0 前言

    隨著世界汽車制造業(yè)市場的競爭加劇，如何提高汽車產(chǎn)品質量、加快產(chǎn)品設計的研發(fā)及縮短制造周期一直是汽車制造業(yè)面臨的問題。為了縮短整車開發(fā)周期、提高整 車設計質量，國內(nèi)外大型汽車企業(yè)紛紛引人汽車數(shù)字化工程技術。試裝完成后的電子樣車不僅可以用作整車各系統(tǒng)內(nèi)部或互相的靜、動態(tài)干涉檢查，還可以對零部件 進行有限元和動態(tài)仿真分析，從而使許多整車及零部件性能試驗可以在計算機上進行，大大縮短整車開發(fā)時間，降低開發(fā)費用。本文從汽車整個開發(fā)周期的角度闡述 了CATIA V5在汽車數(shù)字化工程中的應用，包括數(shù)字樣機、形狀虛擬樣機，虛擬裝配等，提出了一個基于CATIA V5的汽車數(shù)字化工程開發(fā)流程。

1 CATIA V5的技術特點

    CATIA V5是IBM／DS開發(fā)的個人計算機版本的高端CAD/CAF/CAM一體化軟件，CATIA從產(chǎn)品的概念設計到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案 提供了完整的2D、3D參數(shù)化建模、電子樣機建立及數(shù)據(jù)管理手段，同時，作為一個完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機械設計、工程分析仿真、數(shù)控加工仿 真及CAT web網(wǎng)上解決方案有機地結合在一起，為用戶提供了嚴密的無紙工作環(huán)境，從而幫助客戶達到縮短設計生產(chǎn)周期，提高質量，減少成本的目的。許多世界級的汽車 企業(yè)都廣泛地采用CATIA V5。

2 基于CATIA V5的數(shù)字化汽車工程

    汽車數(shù)字化工程技術是一個跨學科的綜合性技術，它包括汽車數(shù)字化定義、仿真、可視化、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)集成、優(yōu)化等。汽車數(shù)字化工程的目標是對汽車整個生命 周期(包括設計、開發(fā)、加工、生產(chǎn))的“可制造性”(Manufacturability)的次策支持。CATIA數(shù)字汽車設計一形狀虛擬樣機是支持汽車 總體設計的支撐平臺，用于數(shù)字概念車設計。包括數(shù)字汽車造型設計，數(shù)字汽車車身設計、數(shù)字汽車發(fā)動機和底盤零部件設計、數(shù)字汽車管路和電子線路設計以及數(shù) 字汽車電子樣機設計。

    2.1 數(shù)字汽車造型設計

    CATIA V5開發(fā)出一種嶄新的造型方式——基于草圖的自由曲面設計(FSK：CATIA Freestyle Sketch Tracer)，它可以快速導人造型師繪制的汽車2D風格造型圖(Tif、JPg或者Bmp格式)。達索系統(tǒng)公司采用新的計算機2D圖形算法，可以使 CATIA V5系統(tǒng)中導人的造型圖在不失真的情況下放大：普通的放大，以犧牲原圖的分辨率為代價，放得越大，圖形分辨率越低，而新的算法完壘解決這一問題，可以在不 損失分辨率的情況下，將造型圖放大到實車尺寸大小。

    將導入的幾張造型圖在3D環(huán)境中定位后，就可以利用CATIA V5的豐富的曲面造型工具(如FSS等)在造型圖的基礎上，繪制3D汽車模型。自由曲面設計(FSS：CATIA Freestyle Shape)提供了大量基于曲面的實用工具，允許設計師快速生成具有特定風格的外形及曲面。交互式外形修形功能甚至可使設計師更為方便地修改、光順和修剪 曲線和曲面。借助于多種面向汽車行業(yè)的曲線曲面診斷工具、可以實時檢查曲線曲面的質量。由于系統(tǒng)提供了一個可自由匹配的幾何描述，支持NURBS和 Bezier數(shù)學表達，因而設計師可直接地處理修剪后的曲面，同時保持同其基礎外形的相關性。這就大大提高了從最初2D造型圖的平面型線構思到最終的3D 模型生成這一過程的效率，如圖1所示。

2.2 數(shù)字汽車車身設計

    CATIA V5采用快速原型制造(RPM：Rapid Prototyping Manufacturing)技術，將由CATIA V5生成的三維汽車造型數(shù)字模型數(shù)據(jù)傳給數(shù)控機床，迅速加工出供校驗和審批用的1：l汽車物理模型，然后打光，進行局部修改、完善，最后噴漆，定型。返回 修改原始的三維造型數(shù)字模型，這就涉及逆向工程(RE：Reverse Engineering)技術的應用：形狀(幾何)反求。利用接觸式或者非接觸式的測量設備采集汽車物理模型的外表面數(shù)據(jù)，生成三維點云數(shù)據(jù)。CATIA V5數(shù)字化外形編輯器(DSE：CATIA Digitized Shape Editor)，可以方便快捷的導人多種格式的點云文件，如：Ascii free、Atos、Cgo等十余種，還提供了數(shù)字化數(shù)據(jù)的輸入、整理、組合、壞點剔除、截面生成、特征線提取、實時外形質量分析等功能，對點云進行處 理，根據(jù)處理后的點云直接生成車身覆蓋件的曲面。

    為了創(chuàng)建更高質量的曲面，CATIA V5創(chuàng)成式曲面設計(GSD：CATIA Generative Shape Design)可根據(jù)基礎線架與多個曲面特征組合，設計復雜的滿足要求的汽車車身。它提供了一套涵蓋面廣泛的工具集，用以建立井修改用于復雜車身或混合造 型設計中的曲面，如圖2所示。

    汽車車身曲面設計的最高級別：汽車A級曲面設計，它的標準是曲面曲率三階可導，這對三維曲面設計提出了很高要求。針對這一難題，CATIA V5汽車A級曲面設計(ACA：CATIA Automotive Class A)采用其獨有的逼真造型、自由曲面相關性造型和設計意圖捕捉等曲面造型技術，可生成和構造優(yōu)美、環(huán)保的汽車車身外形。它可以大幅度提高工作效率，井方便 使用。開創(chuàng)了A級曲面處理的新方法，提高A級曲面造型的模型質量，大大提高了A級曲面設計流程的設計效率并任總開發(fā)流程中達到更高層次的集成，將A級曲面 整個開發(fā)過程提高到一個新的水平。

2.3 數(shù)字汽車發(fā)動機和底盤零部件設計

    在對汽車發(fā)動機和底盤零部件設計難點仔細研究的基礎上，CATIA V5零件設計(PDG：CATIA Part Design)提供了3D機械零件設計的強大的設計工具。應用“智能實體”的設計思想，廣泛使用混合建模、關聯(lián)特征和靈活的布爾運算相結合的方法，允許設 計者靈活使用多種設計手法：可以在設計過程中或設計完成以后，進行參數(shù)化處理，可以在可控制關聯(lián)性的裝配環(huán)境下進行草圖設計和零件設計，在局部3D參數(shù)化 環(huán)境下添加設計約稿由于支持零件的多實體操作，還可以輕松管理零件更改，如進行靈活的設計后期修改操作。此外，PDG圖形化的結構樹可表示出模型特征的組 織層次結構，以便更清晰地了解影響設計更改的因素。設計人員可以對整個特征組進行管理操作，以加快沒計更改。

    當完成零件設計后，CATIA V5裝配設計(ASD：CATIA Assembly Design)可以幫助設計師用自頂向下(Top-down)或自底向上(Bottom-up)的方法定義和管理多層次的大型裝配結構，可真正實現(xiàn)裝配設 計和單個零件設計之間的并行工程。

    通過簡單地移動鼠標或選取圖標，設計人員就能將零件拖動到指定的裝配位置，選擇各種形式的機械約束，用來調(diào)整零件的位置并建立起約束關系；選擇手動或自動 的方式進行更新，可以重新排列產(chǎn)品的結構，并進行干涉和縫隙檢查；無需復制相同零件或子裝配數(shù)據(jù)，就可以在同一個裝配件或不同裝配件中重復使用，如圖3所 示。

2.4 數(shù)字汽車管路和電子線路設計

    CATIA V5管路設計(PIP：CATIA Piping Design)提供完整的工具用于創(chuàng)建、修改和分析管路設計，并進行建檔和管理，該工具主要用于創(chuàng)建能捕獲所有適當設計信息和意圖的智能化管路布置，自動 放置彎管、彎頭、三通和減壓閥等標準部件，這種智能化的管路設計功能可使設計人員更高效地實現(xiàn)設計過程并對設計內(nèi)容進行驗證。

    CATIA V5電氣元件庫設計(ELB：CATIA Electrical Library)專用于建立和管理電氣系統(tǒng)庫，如連接件、電氣設備、電纜束支架、電纜等，以便定義電氣裝置。允許設計人員擴展機械零件和裝配件使其帶有電 氣屬性以定義成為電氣設備，使用的目錄庫是機械和電氣共用的。除管理電氣目錄庫以外，ELB還可以根據(jù)CSV文件中電氣屬性及數(shù)字化電氣系統(tǒng)中設備安裝匹 配規(guī)則等有關定義，批處理方式生成電纜定義，包括電氣特性和屬性，以及在設計電氣系統(tǒng)時集成電氣設備所需的兼容規(guī)則的管理等，如圖4所示。

2.5 數(shù)字汽車電子樣機設計

    CATIA V5的電子樣機功能由專門的模塊完成，從產(chǎn)品的造型、上下關聯(lián)的并行設計環(huán)境，產(chǎn)品的功能分析、產(chǎn)品瀏覽和干涉檢查、信息交流、產(chǎn)品可維護性分析、產(chǎn)品易 用性分析、支持虛擬實現(xiàn)技術的實時仿真、多CAx支持、產(chǎn)品結構管理等各方面提供了完整的電子樣機功能，能夠完成與物理樣機同樣的分析、模擬功能，從而減 少制作物理樣機的費用，并能進行更多的設計方案驗證。

    CATIA V5電子樣機空間分析設計(SPA：CATIA DMU Space Analysis)使用先進的干涉檢查與分析工具、高級的斷面分析工具、測量工具、距離分析工具和3維幾何對比工具等進行最佳的DMU校驗。SPA以交互 式或以批處理方式進行碰撞、間隙及接觸等干涉檢查計算，并得到更為復雜和詳盡的分析結果。距離分析和3D幾何模型對比工具能夠分析比較3D幾何模型并將結 果進行可視化顯示，運用剖面觀察器，設計人員可以對計算結果進行剖視，并在剖面上進行測量以便更進一步的了解并評估被比較對象之間的差異。SPA通過與 CATIA目標管理器(COM)的集成，還能夠進行質量和慣性等物理性質的測量及計算。SPA先進的校驗功能，保證其能夠處理電子樣機審核及產(chǎn)品總成過程 中經(jīng)常遇到的問題，能夠對產(chǎn)品的整個生命周期(從設計到維護)進行考察。

3 結論

    本文結臺CATIA V5系統(tǒng)的技術特點，討論了汽車設計、開發(fā)和制造全生命周期中CATIA V5的具體應用，數(shù)字樣機、形狀虛擬樣機、虛擬裝配等。由此可以深刻體會到CATIA V5已不僅僅是一個簡單的輔助設計工具，早巳遠遠超過了在屏幕上定義產(chǎn)品的階段，它所提供的先進建模與仿真技術，為現(xiàn)代汽車的設計、開發(fā)和制造的建立了一 個相當完善的軟件系統(tǒng)支撐環(huán)境，加快了新車型的開發(fā)速度和增強了其對市場的快速響應能力，無疑會給制造企業(yè)帶來更加強大的競爭力。