淺談CATIA在隔熱罩設計開發(fā)中的應用

李子旺，黃昌瑞,，武彬，張穎，趙俊男，李帥

（1.沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159；2.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著計算機技術加速發(fā)展，推進了新一代電子信息技術與制造業(yè)深度融合。因此，國內(nèi)外許多汽車公司為了縮短產(chǎn)品的設計開發(fā)及生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的市場競爭力，在產(chǎn)品的設計開發(fā)過程中都采用各種的三維軟件設計系統(tǒng)。

CATIA軟件是法國達索公司的大型高端應用軟件，其內(nèi)容包含了產(chǎn)品從概念設計、造型設計、三維設計、模擬分析計算、動態(tài)仿真、工程制圖輸出、到生成加工的全過程，為企業(yè)建立一個針對產(chǎn)品整個開發(fā)過程的數(shù)字化工作環(huán)境。

隔熱罩是發(fā)動機排氣系統(tǒng)的一個重要部件，它為保護發(fā)動機排氣系統(tǒng)周圍零件而設。成功設計的隔熱罩可以阻隔高溫熱源干擾或損壞其它零件，確保發(fā)動機熱敏元件在適宜的溫度環(huán)境下正常工作。由于隔熱罩是由一系列復雜的空間曲面構成的，這些曲面是由不同曲率的空間曲面相互連接而成，這種連接既要滿足零件功能和結構布置的要求，又要光滑過渡，達到平順、和諧的效果。隔熱罩的設計一般分為正向設計和逆向設計兩個方面。因此，文章分別闡述CATIA軟件在這兩方面設計開發(fā)中的應用，提高隔熱罩設計水平與質量，縮短設計開發(fā)周期，建立相應的數(shù)據(jù)庫。

1 CATIA特點簡述

CATIA軟件在世界CAD/CAE/CAM一體化應用領域中處于領導地位，應用范圍涉及到航空航天、汽車、數(shù)控加工和電子等諸多領域，越來越受到工程技術人員的青睞，其具體特點如下：

● 基于Windows平臺開發(fā)的系統(tǒng)，易于使用；

● 知識驅動的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)；

● 先進的電子樣機技術；

● 先進的混合建模技術；

● 強大的CAD曲面造型功能；

● 支持并行工程；

● 實現(xiàn)資源共享，構造數(shù)字化企業(yè)；

● 易于發(fā)展電子商務集成；

● 優(yōu)良的可擴展性，保護用戶投資。

2 隔熱罩開發(fā)流程

隔熱罩整個開發(fā)過程包括概念設計、詳細設計、工程分析、成品定義和制造、乃至成品在整個生命周期中的使用和維護。目前，隔熱罩主要是委托供應商生產(chǎn)的，因此文章只考慮CATIA軟件在概念設計、詳細設計和工程分析三個階段中的應用，具體的隔熱罩設計流程如圖1所示。

圖1 隔熱罩設計流程圖

3 CATIA在隔熱罩正向設計開發(fā)中的應用

3.1 概念設計階段

在概念設計階段中，主要任務是在熱源與周圍熱敏元件之間確定出合理的隔熱罩布置空間，同時要預留出隔熱罩的裝配與拆裝空間。隔熱罩布置原則：要保證隔熱罩與熱源距離10mm以上，隔熱罩與熱敏元件的距離也要保證在30mm以上。

根據(jù)上述要求，使用CATIA軟件的裝配設計模塊，裝配出基于骨架的發(fā)動機整機模型，再使用創(chuàng)成式外形設計模塊，運用多重提取和復制命令建立基于骨架的隔熱罩布置邊界模型（如圖2所示）。

圖2 基于骨架模型的隔熱罩布置邊界模型

在隔熱罩布置邊界模型基礎上，使用創(chuàng)成式外形設計模塊，建立隔熱罩概念設計模型（如圖3所示）。

圖3 隔熱罩概念設計模型

3.2 詳細設計階段

在詳細設計階段中，主要任務是建立詳細的三維模型和繪制二維圖紙。其中三維模型的建模思路如下：

（1）根據(jù)隔熱罩概念設計模型，確定隔熱罩的沖壓方向；

（2）采用復制或拷貝幾何命令，復制隔熱罩邊界；

（3）參照邊界建立隔熱罩曲面模型；

（4）根據(jù)隔熱罩的結構形式和材料參數(shù)，建立隔熱罩實體模型；

（5）參照隔熱罩整體模型，確定其安裝位置；

（6）根據(jù)隔熱罩的安裝形式，參照安裝位置，繪制隔熱罩安裝孔。

根據(jù)上述思路，首先使用創(chuàng)成式外形設計模塊，建立隔熱罩曲面模型，保證曲面間連續(xù)光滑過渡，達到平順、和諧的效果（如圖4所示）。

圖4 隔熱罩曲面模型

對于形狀相對簡單的隔熱罩來說，使用Generative Sheet-metal Design模塊，運用Hopper等命令，建立隔熱罩實體模型；而形狀復雜的隔熱罩，采用傳統(tǒng)的零部件設計模塊，運用加厚或封閉曲面等命令，建立相應的實體模型。在實體模型基礎上，繪制安裝孔，得到隔熱罩的三維數(shù)模（如圖5所示）。

圖5 隔熱罩三維模型

在繪制二維圖紙時，使用工程制圖模塊，先標注主定位孔的相關尺寸，再參照定位孔基準標注其他安裝孔尺寸和輪廓尺寸，參照使用要求和材料特性，編寫技術要求，得到隔熱罩的二維圖紙（如圖6所示）。

圖6 隔熱罩二維圖紙

3.3 工程分析階段

在工程分析階段中，主要任務體現(xiàn)在DMU校核、安裝工藝性驗證、加工工藝性驗證和有限元分析四個方面。

從DMU校核方面考慮，主要檢查隔熱罩與排氣歧管及周邊熱敏元件的空間間隙，在裝配設計模塊調入各子系統(tǒng)模型，使用DMU空間分析模塊對隔熱罩進行間隙測量和靜態(tài)干涉分析（如圖7所示）。圖中的數(shù)據(jù)表示隔熱罩與周圍零部件間的間隙，一般要求大于3mm。如不滿足間隙要求，需要對模型進行表面局部優(yōu)化，重新詳細設計。

圖7 隔熱罩DMU校核

從安裝工藝性驗證方面考慮，模擬隔熱罩的裝配過程，合理規(guī)劃各零部件裝配順序，使用DMU配件模塊對隔熱罩進行動態(tài)干涉分析。如圖8所示，紅線表示隔熱罩與進氣鋁管和吊耳出現(xiàn)干涉，在實際裝配過程中，會影響裝配，需要對模型進行安裝位置修改，優(yōu)化裝配順序。

圖8 隔熱罩安裝工藝性驗證

從加工工藝性驗證方面考慮，參考沖壓方向分析隔熱罩表面拔模角度，繪制分型線，建立隔熱罩凸凹模模型（如圖9所示）。如果出現(xiàn)負角度的曲面，需要局部重新設計。

圖9 隔熱罩加工工藝性驗證

從有限元分析方面考慮，使用 Generative Structural Analysis模塊，對隔熱罩進行模態(tài)分析和動態(tài)響應分析（如圖10所示）。要求一階固有頻率大于250Hz，最大應力符合材料使用要求。如不滿足要求，需要通過加筋、增加安裝點等方式來強化。

圖10 隔熱罩有限元分析

在滿足上述的設計要求之后，通知供應商進行樣件開發(fā)工作，制作樣件以便后續(xù)的試驗驗證。在CATIA軟件知識工程模塊中，建立如圖11所示的隔熱罩數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)數(shù)據(jù)整理和他人參考，具有良好的延續(xù)繼承性，實現(xiàn)設計共享。

圖11 隔熱罩數(shù)據(jù)庫

4 CATIA在隔熱罩逆向設計開發(fā)中的應用

逆向設計是以無法編輯的隔熱罩模型或隔熱罩實物為出發(fā)點，在沒有產(chǎn)品原始圖紙的情況下，利用數(shù)字測量儀器，對已有實物進行工程分析和測量，從而得到相應三維模型的過程。相對于正向設計開發(fā)來說，逆向設計開發(fā)用曲面重構階段代替概念設計階段。因此，本節(jié)只闡述CATIA軟件對無法編輯的隔熱罩模型或隔熱罩實物的曲面重構階段的應用。

4.1 CATIA在無法編輯的隔熱罩模型的曲面重構階段的應用

無法編輯的模型一般情況下是以 CGR格式生成的，首先需要在裝配設計模塊中，調入無法編輯的模型。然后，再進入DMU優(yōu)化器模塊，運用3D剪切命令對模型進行三角單元化處理，將生成的模型以model格式保存（如圖12所示）。

圖12 隔熱罩model格式模型

在零件設計模塊中，新建一個 part，運用復制命令，把model格式模型中的曲面粘貼到part的幾何圖形集中（如圖13所示）。接著，進入創(chuàng)成式外形設計模塊中，對模型中三角單元的曲面進行重構，得到隔熱罩曲面模型。最后，按照隔熱罩正向設計開發(fā)流程進行后續(xù)設計。

圖13 隔熱罩三角單元的曲面模型

4.2 CATIA在隔熱罩實物的曲面重構階段的應用

圖14 隔熱罩點云數(shù)據(jù)模型

在進行曲面重構之前，要對隔熱罩實物進行表面數(shù)字化處理，得到隔熱罩表面的點云數(shù)據(jù)。在DSE模塊中，導入隔熱罩的點云文件，對點云數(shù)據(jù)進行過濾等相應的處理（如圖14所示）。

運用Mesh Creation命令，將點云數(shù)據(jù)輔成曲面；再運用Planar Sections等命令在曲面上繪制交線（如圖15所示）。

圖15 在曲面上繪制交線圖

根據(jù)所建的交線，使用 Freestyle、QSR、創(chuàng)成式外形設計模塊等模塊進行逆向，大體的逆向原則是點-線-面，從而得到隔熱罩曲面模型（如圖16所示）。最后，按照隔熱罩正向設計開發(fā)流程進行后續(xù)設計。

圖16 隔熱罩曲面模型

5 總結

在隔熱罩設計開發(fā)中使用CATIA軟件，給設計者帶來了極大的方便，提高設計效率與質量，減少設計誤差及失誤率，縮短了設計開發(fā)周期，為企業(yè)降低開發(fā)成本，實現(xiàn)設計共享，具有良好的延續(xù)繼承性，同時也適用于其他產(chǎn)品的推廣應用。