基于CATIA GSD模塊的輪胎復(fù)雜3D花紋的研究

楊 旭，李 華，程麗娜，吳月仙，張 敏，吳東霞

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

CATIA，UG和Pro/E是行業(yè)性的三大3D設(shè)計(jì)軟件，其中UG已成為模具行業(yè)主流應(yīng)用之一，Pro/E廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、玩具、工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械制造等行業(yè)，而CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的高端計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）一體化軟件，其功能已得到各行業(yè)的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和船舶等領(lǐng)域，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一種有效手段[1-5]。在輪胎花紋的設(shè)計(jì)中采用CATIA 3D設(shè)計(jì)軟件，是為了在達(dá)索公司3DExperience平臺(tái)中，將設(shè)計(jì)端數(shù)據(jù)直接無縫應(yīng)用到仿真端，使3D花紋造型變參數(shù)模型直接應(yīng)用到CAE進(jìn)行性能仿真分析，為設(shè)計(jì)-仿真一體化提供模型基礎(chǔ)，使設(shè)計(jì)-分析使用同一個(gè)數(shù)據(jù)源模型，避免數(shù)據(jù)分離、統(tǒng)一變更和優(yōu)化等問題，同時(shí)參數(shù)化的設(shè)計(jì)可使CAE仿真分析工作效率提升[6-12]。

3D花紋是基于2D平面花紋設(shè)計(jì)的。將胎面曲線和溝底曲線通過旋轉(zhuǎn)得到輪胎胎面和輪胎溝底曲面，將2D平面花紋中對(duì)應(yīng)的花紋溝曲線展開投影到胎面曲面上，進(jìn)行角度掃掠從而生成花紋溝基礎(chǔ)面，將其與輪胎溝底曲面進(jìn)行倒角、分割、修剪等處理，最終得到輪胎花紋的3D曲面造型。當(dāng)在某些參數(shù)設(shè)計(jì)中，無法直接在輪胎胎面上進(jìn)行掃掠面及倒角設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行特殊處理，才可以得到完整的花紋溝側(cè)壁曲面及溝底圓角造型。

本工作基于CATIA GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)）模塊對(duì)輪胎復(fù)雜3D花紋的處理進(jìn)行研究，主要涉及對(duì)無法通過在輪胎胎面上直接掃掠得到的花紋溝側(cè)壁曲面的處理方法，及一些因設(shè)計(jì)要求和在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中由于其復(fù)雜程度造成報(bào)錯(cuò)問題的倒角設(shè)計(jì)的處理方法，從而使3D花紋得以成功造型，避免報(bào)錯(cuò)導(dǎo)致無法出圖，影響模具加工。

1 CATIA GSD模塊介紹

CATIA V5的GSD模塊主要包括線框和曲面造型功能，其工具模塊組成為線框造 型（Wireframe）、曲 面 造 型（Surfaces）、幾何 操 作（Operations）、分 析（Analysis）、約 束（Constraints）、規(guī)則（Law）、工具（Tools）、復(fù)制（Replication）、容器（Volumes）和高級(jí)曲面造型（Advanced Surfaces），以建立和修改用于復(fù)雜外形設(shè)計(jì)所需的各種曲面。同時(shí)，GSD模塊采用了基于特征的設(shè)計(jì)方法和全相關(guān)技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中能有效地捕捉設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，從而極大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，并為后續(xù)設(shè)計(jì)更改提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 3D花紋設(shè)計(jì)前處理

在GSD模塊中，通過點(diǎn)、線、平移、圓角、旋轉(zhuǎn)、修剪、分割和接合等命令生成2D平面花紋，以此作為3D花紋造型的基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 CATIA 2D平面花紋

3 3D花紋設(shè)計(jì)

在2D平面花紋的基礎(chǔ)上，根據(jù)花紋溝剖面設(shè)計(jì)完成對(duì)應(yīng)的3D造型開發(fā)，主要包含內(nèi)容如下。

3.1 輪胎胎面與溝底面的創(chuàng)建

首先對(duì)胎面曲線和溝底曲線進(jìn)行外插延伸、對(duì)稱等一系列前處理，形成完整的胎面曲線和溝底曲線，利用旋轉(zhuǎn)命令，得到輪胎胎面和溝底面，如圖2所示。

圖2 輪胎胎面和溝底面

3.2 簡(jiǎn)單花紋溝的創(chuàng)建

將前處理設(shè)計(jì)的2D平面花紋造型中縱溝花紋曲線展開投影到對(duì)應(yīng)的輪胎胎面上，對(duì)簡(jiǎn)單花紋縱溝進(jìn)行角度掃掠、圓角、修剪等命令，得到縱溝造型，如圖3所示。

圖3 縱溝造型

3.3 復(fù)雜花紋溝的創(chuàng)建

將前處理設(shè)計(jì)的2D平面花紋造型中的橫溝花紋曲線展開投影到對(duì)應(yīng)的輪胎胎面上，根據(jù)3D設(shè)計(jì)要求進(jìn)行角度掃掠得到橫向花紋溝壁側(cè)曲面。將這些曲面通過分割、修剪、橋接等處理生成相互貫通的花紋側(cè)面，通過接合命令得到一體的花紋框架，而后將花紋框架與溝底曲面進(jìn)行一系列的倒角處理，得到3D花紋曲面造型。

在3D花紋曲面造型的設(shè)計(jì)開發(fā)中，難點(diǎn)為溝底和肩部位置的設(shè)計(jì)。溝底是由花紋溝壁側(cè)面與溝底曲面倒角而成，由于輪胎花紋溝設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及輪胎規(guī)格數(shù)量眾多，很容易出現(xiàn)部分設(shè)計(jì)參數(shù)在常規(guī)設(shè)計(jì)下發(fā)生倒角困難、報(bào)錯(cuò)等現(xiàn)象，從而使3D花紋溝造型不能生成。因此為滿足花紋設(shè)計(jì)的基本要求，需要對(duì)復(fù)雜花紋溝的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化及分段處理，特別是花紋溝壁側(cè)面和溝底倒角位置。

3.3.1 花紋溝壁側(cè)面處理

某些復(fù)雜花紋肩部位置的胎面曲線和胎肩曲線倒角小于15 mm，出現(xiàn)花紋溝側(cè)壁無法成功掃掠或掃掠出來的曲面無法直接使用等問題，如圖4所示。有2種方式可以對(duì)花紋溝側(cè)壁曲面進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖4 掃掠曲面相關(guān)問題

（1）填充方式。將2D花紋溝的曲線分別展開投影到中間胎面和肩部胎面，對(duì)兩條投影曲線進(jìn)行掃掠得到兩張花紋溝側(cè)壁掃掠曲面，再將兩張曲面與溝底曲面相交得到兩條相交線，用樣條曲線將兩條相交線進(jìn)行處理得到填充所用的溝底曲線。將曲線和肩部位置展開投影的花紋溝側(cè)壁的曲線進(jìn)行優(yōu)化并創(chuàng)建直線，而后通過修剪得到填充所需的輪廓，進(jìn)行填充處理得到胎肩位置完整的花紋溝側(cè)壁掃掠曲面，如圖5（a）所示。

（2）橋接方式。與填充方式一致，先生成兩張花紋溝側(cè)壁掃掠曲面，而后對(duì)兩張曲面進(jìn)行橋接命令，最終得到胎肩位置完整的花紋溝側(cè)壁掃掠曲面，如圖5（b）所示。

圖5 花紋溝側(cè)壁曲面處理

2種花紋溝側(cè)壁曲面的處理方式都能應(yīng)用到一些因特殊原因?qū)е聮呗訄?bào)錯(cuò)、掃掠曲面無法直接用于倒圓角的情況。其中，填充方式主要應(yīng)用于橫向花紋溝曲率突變等特殊原因?qū)е聼o法掃掠、掃掠報(bào)錯(cuò)的情況，填充后的花紋溝側(cè)壁曲面可以保證其曲面完整性，用填充后的花紋溝側(cè)壁曲面進(jìn)行倒角能保證倒角的光順，在一些簡(jiǎn)單的花紋溝位置能夠完全避開倒角報(bào)錯(cuò)的情況；橋接方式主要用于生成的掃掠曲面無法用于后續(xù)溝底倒角的生成，可以在原有的掃掠基礎(chǔ)上進(jìn)行橋接處理，這樣既能保持原有掃掠的角度及面的曲率性，又可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)倒角設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)花紋溝形式和花紋溝掃掠時(shí)出現(xiàn)的具體情況進(jìn)行分析從而優(yōu)選處理方式。

3.3.2 花紋溝底倒角處理

花紋溝底的倒角分為多種形式，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中由于某些花紋溝肩部位置變倒角特殊設(shè)計(jì)，花紋溝底存在變溝寬設(shè)計(jì)，使實(shí)際造型設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)倒角報(bào)錯(cuò)問題，因此需要對(duì)特殊部位進(jìn)行二次優(yōu)化處理。

（1）肩部位置倒角的處理。將通過橋接方式得到的花紋溝側(cè)壁曲面與溝底曲面相交生成的曲線作為倒角脊線，在其尾部位置創(chuàng)建兩個(gè)倒角半徑的控制點(diǎn)，然后使用簡(jiǎn)單圓角命令中雙切線圓角，將花紋溝側(cè)壁掃掠曲面與溝底曲面作為倒角所需的支持面1和支持面2。以脊線為對(duì)象，選擇法則曲線里的隱式類型加入創(chuàng)建倒角半徑控制點(diǎn)，輸入相應(yīng)的半徑值，最終生成變倒角參數(shù)設(shè)計(jì)的肩部位置溝底倒角，如圖6所示。

圖6 變倒角參數(shù)設(shè)計(jì)

（2）溝底漸變圓角的處理。在一些輪胎花紋溝底的設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)同一溝底由全切圓倒角的形式漸變到普通倒角的形式，但在CATIA的設(shè)計(jì)中同一溝底的倒角形式基本都做同一簡(jiǎn)單圓角的處理。為了滿足設(shè)計(jì)要求，使3D造型在變參數(shù)下能夠順利生成，需要對(duì)溝底漸變圓角的形式進(jìn)行處理。

首先將兩側(cè)的花紋溝側(cè)壁掃掠曲面與溝底曲面進(jìn)行三切線內(nèi)圓角形成全切倒角（倒角1），再將花紋溝側(cè)壁掃掠曲面與溝底曲面進(jìn)行普通雙切線圓角的處理形成普通圓角（倒角2），形成兩塊不同方式的倒角，分別在倒角1與2的大致位置各創(chuàng)建一張曲面與兩塊倒角進(jìn)行相交處理，形成曲面與倒角1和2的相交線，并利用相交線對(duì)倒角1與2進(jìn)行分割處理，從而形成兩段待處理的倒角曲面（圓角1與圓角2）。

在兩條相交線上分別創(chuàng)建點(diǎn)，通過點(diǎn)創(chuàng)建多條樣條曲線。將樣條曲線與倒角和支持面的相交線形成多個(gè)封閉輪廓并進(jìn)行填充曲面處理，形成多個(gè)填充曲面。而后將曲面進(jìn)行接合得到倒角1與2的過渡圓角部分（圓角3），將圓角3與圓角1和2進(jìn)行接合處理形成溝底的漸變圓角，如圖7所示。最后將兩側(cè)的花紋溝側(cè)壁掃掠曲面與處理好的溝底倒角進(jìn)行修剪，得到相應(yīng)的3D花紋溝曲面。

圖7 完整過渡圓角

3.4 3D花紋實(shí)體造型生成

將經(jīng)過掃掠、修剪和倒角等一系列操作得到的未封閉3D花紋造型與輪胎胎面進(jìn)行修剪處理，最終得到輪胎花紋的3D曲面造型。

進(jìn)入零件設(shè)計(jì)（Part design）模塊對(duì)已完成的輪胎3D花紋曲面造型進(jìn)行封閉曲面處理并生成3D實(shí)體花紋，然后進(jìn)行布爾操作。將花紋溝、鋼片及其他相關(guān)溝槽的3D實(shí)體進(jìn)行布爾操作中的移除命令生成單節(jié)距的3D花紋，如圖8所示。

圖8 3D花紋造型

4 結(jié)論

本工作基于CATIA GSD模塊對(duì)輪胎特殊3D花紋溝側(cè)壁掃掠曲面和復(fù)雜特殊的溝底倒角的處理進(jìn)行多方法研究。這些方法能夠使輪胎設(shè)計(jì)在不同規(guī)格和參數(shù)的轉(zhuǎn)換下，其3D花紋得以成功造型，避免因報(bào)錯(cuò)導(dǎo)致無法出圖，影響模具加工。同時(shí)，對(duì)比以往2D圖紙交付模具加工的形式，由于存在剖面設(shè)計(jì)標(biāo)注不完全、不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，導(dǎo)致不同模具廠對(duì)造型理解的方式不同，增加模具加工過程中的溝通時(shí)間及編程時(shí)間，加長(zhǎng)模具加工周期。如今在設(shè)計(jì)開發(fā)中統(tǒng)一復(fù)雜3D花紋造型的處理規(guī)則，使用二次優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜3D花紋造型進(jìn)行統(tǒng)一處理，使得模具廠按圖加工的一致性得到提高，增強(qiáng)了花紋設(shè)計(jì)的規(guī)范性。