基于 Excel VBA 與 CATIA 的汽車(chē)懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型參數(shù)化建模

王瑞波 姚曉東

（浙江吉利新能源商用車(chē)集團(tuán)有限公司）

懸架是汽車(chē)的重要組成部分，對(duì)汽車(chē)的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有著決定性影響。懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析不僅能展現(xiàn)各零件間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且還能評(píng)判懸架系統(tǒng)的優(yōu)劣。要優(yōu)化汽車(chē)設(shè)計(jì)就必須對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行針對(duì)性改善[1-2]，所以在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常依據(jù)不同的懸架硬點(diǎn)參數(shù)建立眾多的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析和優(yōu)化驗(yàn)證。而懸架硬點(diǎn)參數(shù)等設(shè)計(jì)文件常使用Office 辦公軟件交流儲(chǔ)存，未與CAD 類工程設(shè)計(jì)軟件建立聯(lián)系。基于上述問(wèn)題，文章提出一種方法，在Office 辦公軟件和CAD 類工程設(shè)計(jì)軟件之間建立橋梁，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建模，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 Excel VBA 與 CATIA 簡(jiǎn)介

VBA（Visual Basic for Applications）是 Visual Basic的一種宏語(yǔ)言，是微軟開(kāi)發(fā)出來(lái)在其桌面應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動(dòng)化任務(wù)的編程語(yǔ)言[3-4]。VBA 提供了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法和相當(dāng)完整的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，但必須寄生于已有的應(yīng)用程序。即VBA 的項(xiàng)目（Project） 僅由使用 VBA 的 Excel、Word、PowerPoint 等稱為宿主（Host）的應(yīng)用程序（Application）來(lái)調(diào)用。

CATIA 是CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。它的集成解決方案涵蓋了從產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、人機(jī)工程、圖紙繪制到生產(chǎn)加工的全過(guò)程。CATIA 廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、電子電器、船舶等諸多行業(yè)領(lǐng)域[5-12]。大部分世界主流的車(chē)企將CATIA 作為其核心設(shè)計(jì)軟件。

二次開(kāi)發(fā)是在現(xiàn)有軟件上進(jìn)行定制修改，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。CATIA 為二次開(kāi)發(fā)提供了多種接口，外部程序可以將CATIA 作為一個(gè)OLE（Object Linking and Embedding）自動(dòng)化服務(wù)器，通過(guò) COM（Component Object Model）接口來(lái)訪問(wèn) CATIA 內(nèi)部的對(duì)象。Excel VBA 程序設(shè)計(jì)本質(zhì)上就是對(duì)Excel 的二次開(kāi)發(fā)。

2 參數(shù)化懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型

在汽車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，需要不斷地對(duì)懸架零件結(jié)構(gòu)、硬點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，某些時(shí)候甚至要進(jìn)行多方案對(duì)比驗(yàn)證。依據(jù)同種類型懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同或類似的特點(diǎn)，使用懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)，應(yīng)用參數(shù)化的方法搭建懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型成為常用的運(yùn)動(dòng)仿真分析方法[13]。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

由于汽車(chē)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)直接確定了四輪定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，直接影響了懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，一直以來(lái)其都是汽車(chē)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以汽車(chē)懸架的硬點(diǎn)和其他重要的安裝固定點(diǎn)建立懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，麥弗遜式前懸架，如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)麥弗遜懸架數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化示意圖

2.2 定義運(yùn)動(dòng)副

CATIA 軟件的DMU Kinematics 模塊是專門(mén)用于建立DMU（Digital Mock Up）運(yùn)動(dòng)仿真的模塊。其建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)懸架將懸架系統(tǒng)中的彈性元件（橡膠襯套、橫向穩(wěn)定桿等）理想化，使用運(yùn)動(dòng)副代替或轉(zhuǎn)化為剛性元件，運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)不考慮彈性元件變形的影響[14]。在DMU中將橫向穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)化成剛性元件后，橫向穩(wěn)定桿不再有彈性變形，為避免左右輪的上下跳動(dòng)相互影響，需將橫向穩(wěn)定桿從中間斷開(kāi)成2 個(gè)零件。麥弗遜式前懸架的運(yùn)動(dòng)副定義有多種組合形式，表1 示出了其中的一種。無(wú)論哪種組合形式，懸架機(jī)構(gòu)的自由度必須和驅(qū)動(dòng)的數(shù)量相同。在不存在虛約束和局部自由度的懸架系統(tǒng)中，可用空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式計(jì)算懸架機(jī)構(gòu)自由度[15]。

式中：W——機(jī)構(gòu)的自由度；

m——機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的公共約束數(shù)（m 的值可依次取 0～4）；

n——機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；

Pk——機(jī)構(gòu)的k 類運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量；

k——機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的配合級(jí)別，由運(yùn)動(dòng)副所產(chǎn)生的約束數(shù)來(lái)決定，其數(shù)值相應(yīng) k=5、4、3、2、1。

表1 一種麥弗遜式前懸架的運(yùn)動(dòng)副定義

3 自動(dòng)建模功能的實(shí)現(xiàn)

在編輯運(yùn)行程序以前，需要在VBAProject 引用對(duì)話框中引用所有的以“CATIA”開(kāi)頭的Object Library 類庫(kù)文件。引用后不但能使用VBA 代碼的自動(dòng)完成功能，而且還能在對(duì)象瀏覽器查看CATIA 的所有對(duì)象及其使用方法和屬性[16]。

3.1 在VBA 中訪問(wèn)CATIA

可用如下代碼，通過(guò)COM 接口訪問(wèn)CATIA，并在初始化時(shí)新建產(chǎn)品文件：

需要注意的是，CATIA Automation 中 Product、Part-Document、part、Reference 等數(shù)據(jù)類型不能定義成為數(shù)組的數(shù)據(jù)類型，須以Variant 變體類型定義變量，尤其是函數(shù)中作為傳入?yún)?shù)的數(shù)組必須定義為Variant 變體類型，否則程序會(huì)出錯(cuò)。

3.2 三維模型建模

在已經(jīng)建立好的Product 中，依據(jù)CATIA 文檔結(jié)構(gòu)，通過(guò)API（Application Program Interface）逐級(jí)建立和獲取各層級(jí)對(duì)象。CATIA 中Application 對(duì)象的層級(jí)關(guān)系，與Product 文檔結(jié)構(gòu)樹(shù)的對(duì)照關(guān)系，如圖2 所示。零件建立完成后，再依據(jù)EXCEL 表格中的硬點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立點(diǎn)、線、面等模型，如此產(chǎn)品文檔中所有組件均使用整車(chē)坐標(biāo)系，免去了裝配過(guò)程中繁瑣的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

圖2 Application 對(duì)象與Product 結(jié)構(gòu)樹(shù)的對(duì)照關(guān)系界面示意圖

3.3 定義運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

和CATIADMU Kinematics 模塊建立DMU 運(yùn)動(dòng)仿真模型一樣，VBA 程序的第一步也是建立Mechanism和固定車(chē)架組件。但建立運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)命令，不同于工程設(shè)計(jì)人員在DMU Kinematics 模塊的操作，必須先提取用到的 Point、Line、Plane 的完整路徑，再在運(yùn)動(dòng)副建立的函數(shù)AddJoint()中引用這些路徑的Reference。

在mechanism 中添加運(yùn)動(dòng)副的AddJoint()函數(shù)不僅需要一個(gè)Reference 數(shù)組，還需要一個(gè)特殊字符串Type string 來(lái)確定運(yùn)動(dòng)副類型。表2 示出了懸架常用運(yùn)動(dòng)副和Type string、Reference 三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 懸架常用運(yùn)動(dòng)副和Type string、Reference 關(guān)系表

3.4 關(guān)鍵代碼分析

在CATIA 初始化并新建產(chǎn)品文件后，逐級(jí)建立和獲取Product、Documents、Part 等各層級(jí)對(duì)象。在零件幾何體Body 內(nèi)創(chuàng)建點(diǎn)、線、面等非基于草圖的特征元素需要啟用混合設(shè)計(jì)（HybridShapeFactory）模式，否則需將其建立在幾何圖形集HybridBody 內(nèi)。

讀取Excel 表單元格內(nèi)的硬點(diǎn)坐標(biāo)，并在各Part 零件的‘零件幾何體’內(nèi)生成點(diǎn)、線、面等特征元素。

為在CATIA 程序界面看到三維圖形，所有特征模型建立完成后，必須激活所有端節(jié)點(diǎn)并啟動(dòng)設(shè)計(jì)模式。

新建機(jī)械裝置Mechanism，并固定車(chē)架組件oRoot-Product (1)，再提取DMU 用到的所有元素的完整路徑名，建立提取的路徑名的Reference。

對(duì)于麥弗遜懸架的運(yùn)動(dòng)副，依據(jù)表1 和表2，AddJoint()函數(shù)的傳入?yún)?shù)用數(shù)組需要兩個(gè)元素或四個(gè)元素，分別定義擁有2 個(gè)一維數(shù)組就能滿足編程要求。

按需求添加運(yùn)動(dòng)副和命令既能完成模型建立，以下代碼列舉了定義車(chē)架和轉(zhuǎn)向齒條之間的運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)命令的代碼。

4 實(shí)例驗(yàn)證

在Excel 表格中輸入相關(guān)的硬點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖3所示。在Excel 2013 和CATIA V5-6R2015 環(huán)境下實(shí)測(cè)，點(diǎn)擊“建立DMU”命令按鈕后，程序執(zhí)行完成僅需兩秒，即完成運(yùn)動(dòng)仿真模型建立。相對(duì)于手工操作，節(jié)省了大量的時(shí)間，且避免了過(guò)程中的操作失誤。

圖3 Excel 表格程序操作界面示意圖

5 結(jié)論

提出使用Excel-VBA 對(duì)CATIA 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，一鍵完成運(yùn)動(dòng)仿真模型建立，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件。以麥弗遜前懸架為實(shí)例，說(shuō)明了CATIA 懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型的搭建方法，并給出了關(guān)鍵程序段，實(shí)際驗(yàn)證了程序的正確性及可行性，確定輸入硬點(diǎn)后，自動(dòng)完成懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型建立，避免了繁瑣重復(fù)的操作，大幅度提高了工作效率。本方法可簡(jiǎn)單快捷地建立起汽車(chē)懸架參數(shù)化運(yùn)動(dòng)仿真模型，大幅提高工作效率，提升工作質(zhì)量，并且對(duì)其他機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模型參數(shù)化建模也有參考和使用價(jià)值。