和门立柱的位置进行布置，尽可能地形成整车封闭环结构，应当恪守侧窗和舱门的制造和装配的工艺性让步于车身上部结构安全性的原则；顶盖纵梁的布置应综合考虑顶盖外蒙皮的下料规格、行李架（或风道）的断面结构、空调和安全顶窗的开口尺寸等进行布置；安全顶窗的布置应便于车内的通风换气；空调的布置应能够改善前后桥载荷的分布状况；再根据其它总成的要求，布置相应支架。完成顶盖骨架总成的三维几何模型，如图6所示。

4）左/右侧围总成的布置和设计。左/右侧围总成的布置和设计过程，首先应根据地板骨架驾驶区和乘客区的高度及侧窗的高度，布置关键的腰梁和地板搁梁；再根据侧窗布置、舱体布置和底盘布置的要求，布置窗立柱和裙立柱。侧窗和侧舱的划分应尽量保证部件的通用性。主要结构完成后，再根据座椅、行李架和扶手等其它总成的要求，布置相应的支架。完成左/右侧围骨架总成三维几何模型，如图7所示。

5）地板骨架总成的布置和设计。地板骨架总成的布置和设计过程，应根据相关标准（主要是GB 7258《机动车运行安全技术条件》和GB 13094《客车结构安全要求》）的要求，完成底盘与车身骨架的连接，合理有效地传递力和力矩，以保证整车的安全性和舒适性。可以按驾驶区、踏步区、悬挂区、中段舱体区、五人座区和发动机舱体区等进行模块化设计。完成地板骨架总成的三维几何模型，如图8所示。

6）内/外饰和附件总成的布置和设计。进行车身骨架布置和设计的同时，可以根据总布置给出的截面布置图，同步开展内饰、舱门及附件总成的设计工作，如图9所示。一般情况下，常使用CAITA软件中的创成式曲面设计（GSD）模块，完成相关曲面的设计工作。

1.3通用化和关联化设计

在使用CATIA软件进行客车车身正向辅助设计时，基础车型三维几何模型的建立，应做到总成的通用化和部件的关联化。

1）总成的通用化。产品研发团队在产品定义的初期，不仅要完成已明确市场的单一车型的研发，而且要综合考虑今后可能发生变化的若干状态。布置过程中需对各种变化状态反复地加以平衡，再确定平台车型的最终产品方案，以减少后续因客户定制所引起的设计成本、采购成本、生产成本及售后成本等。例如：一个平台车型，如果仅是整车长度的变化，应尽量保证骨架工装和模具成型件的通用化；如果仅是高配置和低配置的变化，应尽量保证在达到客户要求的条件下，仅是更换部分内饰和附件，车身骨架的更改也仅是局部的调整。再例如：首次布置二级踏步城市客车的过程中，一定要考虑低入口城市客车的布置需求，两者加以平衡后，才能确定最终的产品方案。

2）部件的关联化。就关联化而言，是指在局部范围内，被设置为基准的参考部件的位置或尺寸的约束条件发生变化后，能够驱动其它以此部件作为参考基准的部件自动地发生相应变化。例如：当侧围窗立柱的位置发生变化后，顶盖横梁应能够自动地更新到与之相对应的位置；当侧围窗立柱的横截面状态发生变化后，侧窗立柱内饰的横截面状态应能够自动地更新到与之相对应的横截面状态。

2　 CATIA软件与客车车身逆向设计

逆向工程（Reverse Engineering），是使用数字化测量仪器，测绘实物表面轮廓的三维坐标，并以“点云”文件的形式存储，再将点云数据导入到三维软件中，实现几何模型还原和优化的过程［8］。逆向工程技术在客车产品设计中的应用，并不是简单的、完全的实物还原工作，而是一个“实物模型分析→实物轮廓测绘→点云数据分析→几何模型重建→几何模型分析→几何模型优化”的过程。

2.1点云数据采集

以某客车白车身的前/后围外蒙皮为逆向工程对象，使用非接触式、光学三维扫描仪（HandyScan 3D）采集点云数据。

1）实物表面处理。实物表面清理和贴定位感应点（金属反光面或玻璃透明面则需喷粉着色）是将实物模型转化为数字模型的前期准备工作。贴点要求：贴点总体分布均匀，且应不呈现规律性，尤其要避免直线排列的情况；小曲面区域，点与点的间距控制在50～150mm，大曲面区域，点与点的间距控制在100～150mm，贴点与实物边界的距离控制在12～20mm。因前/后围外蒙皮是左右对称的，所以，贴点区域超出对称平面100～150mm即可。前围外蒙皮表面贴感应点情况如图10所示。

2）扫描定位点。扫描仪在使用前需标定。在扫描过程中，镜头与实物表面的距离控制在200～400mm；采取“米”字型轨迹开始扫描定位点，并逐渐向周围扩散；采取“回”字型轨迹扫描边界定位点。采集的定位点以“.txt”文件格式存储在计算机内。可以对定位点文件进行后期的编辑处理（例如局部定位点的删除等），也可以调用原“.txt”文件，继续添加扫描，增加新的定位点。

3）扫描表面（即采集点云）。定位点扫描完成后，需对整个表面进行分区编号处理，逐个区域扫描表面，并以“.stl”文件格式将各个表面所生成的点云文件分别保存到计算机内。当所有区域扫描完成后，将所有的“.stl”文件“融合”到一个“.stl”文件中，以备后期的几何模型重建。某车型外表面扫描情况如图11所示。

2.2几何模型重建

使用CATIA软件中的数字化外形编辑器（DSE）模块、快速曲面重建（QSR）模块和自由曲面（FSS）模块，可以完成将点云数据转化为三维几何模型的工作。

1）点云数据处理。点云数据导入DSE模块过程中，需对密集的点云进行过滤处理，本文选择“弦高差”的方式过滤点云。这种过滤方式的主要特点是，原始点云数据在曲面变化小的部位过滤的点较多，在曲面变化大的部位过滤的点较少，从而使过滤后的新点云数据的曲面特征更加明显。点云数据导入后，可以对局部不合理的点云数据进行剔除处理，以保证后期调用点云数据的质量。

2）曲面重建。曲面重建工作是逆向工程的关键环节，工作周期也最长。在QSR模块中，先对点云数据所形成的曲面片进行结构分析，根据结构特征再对点云数据进行分割处理，分区域完成关键点和特征曲线的绘制。在FSS模块中，根据特征曲线完成分块曲面的重建和整个曲面的缝合。曲面重建是一个“曲面绘制→曲面评价→曲面调整→曲面再评价”的往复过程，直至达到预期目标。一般情况下，汽车行业追求车辆的外表面（除刻意为之的造型线以外）要做到A级曲面以上，即外表面要做到曲率以上连续（含曲率连续）。通过曲面重建，完成前/后围外蒙皮点云数据转化为三维几何模型，如图12所示。

2.3二次开发和优化设计

考虑整车长度的市场需求和底盘的平台情况，根据逆向工程中所获取的前/后围外蒙皮三维几何模型和优化后的龙门曲线（整车横断面外轮廓曲线），再采取正向设计的方式，进行产品的二次开发和优化设计。完成某系列公路客车的车身设计，如图13所示。

3　结束语

使用CATIA软件辅助客车车身设计，能有效地提高设计效率，尽早地发现设计问题，降低研发成本。所建的模型数据，是下游模拟仿真分析工作的基础。对仿真数据和现实工艺的可行性加以平衡后，继续对模型数据进行修改，再针对试制过程和路试过程的反馈问题，进一步完善模型数据。完善后的模型数据，可为今后变型产品或新平台产品的研发，提供参考依据。

［1］李红，陈靖芯，徐晶，等.CATIA V5软件环境下客车车身数字化设计技术［J］.客车技术与研究，2004，26（4）：4-6.

［2］董廷，于敬平，李明涛.CATIA V5结构设计库的构建与使用［J］.客车技术与研究，2012，34（3）：17-19.

［3］孙立君，谭继锦，蒋成武，等.某全承载客车车身骨架的有限元分析［J］.商用汽车，2010（1）：60-62.

［4］李华香.客车车身骨架有限元建模及轻量化研究［D］.合肥：合肥工业大学，2006.

［5］吴爽.轻型客车车身有限元建模与动态仿真［D］.镇江：江苏大学，2004.

［6］王磊，金达锋，李轩.基于CATIA的大客车车身曲面设计［J］.客车技术与研究，2006，28（6）：11-13.

［7］李庆华，罗高华.CATIA在客车刮水器机构设计校核中的应用［J］.客车技术与研究，2005，27（6）：36-37.

［8］何伟.基于CATIAV5的逆向工程自由曲面重构技术［J］.制造业自动化，2013（6）：114-116.

修改稿日期：2016-01-22

CATIA Software and Bus/Coach Body Design

Sun Lijun，Cui Shouji，Chen Bo
（FAW Bus and Coach Co.，Ltd，Changchun 130033，China）

According to the development demand and design process of the bus/coach products，the authors introduce the concrete contents and requirements of using the different functional modules of CATIA software to aid design the bus/coach body respectively from the points of forward design and reversal design.

CATIA software；bus/coach body design；forward design；reversal design

U463.82

B

1006-3331（2016）03-0021-04

孙立君（1981-），男，硕士；工程师；研究方向：车身总布置及结构设计。