CATIA V5在宇通客车底盘上的应用

    郑州宇通客车股份有限公司，为了提高产品的设计质量和一次设计成功率、降低设计成本、减少由设计错误引起的设计变更，引进了CATIA完成某车型的电子样车设计，在底盘设计上首次探讨并采用了主模型设计、结构设计和DMU等关键技术，完成了自制底盘的车架、悬架、发动机悬置等模型的设计工作，也充分体现了CATIA V5作为计算机辅助设计软件的应用价值。

一、概述

    国内二维甩图板的计算机辅助设计应用技术，在现有劳动密集型的企业中确实为企业增加了不少利润，也加快了产品开发的速度，但在产品设计质量的验证、产品结构合理性等方面仍需要依赖多次的新产品实物试制，设计一次成功率不够理想。

    经过一年半的调研，公司决定与西安江达科技/IBM PLM部门合作，以CATIA作为技术手段提升的平台，以某车型的项目开发为起点，共同完成电子样车的设计任务，旨在为其在公司的下一步推行打下良好的基础，同时培养一批CATIA技术应用骨干。

    在电子样车的底盘设计过程中，根据底盘的结构特点，着重理清了设计流程，决定采用主模型设计方法、结构设计技术以及DMU的导航及空间分析等技术完成底盘的电子样车设计。

二、关键应用技术

    1.底盘主模型的建立

    应用CATIA进行底盘的主模型设计时需要综合考虑车架的结构形式、发动机和底盘各总成的布置、悬架的结构形式等，确定汽车的主要尺寸和参数，以及各总成之间是否干涉、是否容易安装及维修等。

    简单地说，主模型就是由一些简单的点、线、面组成的一个模型的骨架或躯干，在整个底盘各总成的建模过程中，仅是引用了主模型中的某些点、线、面作为各总成建模时的参考元素。当然这里的“引用”可以采用Publish（发布）或者采用元素级拷贝Link的关系来实行。

    在建立底盘主模型的过程中，需要考虑以下三点：

    (1)主模型的简化

    主模型所能控制的点、线、面等元素要越少越好，这样有利于实现产品的变型设计。如在底盘设计中，通过更改前悬、后悬以及轴距等参数可实现底盘整体的参数化，达到实现开发新底盘的要求。

    (2)主模型的管理

    在建立主模型时，会生成许多点、线、面。如果不对树进行组织和管理，这些元素在树上的位置一定是很乱的。如果这样，后面的总成或零部件设计对这些元素的引用也很容易乱，主模型元素的维护也将是件令人头疼的事情。

    因此，在主模型建立的过程中，对一些关键点、线、面要有条理地把它们存放在不同的Open Body下，并将Open Body根据其特定的含义命名。

    例如，对车架设计，其主模型在建立的过程中，先后使用了主要参考面、前段总成参考架构、后段总成参考架构和中段总成参考架构等多个Open Body。

    (3)底盘各总成间的元素及引用

    底盘主模型建立以后，各大总成引用主模型上的元素时必须要引用对自己本身至关重要的元素，在引用元素的基础上通过，引用的元素建立各总成自己的子模型。

    例如，通过引用底盘主模型上的绝对原点、三个坐标平面、前桥中心面、后桥中心面，并以这些元素为参考扩充可建立车架的子模型。在车架子模型建立后，接着建立车架上的各总成，如前后段车架、各总成横梁、主桁架总成，边横梁总成等子模型架构，这样才能实现车架结构的整体预装配。图1为某车型底盘的主模型架构。

图1 底盘主模型架构

    2.结构型材库的建立

    车架是底盘的基础，因此在考虑底盘的配置参数时必须要考虑车架的设计结构。由于CATIA结构设计模块的优越性，我们在设计车架时采用了该模块与GSD、PDG相结合的方法。在CATIA的结构设计（SR1）模块里，所有的型材库不能满足公司原有的型材标准要求，因此在设计前必须建立企业自己的型材库。

    建立结构型材库的一般步骤为：

    (1)用Sketcher建立某一型材的断面图，在建断面图时，要考虑模型的参数化建立和驱动，然后创建设计表格（Design Table），如图2所示；

图2 截面零件

    (2)更改设计表格（Design Table），添加Part Family下的一些组件特征和参数；

    (3)打开Catalog Editor（库编辑器），建立企业自己的库文件，如图3所示；

图3 截面库

    (4)更改结构文件，找到安装路径为\startup\EquipmentAndSystems\ ProjectData文件夹里的Project文件，修改Sections Catalog和Structure Sections Path路径，将其指定为上面刚建的Catalog库文件和SectionPart文件的相关路径；

    (5)更改环境设置路径，利用CATIA环境编辑器，按图4红框标注进行编辑修改；

图4 CATIA环境编辑器

    (6)在SR1模块下进入Tools\ Project Management后，指定刚才修改的Project文件就可以直接使用自定义的型材库了。

    3.车架、悬架、发动机悬置模型的建立

    如上所述，在建立车架的子模型后，考虑到该车型车架的特定结构，我们采用SR1模块来设计车架。该车架采用三段式结构：中段设计为桁架结构，前、后段采用槽形断面梁结构。根据车架自身的特点，在建模时将车架总成分为前、后段总成和中段总成，每个总成的子模型从车架子模型中引用元素并扩充而成。建模时可先建立车架的结构，然后再扩充各总成，直到形成完整的车架模型，如图5所示。

图5 车架模型

    建立前后悬架的子模型架构时需要引用主模型的前桥中心面、车架左右大梁外侧面和大梁上平面等参考元素，在此基础上产生悬架的子模型。图6和图7分别是该底盘的前、后悬架的模型图。

图6 前悬架模型

图7 后悬架模型

    发动机悬置系统由于其自身的独特性，所以建立其子模型比较复杂。但它一样是引用车架子模型中的左后、右后纵梁外侧面和后桥中心面作为自己的关键元素，在此基础上通过复杂的GSD曲面架构自己的子模型。这样，在建立发动机悬置系统各零件及总成时，通过其子模型架构可以很方便地实现约束限制。图8为最后完成的水箱纵置发动机悬置模型图。

图8 发动机悬置模型

    这样，通过装配设计（Assembly Design）模块完成各总成的预装配，就可以建立整个底盘的模型了，如图9所示。

图9 底盘装配模型

    底盘的三维模型建立完成后，为了分析底盘各总成、各总成内部零件之间有无干涉以及零部件安装和维修是否方便，我们可以利用CATIA V5的DMU Space Analysis进行DMU校验。它可以进行碰撞、间隙及接触等干涉检查计算，并得到更为复杂和详尽的分析结果，从而反过来修整底盘主模型。

三、结束语

    我们在CATIA V5平台上完成了对某车型底盘的开发。通过CATIA V5的Catalog Editor（库编辑器）建立了企业的标准结构型材库，极大地缩短了栅格、网格式零部件设计时间，提高了设计效率。同时，在主模型的概念上进行了一些有价值的探索，建立了该车型底盘的主模型，并在主模型的基础上利用CATIA V5的SR1、GSD和PDG等模块完成了该底盘的车架设计、悬架设计以及发动机悬置设计，建立了底盘的三维模型。所有这些都为以后的整车设计提供了极好的借鉴。