CATIA 在汽车底盘设计中的应用

CATIA 在汽车底盘设计中的应用\n\n赵宁、周坤 （东风汽车股份有限公司商品研发院 武汉 430056）\n\n摘 要：本文主要介绍了在 CATIA 软件环境中，汽车底盘系统开发的设计流程 以及电子样机 DMU（Digital Mockup）与关联设计集成的应用方法。 关键词：设计流程 集成设计 DMU 关键词 引 言 为了缩短产品的设计及生产周期， 提高产品的市场竞争力， 取得好的经济效 益， 国内许多的汽车公司在产品的设计上都使用了多种的三维软件系统。 但多种 系统并存会带来设计管理与数据交流方面的诸多问题， 那么， 哪一个系统是最适 合汽车设计？ 如何评估和确定？如何更深入的进行设计水平提升的探索？东风 汽车股份公司通过项目实施的方式在这方面做了很多的探索。 东风汽车股份有限公司商品研发院最早于 1998 年在车身设计开发上引用 CAITA，2005 年开始应用在 PICK-UP 及 SUV 整车的设计开发上。特别是在整 车底盘的设计开发中，将很多成熟的设计经验与 CATIA 软件使用结合到一起， 总结出在 CATIA 软件中，汽车底盘系统开发的设计流程以及电子样机 DMU （Digital Mockup）与关联设计集成的应用方法。这些方法的使用，提高了设计 水平与质量，明显的缩短了变形产品的设计开发周期。充分的显示出 CATIA 在 高级应用方面的优势之处。\n\n1 汽车底盘开发设计流程 汽车底盘开发设计流程\n使用 CATIA 软件进行汽车底盘设计开发的核心是基于骨架模型与 DMU 集 成的 TOP-DOWN 设计方法。自上而下（Top Down Design process）设计是与常 规 Bottom Up 设计相对应的一种设计方式， 此设计方法的中心思路是先整体规 划，后细节设计。即在产品整体设计的初期，就定位于整个装配系统的最高层面 来考虑产品的总体设计和功能性设计。 这种方法是从装配构成的最顶层开始， 在一个骨架模型零件中来考虑和表达\n\n1\n\n\r\n

整个装配的各个部件的相互位置关系、作用和实现的功能等， 集中捕捉产品的 设计意图，自上而下的传递设计信息，从而更加有目的地进行后续的设计。 骨 架模型就是产品设计信息的载体， 这个骨架模型的建立需要考虑到不同零件之间 的参数关系与驱动关系， 这些信息会用来作为后期详细模型设计的基础。 由于在 骨架模型设计阶段就考虑到了整体装配的相互关联信息， 所以， 很多设计上的缺 陷与问题可以在整个设计的早期阶段得到及时发现和更正。 设计后期发现的问 题也可以通过修改骨架模型来实现后续相应零部件的自动更改工作。 这种设计思想现在有些汽车设计公司已得到广泛的使用， 但是我们只提到了 基于骨架模型的关联设计， 而我们忽视了骨架模型的另外一个很重要的作用， 即 作为运动仿真， 定义运动机构的一个基础模型。它的作用贯穿于整个汽车底盘的 始终。 以骨架驱动为主要手段的 Top/Down 设计将设计流程分为三个主要阶段： （1）骨架模型设计阶段（设计前期验证） （2）零部件详细设计阶段（基于骨架的建模） （3）装配验证阶段（模型装配与 DMU 干涉检查）\n\n1.1 整车总布置骨架模型 整车总布置骨架模型如图 1 是一个新车型的设计基础， 它由悬架转向子系统 骨架模型如图 2 所示、发动机系统子骨架模型、传动系统子骨架模型组成。\n\n图1\n\n2\n\n\r\n

图2 在这个基本的骨架模型中可以定义整车的相关参数如：轴距、轮距、悬架的 硬点、转向机的硬点、板簧的悬吊点、传动轴中间支撑点、发动机整车坐标的位 置等。利用骨架模型可以进行参数化关联设计以外，还可以进行后桥跳动时，传 动轴的长度的校核；板簧弧高随载荷变化时，减震器长度的校核；悬架参数的变 化，对车轮跳动量的影响。\n\n1.2 各子系统模型的建立 在基本的骨架模型建立完成以后， 进行各个系统模型零件的建立。 将需要设 计的零件分为以下六类：基于知识工程的模板设计方法；专用件设计方法；通用 件设计方法；标准件设计方法；对称件设计方法；外协件设计方法。 以钢板弹簧的设计为例： 悬架设计人员在理论计算完成以后会确定板簧主片在空载情况下的 R 值， 夹紧长度 S，吊耳长度 LX ，以及板簧前后固定点的位置，这些值将作为钢板弹 簧骨架模型的输入，如图 3 所示。\n\n3\n\n\r\n

图3\n\n基于生成的板簧子骨架模型， 就能很快的将带有参数的板簧模型建立好， 如 图 4 所示。\n\n4\n\n\r\n

图4 在板簧由空载向满载变化的过程中， 板簧的弧高会变小， 这个可以用参数来 控制调整， 方便得校核减震器的长度及后桥的跳动量， 同时还可以校核传动轴的 长度。\n\n2 模型的装配与电子样机 模型的装配与电子样机 DMU（Digital Mockup）检查\n由于各子系统的设计采用的是整车坐标系， 所以，在 CATIA 装配模块中直 接调入各子系统模型， 它的相对位置关系就是正确的。 一个完整的汽车底盘要做 以下 3 种分析： （1） 静态、动态的干涉分析 （2） 拆装模拟分析 （3） 空间占位分析 但是，在作分析前一定要检查模型的完整性，具体检查的方面有：是否正确 命名；是否处于更新状态；是否按正确的系统分类；是否版本统一。\n\n5\n\n\r\n

2.1 静态、动态干涉分析， 在 PICK-UP 及 SUV 底盘设计中，设计工作量最大的是发动机系统，它包括 了进气系统，排气系统，冷却系统，供油系统，油门操纵系统，悬置系统。所以， 发动机系统的装配数模如图 5，进行静态干涉是很有必要的。\n\n图5\n\n动态干涉分析主要步骤为是： （1）定义运动机构骨架模型 （2）创建运动机构（Mechanism） （3）添加各运动副 （4）添加固定部件 （5）根据需要添加辅助模型 （6）仿真 （7）DressUP 实体模型到对应的骨架 （8）进行相关分析 从这个动态干涉的分析过程的主要步骤中，DMU 骨架模型是依据设计骨架 模型而得到的， 所以，设计与 DMU 分析实现了很好的集成，充分的发挥了骨 架模型的作用， 一个设计骨架模型在进行零件详细设计控制的同时， 也实行了对 DMU 模型的控制，即， 骨架模型的修改可以直接反映在零件的详细设计模型上， 也可以直接反映在运动机构的定义上，整个产品的设计、修改、DMU 验证可以\n\n6\n\n\r\n

协同工作，支持并行工程，这样的集成式设计－分析方法可以显著提高开发的效率和质量。

如图6是悬架转向系统数模基于骨架模型的运动机构：

图6

通过动态的干涉分析，可以检查转向横拉杆是否和发动机油底壳干涉，同时生成轮胎的包罗体，检查在各种工况下，轮胎是否和轮罩干涉。

2.2拆装模拟

针对发动机系统附件，如发电机，空调压缩机、启动机等附件定义拆装路线，拆装顺序与动作，检查在拆装的过程是否有干涉情况发生，如图7所示。

图7

2.3 空间占位分析

可以快速得到一个系统，如发动机在设定距离范围之内的部件，如图8。

对于大型装配，可以在不打开部件显示的情况下得到空间某范围内的部件组，这样便于进行大型装配的设计与分析，提高模型分析处理的速度。通过基于空间位置而进行的分组定义，有利于上下文关联设计的进行。

图8

4 汽车底盘设计开发流程图

通过对以上设计方法的使用，总结出汽车底盘设计的整个流程，如下图所示：