CATIA在客车车身设计上的应用

韩荣娟

摘要：近些年，有关客车设计方面，越来越多的工程师应用CATIA对其车身设计加以辅助，并且有关理论与方法也逐渐成熟。从二维到三维设计客车产品，到客车产品的模拟仿真设计，进一步促进了客车设计的发展与革新。对此，文章将着眼客车车身设计，简要分析CATIA软件技术的有关应用。

关键词：客车;CATIA;车身设计

0  引言

相比以往所采取的设计方法，科学应用辅助设计软件，实现客车产品设计领域质的跨越。关于客车产品行业，明显特征为品种多、批量小以及高定制化程度。在实际设计客车产品时，关注三维模块化数据的建立、基础车型，应依据实际情况进行结构分析与仿真分析，根据性能需求展开设计与评价，有助于在多种方案择取最佳方案，也可以对方案进行优化。

1  CATIA软件技术综述

关于研制客车车身这一过程其设计与制造不仅难度偏高，而且需要涉及多方面协作、频繁更改设计等，过去以“劳动密集”为主的手工生产模式，逐步替换为冲压生产模式，设计与制作冲压模具需依据客车车身表面的数学模型。所以，要想进一步提高我国客车行业设计与制造的现代化，起始点应为客车车身表面数字模型的构建。现阶段，不断发展与大范围应用的信息技术特别是计算机技术，在根本上促进了以往客车研制的变革，关于其设计制造过程开始向数字化传递模式转变，研制客车的过程本质上为产品数字化定义、传递数据、拓延及加工的一个过程，而其中CATIA软件发挥着巨大作用。接下来，本文简要分析其有关核心技术。

1.1 混合建模技术

设计对象：依托于CATIA软件形成的设计环境，不管是曲面还是实体，均可以实现交互操作。参数与变量化：在具体设计过程中，有关设计人员不需要顾虑参数化设计目标，这是因为CATIA具备变量驱动能力与后参数化性能。智能与几何工程：针对企业而言，将企业所积累的经验融合于CATIA知识库，对企业新手进行指导，或者是应用于开发新车型的指导，可以缩短其推向市场所需时间。

1.2 方便产品周期内部修改

不管是曲面造型还是实体建模，因为CATIA具有智能科学化的树结构，可以方便对产品多次修改，在最后的设计阶段即便需要进行重大修改，更新原有方案通过CATIA能轻松实现。

1.3 全体模块之间的相关性

关于CATIA每一模块均能体现在相同的数据平台上，所以CATIA每一模块具有明显的强相关性，例如修改三维模型，可以在二维模型清晰体现，还能呈現在模拟分析与数控加工中。

1.4 设计环境并行

通过CATIA可以形成混合建模方式及多模型链接环境，进一步普及了并行工程设计模式在人们心中的认知，总体设计部门只需要放出基本结构尺寸，相关系统工作人员则开始工作，在实现协同工作的同时不会相互牵连;因为模型间存在的相互关联性，使得上游环节的设计结果能为下游提供参考。与此同时，上游所修改设计能对下游刷新造成直接影响，从而打造真正意义上的并行工程设计环境。

1.5 覆盖整个产品开发过程

CATIA具有较强的设计能力：由设计产品概念开始至产品最终形成，CATIA以可靠精确的解决模式提供完备的二维、三维、数据管理与参数化混合建模手段。同时，CATIA作为高度集成化的软件，有机结合了工程仿真、机械设计，工程分析以及数控加工等，从而为用户创造良好的无纸化工作环境，尤其是CATIA中的关于汽车、客车业的有关模块。

2  正向设计

2.1 设计与布置前围总成

在这一设计与布置过程中，首先应明确关键的风窗玻璃上横梁、A柱、风窗玻璃下横梁及龙门梁。异型管与矩形管是车身骨架重要组成要素。应用CATIA当中的实体设计板块，客车车身骨架设计的基本方法通常为两种，直管拉伸以及单（双）曲管的扫略命令，然后再以修剪等相关命令修饰模型。有关前围A柱，采取的建模方法是：在其外蒙皮L1分割曲线上，随意选择某点Q，在点Q绘制L1曲线平面;然后绘制A柱外蒙皮和平面α之间的交线L2;工作草图于平面α建立，然后绘制其矩形截面，在蒙皮内部约束矩形当中的某一直角点M和点Q之间的距离是S，然后约束和M相靠近直角点N和交线L2之间的距离同样是S;将截面作为轮廓，将曲线作为扫略线，通过扫略命令形成A柱模型。基于制造零件的工艺性为视角，最好将前窗玻璃的上与下横梁设计为单曲管。然后，再依据其他总成的有关要求，对各种骨架与支架进行布置。图1为前围骨架总成的3D几何模型，核校与布置刮水器，可在完成3D几何模型后，通过CATIA的DMU模块，展开模拟分析与运动仿真，测验刮刷面积自身的合理性，检查是否会干涉其余部件运动。

2.2 设计与布置顶盖总成

在实际设计顶盖总成时，应该综合考虑以下几大方面：布置顶盖横梁需根据门柱以及侧窗立柱的位置，最好形成封闭环结构，并遵循制造与装配侧窗与舱门的工艺性原则低于安全性原则;布置顶盖纵梁需要综合考察顶盖外蒙皮的行李架、下料规格的断面结构、安全顶窗以及空调的开口尺寸等因素;布置安全顶窗需要方便车内进行换气以及满足GB7258关于撤离舱口的要求;布置空调需考虑整车前后桥载荷的分布情况;然后依据其他总成具体要求进行相应支架的布置。图2为顶盖骨架总成完成的3D几何模型。

2.3 设计与布置后围总成

关于后围总成部分和前围总成较为类似，在和搭接设计其他总成完成后，重点是布置外蒙皮安装模式与校检后背门的运动。值得关注的是，在后背门止口部分安装后围外蒙皮通常有两种方向：

首先，在客车车身X方向布置，从车后朝车前加以固定;其次，在客车车身方向布置，从车内朝车外加以固定。因为后围外蒙皮固定其两侧外边缘，在Y方向从车外朝车内固定，因此要是选择后一方案布置，则致使在车身的Y方向相同部件具有不同方向受力情况，对后围外蒙皮装配的余量调节造成影响。应在车身结构允许的情况，最好选取前一种方案进行布置。在对后背门进行布置时，需依据造型选择相应的铰链结构，确保舱门运动过程与翻起角度不会干涉、门锁锁止安全可靠等。图3为围骨架总成完成的3D几何模型。

2.4 關联化与通用化设计

在应用CATIA软件辅助设计客车车身正向时，建立的车型基础三维几何模型，需要实现部件关联化与总成通用化。首先，总成通用化。研发团队初期定义产品时，一方面应完成研发已确定的市场单一车型，另一方面还需对今后若干可能产品变化的状态进行综合考虑。实际布置中应反复平衡各种变化状态，然后明确最终的平台车型产品方案，从而降低后续由于客户定制产生的设计、采购、生产与售后等方面成本。比如某一平台车型，要是变化的仅为整车长度，需要确保模具成型化与骨架工装的通用化;要是变化仅为高配置与低配置，需确保在满足客户实际要求的情况下，更换一些附件与内饰，局部调整车身骨架的更改。比如二级踏步的首次布置中，必须考虑布置低入口城市客车的有关需求，只有保证两者之间的平衡才可以明确产品的最终方案。其次，部件关联化。关联化，其主要指的是在局部范围之内，设置参考基准部件尺寸与位置约束条件产生变化后，可以驱动其余将该部件视为基准参考部件自动呈现变化。比如，某客车当侧围窗立柱发生了位置变化，车身的顶盖横梁可以自动更新至指定位置，而如果是横截面状态产生变化，那么其立柱内饰横截面的状态会自主更新到至横截面相对应的状态。

3  客车车身曲面设计

3.1 曲面建模

通过CATIA软件当中的GSD工具箱，展开曲面建模。将轮廓线作为其外部参考，将曲面建模所涉及的边界或是特征曲线提取出来，现下主要为以下几种方式，具体包含Pointcontinuity、Nopropagation等，之后通过扫描、拉伸、填充等创建曲面的方法，依据上述曲面建模具体原则和相应的顺序，创建半车身整体曲面，具体如图4所示。

3.2 评价车身曲面品质

基于CATIA环境，检测曲面品质的方法有以下几方面：

首先，反射线法，相比曲面连续次数反射线的会少1次。要是相邻两个曲面断开其上反射线断，那么这两个曲面属点连续最多;要是反射线存在尖点，那么曲面切矢为连续的;要是光滑过度为曲率连续。

其次，Isophote（等照度法），相比曲面连续等照度线连续次的会少1次，也就是说要是相邻的等照度线光滑过渡，曲面间符合曲率连续。除此之外，其形状也能呈现出变化的曲面形状。

再次，高光线法。所谓高光线其主要基于反射线而进一步发展形成的，原理和反射线法十分类似，而差异点是在构建高光线时，视点重合光源会。

最后，环境反射，借助视觉效果对曲面品质进行检测。相比于轿车，客车曲面的品质标准并不严格，可依然需要确保相应的光顺程度。由于光顺曲面能延迟或者是消除涡流形成与空气跗面剥离，可以提升整个客车的空气动力性能。图5为反射线检验客车车身曲面。

3.3 分割车身零部件曲面

在创建完成客车整体车身曲面之后，应依据零部件形状分割处理车身整体曲面，获得客车车身的每一零件基准曲面。从车身整体曲面进行分割获得的零件基准曲面主要为：前围蒙皮、雾灯、车大灯、前风窗玻璃、转向灯、侧窗玻璃、后围蒙皮等具体如图6所示。分两步展开零部件分割：首先，投影，在整体曲面上投影零件边界轮廓线，获得零部件附着在整体曲面的边界线;其次，裁切，应用CATIA系统当中的裁切工具，获得分割边界线的参考对整体曲面进行裁切。通过零部件自身基准曲面，通过Part Design功能，对曲面进行增厚处理，实现各基准曲面实体化。之后设置各零部件材质，依据设计颜色配色并对整车造型进行观察。图6为客车车身创建的模型图。

4  结束语

设计客车车身时应用具备辅助功能的CATIA软件，可以在提升设计效率的基础上，尽早找出设计存在的问题减少研发成本投入。模型数据的建立，是下游进行模拟仿真与分析的前提。实现平衡工艺可行性与仿真数据之后，及时修改模型数据，然后将试制与路试中存在的问题反馈出来，实现模型数据的完善。模型数据完善后，能为未来变型产品以及研发新平台产品提供基础数据，具有重要意义。

参考文献：

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