陳小亮，姜楠楠（河南機電高等?？茖W校，河南 新鄉(xiāng) 453003）

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CATIA軟件在汽車總布置設計中的應用

陳小亮，姜楠楠
（河南機電高等專科學校，河南 新鄉(xiāng) 453003）

摘要：介紹了CATIA軟件以及汽車總布置設計基本內(nèi)容，總結(jié)了CATIA軟件在建立整車三維虛擬數(shù)據(jù)模型、整車總布置圖、整車數(shù)據(jù)校核、人機工程和汽車關鍵零部件的CAE分析優(yōu)化設計等方面的應用。在汽車總布置設計中應用CATIA軟件，可以大大減少研發(fā)時間，降低設計成本，為新產(chǎn)品贏得更多地市場先機。

關鍵詞：CATIA；汽車總布置；數(shù)據(jù)模型；整車數(shù)據(jù)校核；有限元分析

CATIA軟件是一套集三維零部件設計、數(shù)據(jù)分析計算、結(jié)構(gòu)運動分析、模型動態(tài)和靜態(tài)分析與仿真于一體的CAD/CAM/CAE三維軟件。汽車總布置設計包括汽車型式的選擇，整車基本尺寸的設定，以及各大機械系統(tǒng)的布置方案、人機工程布置方案的制定，各大系統(tǒng)的布置實現(xiàn)、系統(tǒng)間的間隙保證，同時也包括對整車重量、通過性、動力性、經(jīng)濟性、車輛動力學、NVH等性能的考慮?？偛贾迷O計，決定了汽車的總體技術方案，是汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中最重要的內(nèi)容，在很大程度上決定了一款汽車產(chǎn)品投放市場后的成敗。

在總布置設計時期，最關鍵的就是設計時間的長短，利用CATIA軟件進行汽車總布置設計，可以提高設計效率，大大縮短研發(fā)時間。利用CATIA軟件確定汽車的總布置圖，對整車的關鍵尺寸進行設計分析，然后對汽車零部件建立數(shù)據(jù)模型，形成3D虛擬數(shù)據(jù)，通過虛擬裝配技術將單獨的零部件按照裝配要求裝配到一起形成總成部件，如發(fā)動機總成、車身總成、內(nèi)外飾總成、底盤總成、電器總成等等，再將這些總成零部件按照各自的硬點添加到整車坐標系中，完成整車的裝配。后期可以通過CATIA軟件的DMU功能對整車3D數(shù)據(jù)進行干涉檢測、裝配間隙和可維修性進行分析，通過CATIA軟件的人機功能模塊對內(nèi)外飾、底盤等進行設計，通過CATIA分析與模擬功能對整車關鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化設計。本文對CATIA軟件在汽車總布置設計中的應用進行了詳細闡述。

1　CATIA軟件和汽車總布置簡介

1.1CATIA V5簡介

CATIA的英文全稱為Computer Aided Three-Dimensional Interface Application，自20世紀80年代由法國Dassault System公司開發(fā)設計，目前廣泛應用于航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、造船業(yè)、廠房設計行業(yè)、建筑自動化、電子醫(yī)藥、家具、機械磨具、數(shù)控加工業(yè)等各大行業(yè)，尤其在汽車設計制造領域，CATIA軟件提供方便的解決方案，滿足了大部分大、中、小型企業(yè)的需要，幾乎涵蓋所有的制造產(chǎn)品，CATIA軟件憑借其強大的設計模擬制造一體化功能，已成為歐洲汽車工業(yè)乃至北美、亞洲汽車工業(yè)的主要設計工具，CATIA著名用戶包括寶馬、奔馳、沃爾沃等一大批國際知名企業(yè)，國內(nèi)的上海大眾、一汽大眾、北京吉普、奇瑞汽車、華晨寶馬、吉利汽車等也采用了CATIA設計技術，CATIA軟件在航空航天和汽車設計領域具有領先的地位[1]。

從20世紀80年代至今，CATIA軟件相繼發(fā)布了1版本、2版本、3版本和4版本[2]，目前CATIA發(fā)布的V5版本應用于UNIX和Windows兩種平臺CATIA V5版本的界面更加友好，功能更加強大，操作更加簡捷。CATIA V5包含13個模塊，分別是基礎結(jié)構(gòu)、機械設計、形狀設計、分析與模擬、AEC工廠、加工、DMU、設備與系統(tǒng)、制造的數(shù)字化處理、加工模擬、人機工程系設計與分析、知識工程和ENOVIA V5 VPM模塊。

1.2汽車總布置設計簡介

汽車總布置設計，又稱為汽車總體設計[3]，在汽車的總體方案確定以后，要對各個總成和部件進行空間布置工作，并校核初步選定的各部件結(jié)構(gòu)和尺寸是否滿足整車尺寸和參數(shù)的設計要求，并使其達到最佳的組合，得到合理的總布置方案。汽車總布置的主要工作內(nèi)容包括：總成選型和匹配、確定設計硬點和設計控制規(guī)則、三維模型裝配、人機工程設計和校核、運動學校核、整車性能計算以及CAE分析。

在總布置設計工作中，應遵循市場可行性原則、技術可行性原則、企業(yè)內(nèi)部資源原則和創(chuàng)新原則。

設計的車型必須遵循市場需求，考慮目標銷售區(qū)域的強制法規(guī)要求、當?shù)氐淖匀画h(huán)境特征以及客戶的特征需求，在總布置設計中，設計人員通過研究競品車輛的特征，以競品車為標桿車，在競品車的基礎上進行改進開發(fā)，這樣既可以大大縮短研發(fā)的時間，同時也為產(chǎn)品的設計開發(fā)樹立了一個相對的坐標，再通過對消費者的研究進一步滿足市場的需求，這樣才能保證設計出的產(chǎn)品具有競爭力。

技術可行性原則，要求所設計的車型的整車尺寸、質(zhì)量、各大系統(tǒng)和人機工程布置方案，在現(xiàn)有的技術基礎上是可行的。目前人們追求汽車空間大、動力經(jīng)濟、整車舒適等性能，這些性能的實現(xiàn)必須從技術上進行滿足，設計人員要從技術可行性方面出發(fā)，設計的車型既要滿足法律法規(guī)的要求，又要對整車的質(zhì)量、發(fā)動機的匹配、懸架的設計等方面進行分析設計。脫離了技術可行性，要么導致設計不可實現(xiàn)，要么導致產(chǎn)品問世后性能和質(zhì)量問題不斷。

對于任何一個企業(yè)來說，在進行新車型的總布置設計時，均要遵循企業(yè)內(nèi)部資源的原則。要盡可能沿用企業(yè)現(xiàn)有的整車和關鍵零部件的平臺。開發(fā)一個全新的整車平臺，耗資、耗時且技術風險較大，而沿用一個現(xiàn)有的平臺，則可以節(jié)約開發(fā)周期和開發(fā)費用，技術風險較小，同時，平臺的產(chǎn)量增加，其規(guī)模效應也會帶來單件成本的進一步下降。

汽車總布置設計中，為了使新開發(fā)的產(chǎn)品更具有競爭力和吸引力，不應拘泥于現(xiàn)有的車型選擇和布置型式，而應在經(jīng)過各種可行性分析的基礎上，進行創(chuàng)新。

2　CATIA軟件在汽車總布置中的應用

2.1應用CATIA軟件建立整車的數(shù)據(jù)模型

企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品一般會在現(xiàn)有的平臺上進行改進研發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出來的產(chǎn)品需要對整車的零部件進行三維數(shù)據(jù)建模，應用CATIA軟件對整車的零部件分別建模，將各個總成進行數(shù)據(jù)虛擬裝配，然后進行總體裝配，形成整車模型。如圖1所示，為獨立懸架總成的裝配圖。對于一些外購產(chǎn)品，整車廠需要向外購廠家索取三維數(shù)據(jù)模型，如：發(fā)動機三維模型、后橋三維模型、變速箱三維模型等，這樣可以大大節(jié)省時間，而且可以保證整車設計數(shù)據(jù)的準確性。

圖1　獨立懸架總成裝配圖

2.2CATIA軟件在總布置圖中的應用

車型和整車尺寸確定完成后，應用CATIA軟件繪制整車的總布置圖（圖2），整車總布置圖可以直接從整車三維數(shù)據(jù)模型生產(chǎn)，在CATIA工程制圖中對整車的尺寸進行標注，這樣大大節(jié)省了繪圖的時間。傳統(tǒng)的繪圖方法是利用CAD二維軟件對整車的大致輪廓進行繪制，然后再進行尺寸標注，這樣需要對整車的外形和尺寸非常了解，而且對二維軟件的操作非常熟悉的工程師才能完成。利用CATIA軟件直接生成工程制圖的方法來確定整車的總布置圖，只需要了解CATIA的操作就可以完成，自動化程度非常高，簡單易用。應用CATIA軟件直接生成整車總布置圖，可以實現(xiàn)對整車數(shù)據(jù)模型的及時更新，對不滿足設計要求的尺寸進行調(diào)整，實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)三維數(shù)據(jù)模型的更新顯示，可以對整車設計階段整車的外觀進行數(shù)據(jù)評審，更加省時便捷。

圖2　整車總布置圖（主視圖）

2.3CATIA軟件在整車校核中的應用

整車數(shù)據(jù)校核就是對整車法規(guī)人機校核，并形成校核報告。應用CATIA軟件可以方便的對整車三維數(shù)據(jù)模型進行法規(guī)人機校核，校核整車各個總成布置的合理性及可維修性。應用CATIA軟件主要對整車的以下系統(tǒng)進行校核：整車外形尺寸、動力總成、冷卻系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、內(nèi)外飾、車身以及人機工程等。

應用CATIA軟件的DMU功能對整車各個總成間的間隙和干涉情況進行分析，對設計要求進行檢測。如對排氣系統(tǒng)進行校核，保證排氣管與油箱、轉(zhuǎn)向機油管、轉(zhuǎn)向機防塵套、換擋拉線、發(fā)動機懸置軟墊的最小間隙≥200mm，從而滿足設計要求。在CATIA軟件的DMU模塊里面建立前懸架運動模型，并做出輪胎包絡面（輪胎上下跳動及轉(zhuǎn)向時形成的運動軌跡），我們可以利用輪胎包絡面來校核輪胎與周邊件的間隙，如圖3。

圖3　輪胎跳動校核

人機工程設計主要基于對人體模型數(shù)據(jù)庫的建立，一切經(jīng)驗數(shù)據(jù)均通過人體的尺寸并借助于SAE 的方法和工具進行布置分析。在汽車設計中，常把95％男人人體尺寸作為設計上限，5％女人人體尺寸作為設計下限，因此設計就可以滿足90％的人的需要。應用CATIA軟件人機功能模塊可以確定座椅參考點(SgRP)的位置、座椅靠背角和座椅調(diào)節(jié)行程，對駕駛員的視野進行設計、A柱盲區(qū)進行校核、駕駛員和乘客的進出方便性、內(nèi)部空間進行校核、可維修性、儀表及操縱件的布置進行校核等。參考市場上成熟車型，儀表盤平面和儀表盤中心與眼球中心連線與水平面的夾角一般控制在20°±22°范圍內(nèi)，如圖4所示。如圖5所示，應用CATIA軟件人機功能模塊對發(fā)動機機罩掀起高度進行校核。如圖6所示，對后備箱箱蓋的掀起高度進行校核。如圖7所示，對燃油的加注性能進行校核。

圖4　駕駛員儀表板視野

圖5　發(fā)動機機罩校核

圖6　后備箱箱蓋校核

2.4CATIA軟件對汽車零部件的有限元分析

CATIA軟件的“分析與模擬”模塊可以對汽車零部件進行有限元分析[4]，對零部件的各階模態(tài)、結(jié)構(gòu)強度和剛度進行分析。有限元分析的流程為：建立結(jié)構(gòu)的CATIA三維模型→劃分網(wǎng)格→約束、加載→計算→有限元結(jié)果→對結(jié)果進行分析。如對排氣系統(tǒng)吊鉤位置的選?。号艢庀到y(tǒng)吊鉤的位置必須滿足以下三點設計原則：①吊鉤應該位于振動的節(jié)點上；②吊鉤應該在縱向能夠延伸；③吊鉤應該位于車身結(jié)構(gòu)的剛性處。如果僅憑經(jīng)驗很難找到準確的位置，應用CATIA軟件的有限元分析功能對排氣系統(tǒng)進行有限元分析，劃分網(wǎng)格，添加約束并行計算，對排氣系統(tǒng)進行各階模態(tài)分析（如圖8），從而確定排氣系統(tǒng)上的最佳吊鉤位置，進一步確定車身的吊鉤位置，并增加車身吊鉤位置處的剛度，從而保證強度和剛度要求。

圖7　燃油加注性能校核

3　結(jié)語

CATIA軟件集設計、分析于一體，可以對整車進行三維數(shù)據(jù)建模，生成整車的總布置圖，對整車進行法規(guī)人機校核，還可以對整車關鍵零部件進行有限元分析設計。CATIA軟件在汽車總布置設計中的應用提高了研發(fā)的開發(fā)效率，大大縮短了整車的開發(fā)周期，降低了企業(yè)的研發(fā)成本，實現(xiàn)了汽車設計的無紙化辦公。

（責任編輯 呂春紅）

圖8　排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

參考文獻：

[1]劉娜,鄭忠才,顧東明,等.CATIA V5基礎教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[2]王巍.淺談CATIA在汽車設計中的應用[A].第五屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].2008(09):69-70.

[3]王望予.汽車設計（第4版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4]北京兆迪科技有限公司.CATIA V5R21 寶典[M].北京:水利水電出版社,2013.

Elementary Introduction of CATIA Software's Application on General Layout of Cars

CHEN Xiao-liang, et al
(Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453003, China)

Abstract:The paper introduces the basic content of CATIA software and layout design, and summarizes the use of 3D virtual data for vehicle model, vehicle general arrangement plan, the data checking, man-machine engineering and automotive CAE analysis of optimization design of key parts. The results show that using CATIA software application in general layout of cars greatly reduces the development time and design costs. What's more, it can win more market opportunities for new products.

Key words:CATIA; general layout; data model; vehicle data checking; CAE

中圖分類號：TP391.7

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2093(2016)01-0004-04

收稿日期：2015-10-20

作者簡介：陳小亮（1985—），男，河南鶴壁人，助教，碩士，主要從事汽車總布置設計研究。