白车身典型特征数据库的建立与应用

吕奉阳 杨国勇 杨金秀 罗培锋 陈东

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

白车身总成一般包含数百个零件，设计过程中，经常遇到相似特征重复建模的情况。相似特征需要在每个零件设计时进行单独建模，重复设计会加大工作量，降低工作效率。白车身零件虽然结构复杂，但是存在大量的相似特征，例如孔、凸台、加强筋、修边等[1]，这些特征的几何形状相似，只是位置和尺寸参数不同。通过CATIA 知识模板相关工具，建立白车身典型特征数据库，可以在不同零件设计时调用典型特征，减少重复设计工作量，提高工作效率。

1 设计白车身典型特征

1.1 白车身典型特征分类

白车身零件一般采用CATIA 创成式曲面设计模块设计，零件形面分为基础面和特征面。基础面是零件主体大面，特征面是为了保证零件性能、工艺及功能需求在基础大面上进行的局部设计细节面。白车身典型特征分类及用途，如表1所示。

表1 白车身典型特征分类

1.2 特征模板参数化设计

参数化设计的特点有基于草图创建特征、全尺寸约束和尺寸驱动设计修改。采用参数化设计，可以通过调整参数实现修改几何形状的目的；可以快速修改典型特征满足设计需求[2]。以平面长圆台为例，介绍特征模板参数化设计过程。

1）定义输入参考元素。输入参考元素用来定义典型特征的建模位置，是典型特征的设计基准，包含基准点、基准线、基准面等。参考元素应独立不相关，在满足设计需求的前提下数量最少。参考元素应采用非参数化设计或参数化设计后进行消参处理。平面长圆台的设计输入参考元素包括支持面和中心点，如图1所示。

图1 平面长圆台输入参考元素显示界面

2）特征建模。典型特征是基于输入参考元素创建的参数化几何特征[3]。为了规范建模过程，同时方便后续创建超级副本，建模时将结构树分为输入和典型特征2 个几何图形集。输入几何图形集用来存放参考元素，典型特征几何图形集用来存放典型特征的建模过程及结果。

平面长圆台特征参数化建模流程，如图2所示。

图2 平面长圆台特征参数化建模流程

首先进行草图设计。定义典型特征（平面长圆台）为工作对象，基于支持面和中心点创建定位草图。在草图中绘制长圆孔并进行全尺寸约束，包括长圆孔长度、长圆孔宽度、长圆孔长轴与草图H方向角度、长圆孔中心与坐标原点相合等。然后通过尺寸驱动设计修改，更改长圆孔默认尺寸参数，如图3所示。

图3 平面长圆台草图设计

完成草图设计后，通过填充、扫掠、圆角等命令进行平面长圆台特征建模。特征建模采用参数化设计，设计时不应激活创建基准命令。完成后的平面长圆台特征模板模型，如图4所示。

图4 平面长圆台特征模板显示界面

1.3 草图模板设计

草图设计是参数化设计的基础，基于草图创建的特征，可以方便地进行参数化修改。白车身设计中，包含大量不规则的非典型特征，无法直接调用典型特征，需要在草图模板中进行自定义特征的设计。草图模板仅包含参考点、参考平面和定位草图3 个元素，设计简单，使用方便，功能强大。

草图模板无输入参考元素，设计方法如下：1）采用坐标类型定义参考点，默认为坐标原点，如图5 所示；2）采用方程式定义参考平面，点选择参考点，如图6 所示；3）基于参考平面和参考点创建定位草图，定义X，Y2 条无限长构造线作为尺寸约束参考。完成后的草图模板，如图7所示。

图5 草图模板点定义对话框

图6 草图模板平面定义对话框

图7 草图模板定位草图显示界面

由于草图模板在设计过程中没有指定输入，因此调用草图模板时无法指定位置和方向，需要在调用后根据需要进行调整。草图模板位置及方向调整方法如下。

1）草图坐标原点位置调整。通过调整参考点坐标值更改草图平面坐标原点位置。默认参考点为坐标原点（0，0，0），默认草图平面为z=0 的xy平面。修改参考点坐标为（10，50，100），可以将草图平面改为z=100 的xy平面，同时草图坐标原点在绝对坐标系的坐标为（10，50，100）。

2）草图坐标平面方向调整。通过调整方程式参数并结合指南针控制更改草图坐标平面方向。平面方程式默认参数为A=0，B=0，C=1，代表经过参考点的xy平面。将平面方程式参数改为A=1，B=0，C=0，则草图平面更改为经过参考点的yz平面。如果草图平面不是与xy，xz，yz平面平行的平面，可以通过指南针进行调整。

2 建立典型特征数据库

2.1 知识模板工具选择

为了调用用户创建的典型特征，CATIA 知识模板提供了超级副本和用户特征2 种特征复制工具[4]。超级副本在调用时保留了参数化建模过程，修改方便；用户特征则对建模过程进行封装，只保留了输入参数和输出结果，参数修改时容易报错且不方便查找原因。基于以上原因，采用创建超级副本的方法建立白车身典型特征数据库。

2.2 创建超级副本

超级副本是CATIA 软件自带的一种功能强大的复制工具，可以将通过多个命令创建的一组特征，包含几何特征（孔、凸台、加强筋、修边特征等）和知识特征（参数、规则、设计表、公式等），从一个文件复制到另一个文件，复制特征与源文件无关联，复制特征保留了参数化建模过程，可以方便地进行设计修改。

超级副本可以将一些繁琐而重复性的工作变得轻松简单，可以有效减少重复性的建模操作步骤。通过超级副本建立典型特征库可以在不同零件设计时进行调用，进一步提高工作效率[5]。

创建超级副本的环境分为混合设计环境和非混合设计环境。在混合设计环境下创建的超级副本只能在混合设计环境应用；在非混合设计环境下创建的超级副本只能在非混合设计环境应用。

在完成特征建模的基础上，创建超级副本的步骤如下：1）点击超级副本命令，定义典型特征，选择典型特征几何图形集（平面长圆台），如图8 所示；2）点击定义选项卡，按典型特征名称更改超级副本名称（平面长圆台）；3）点击输入选项卡，修改输入参考元素的名称及顺序，便于识别和点选，输入窗口显示输入参考元素为支持面和中心点，与输入几何图形集一致，如果不一致，建议调整结构树后改为一致；4）点击文档选项卡，不需任何修改；5）点击参数选项卡，修改参数名称并发布，以便于典型特征的参数化修改，如图9 所示；6）点击属性选项卡，根据需要修改图标，抓取屏幕获取典型特征的预览图片；7）点击确定，完成超级副本的创建，创建后，结构树上增加超级副本标识。

图8 CATIA 知识模板超级副本对话框

图9 平面长圆台参数发布对话框

2.3 保存到目录

在模板文件中创建典型特征的超级副本，可以在模板文件中直接调用，也可以跨文件调用。实际应用一般是跨文件调用，即在设计不同白车身零件时调用特征模板文件里的典型特征。跨文件调用的方法有从模板文件实例化和从目录浏览器实例化2 种。从模板文件实例化，即不同特征需要调用不同的特征模板文件，特征模板较多时查找使用不方便。因此推荐采用从目录浏览器调用典型特征。

保存到目录的目的是为了建立特征数据库，方便典型特征在不同文件中进行调用。

点击保存到目录命令，首次保存选择创建新目录，后续保存其它特征创建的超级副本选择更新现有目录即可，如图10所示。

图10 CATIA 知识模板保存到目录对话框

打开目录文件，可以看到保存的平面长圆台特征，如图11所示。目录文件结构树包含目录、章节和系列，典型特征部件存放在系列中，关键字包含典型特征名称和输入参考元素。

图11 特征库目录文件显示界面

2.4 更新目录建立特征库

参考平面长圆台的参数化特征建模、创建超级副本及保存到目录的方法，进行白车身孔特征、凸台特征、阴阳台特征、加强筋特征、三角筋特征、修边特征等特征模板的创建，更新目录文件，完成白车身典型特征数据库，如图12所示。

图12 白车身典型特征数据库显示界面

3 调用典型特征

3.1 调用方法

新建或打开一个现有零件数据（目标文件），确认数据包含输入参考元素。如果没有，可以在需要插入特征的位置创建参考元素。

点击目录浏览器，从特征库中选取调用特征（平面长圆台），双击特征，弹出插入对象对话框，如图13所示。在目标文件中，选择插入特征需要的参考元素（支持面和中心点），点击参数进行尺寸修改，点击确定完成典型特征的调用，平面长圆台特征已经插入目标文件输入位置。插入典型特征后，如不满足设计要求，可以点击结构树上的草图及相关命令进行二次修改。

图13 CATIA 知识模板插入对象显示界面

3.2 特征调用与手工建模对比分析

为了直观说明特征调用方法的实用性及高效性，以圆形阴阳台为例，对比分析特征调用及手工建模2 种方法的建模步骤。

特征调用方法只需点击目录浏览器一个命令，双击圆形阴阳台特征，通过选择输入参考元素并更改参数尺寸即可完成圆形阴阳台创建，如图14所示。创建后的特征保留了参数化建模过程，便于后期修改。

图14 圆形阴阳台显示界面

手工建模方法与创建特征模板的方法相同，步骤如下：1）创建定位草图，绘制草图并进行尺寸约束，修改参数调整圆台尺寸；2）填充曲面，根据草图创建填充曲面1；3）扫掠曲面1，根据草图及基准面创建扫掠特征曲面1；4）扫掠曲面2，根据草图及基准面创建扫掠特征曲面2，拔模角度与扫掠曲面1 相同，拔模方向相反；5）倒圆角1，填充曲面1 与扫掠曲面1 倒圆角；6）倒圆角2，扫掠曲面2 与支持面倒圆角；7）倒圆角3，圆角1 与圆角2 倒圆角，完成圆形阴阳台特征创建，如图14所示。

从上面的建模方法可以看出，特征调用方法与手工建模方法得到的结果是一致的。特征调用方法只需1 步，手工建模方法需要7 步。采用特征调用方法可以省去大部分的建模操作过程，减少重复性的工作。在白车身零件设计中，孔、凸台、加强筋等典型特征会反复出现，特征调用方法相对手工建模的优越性更加明显。

3.3 应用实例

以某车型前纵梁为例，如图15所示。利用CATIA设计的基础面，如图15a 所示；调用白车身典型特征库，添加圆孔、方孔、圆形凸台、长圆筋、弧形筋、三角筋等特征后的前纵梁，如图15b所示。由于前纵梁上典型特征较多，手工建模工作量较大，利用典型特征库可以提高建模效率，同时保证了典型特征建模的规范性，便于修改。

图15 某车型前纵梁示意图

4 结论

在对白车身典型特征进行分类的基础上，采用参数化设计方法创建典型特征模板，利用CATIA 知识模板的超级副本、保存到目录、目录浏览器等工具，建立了白车身典型特征库。在白车身设计中通过调用典型特征，减少了重复设计工作量，提高了建模效率，取得了良好的应用效果。通过特征调用与手工建模对比分析，证明了白车身典型特征库的实用性及高效性。下一步的研究方向是规范典型特征模板的参数化建模方法，提高特征调用的稳定性，扩大典型特征库的应用范围。