基于CATIA平台的参数化车身设计研究

摘 要：本文针对传统的自底向上的设计方式和建模方法，介绍了自顶向下的设计方式和CATIA参数化的建模方，实现底层零件的快速修改更新；并充分利用父代数据的替换功能，使得零件细节设计工作可以在设计的初期开始，甚至是借用数据库内结构类似的数据。该种参数化设计实现了产品的快速设计、快速更改和并行设计，提高了机车车身的设计效率，节省了开发时间。

关键词：CATIA平台 参数化 车身设计

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0075-03

本文中的CATIA平台的设计多是使用自顶而下的参数化设计方式，设计人员如果要进行方案修改，则只需要将原来的造型图或者布置图等图片或者数据进行更换，系统就能够自动地进行修改，完成零件结构设计的更新或者修改，在此过程中所输入的零件数据参数发生相应的变化，完成零件建模，也在这个过程中零件快速设计和更改就相应完成。

1 设计方式概述

作为一项复杂的设计活动，车身产品的设计合理与否将会影响后续车辆的正常使用。合理的车身设计需要处理好车身不同部分零件之间的关系，使他们相互配合。其中，某一个零件的改动就会对其他零件产生一定的影响，其他零件也要发生相应的改动。为了完善机车的造型设计，工作人员就要不断修改设计方案，直至方案相对完善。一般来说，从第一版的CAS到最后的方案定稿往往会经历多次变更。而在多次变更中，车身设计的思路和造型等都会发生相应的变化，性能也会更为良好。当然，这都是非常正常的。另外，工艺的反馈过程和CAE分析工作也会让结构设计中存在的问题逐渐显现出来，并在此基础上进行相应的修改。过去，车身的零件设计都是利用三维软件进行的，之后软件也会对零件进行相应的装配，从而完成部件的总体设计工作。这种传统的设计行为使得车身设计工作的变更性不高，也增加了设计人员的工作量，设计效率偏低，产品的设计质量也不高。

正如上文所提到的，本文采用的是自顶而下的设计方式。该设计过程，也就是说，要以产品的整体需求为导向，要充分考虑车身零件设计中不同零件之间的约束关系，并考虑其分块关联。在车身设计的总体概念形成以后，工作人员要对单个零件及逆行详细的设计。就目前来说，自顶而下的设计理念已经深入人们的思维，也成为当前CAD设计中的主流设计思想。从结构和功能方面来说，机车可以看成一个大的系统，而这个大系统则是由若干个子系统构成的，零件是最基本的子系统，每个子系统都具有不同的功能。这些不同的子系统之间能够形成一种树形结构。上游的设计目标能够通过断面到达车身的设计中，并关联传递到其他的零件中，从而满足零件的设计需求，也能够实现自顶而下的设计需求。上级的总成会对下级的零件提出相应的设计需求，下级零件要按照上级的设计输入，建立由参数驱动的产品模型，并根据新的参数和关联迅速发展设计更改。

CATIA系统是由IBM公司和达索公司共同研发形成的新一代的CAD软件，也是当前应用范围最广的、效果最为明显的CAD软件。作为计算机辅助三維交互系统，CATIA系统能够为用户提供大量的参数化特征体，让用户能够根据自己的产品特点和实际需要建立参数化的数据特征库。

2 基于CATIA平台的参数化设计分解

近年来，机车工业的迅速发展在给机车零配件企业带来发展机遇的同时，也使企业发展面临诸多挑战。如何降低产品生产成本、提高产品质量成为各个零部件生产企业面临的重要任务。为了在激烈的竞争中占据主导地位，很多企业开始采取CAD技术，提高自身对市场的快速响应能力。正因为如此，各类CAD软件得到了较为广泛的应用，其中CATIA平台拥有广大的用户群体。机车零部件的产品种类较多，而产品的开发过程又是一种顺序过程。在设计之初，设计人员很难考虑到产品的可制造性、可装配性等，因此多次修改才能够达到完善的地步。CATIA等系统的应用并不能一次性满足客户的基本需求，因此，设计人员要根据实际情况输入必要参数，系统在较短时间内生产优化的变型计算结果，从而提高产品的设计效率，缩短设计周期。

CATIA在开发过程中充分应用了先进的技术标准，主要具有以下几个方面的特征：第一，采用单一的数据结构，不同模块之间的数据相关性较强；第二，产品设计集成以流程为中心，能够根据不同的产品类型，提供不同的开发流程；第三，能够更新设计人员的知识经验，加快产品的设计和研发；第四，应用先进的混合建模技术，将几何元素和设计知识都能够统一到模型中；第五，开放性平台，能够为各种应用的集成提供应用架构，它提供的JAVA交互面板等能够提供一个完全一致的开发环境；第六，为并行工程提供设计环境；第六，针对特定的设计开展工程分析；是一种端到端的集成系统。

基于CATIA平台的参数化车身设计要先对各个零件进行详细的设计，并为各个子系统建立断面部分，之后形成product，并为此提供相关的Publication数据。之后，要对各个零件进行具体的设计，协调不同零件之间的约束关系，从而为后续的设计工作提供更好的保障。从功能分解的角度来看，该种自顶而下的设计方法能够满足机车车身的设计要求，并能将这种设计要求分解到不同部件方面，也能实现总体设计目标。从结构分解方面来说，自顶而下的设计是一个自上而下的设计工作，是一个精益求精的设计过程，是一个设计不断分解并最终获得满足的过程。当前机车车身的设计对产品进度提出了更高的要求，并将零部件的设计工作看成是一种模块化和参数化的设计。在零件部分中详细设计的构造中，通过输入不同的条件或者参数，零件部分就会自动或者少量的修改完成，并借助数据库中的已有信息，完成产品的设计工作。总之，自顶而下的设计思路是从整体到局部的设计思路，能够实现车身设计的后期细化调整，并能够进行并行开发。在这个过程中，参数会进行传递，并实现该设计需求。

3 CATIA参数设计过程研究

CATIA软件为参数化设计提供了一个重要的平台，并将概念设计和详细设计有序地结合起来，将其贯穿于整个产品设计过程中，保证设计工作的顺利进行。参数化设计能够存储整个设计过程，并设计出具有高度相似性的产品模型。作为一种全新的思维方式，参数化设计能够积极进行产品的创建和设计的修改，它利用约束来表达出产品的集合特征，并定义一组参数来控制产品设计的结果。在这个过程中，通过参数的调整来实现设计模型的修改，以创建功能或者形状相似的设计方案。

第一，软件设置方面。要在结构数中显示设计的参数值和公式，并显示参数、关联和约束等；在product中要带参数进行外部引用，可以进行手动更新。之后，可以点击f（x）图标，进入formula对话框，新建设计参数。

第二，形成参数化建模的零件树。

第三，进行参数传递。CATIA参数化设计的建模分为断面部分和零件部分。（1）断面部分是对设计造型输入和总布置输入进行出来，并将不同的造型面、线和总布置信息连接到断面部分，进行布置设计工作。输入的是造型和总布置图，输出的则是断面部分。（2）零件部分。这是完整的结构特征设计，输出的是具体的零件。CATIA具有非常完善的参数功能，能够对大概图中的元素进行几何相关性约束，表示出设计人员的设计思路，并在后续设计中进行相应的修改，并对相关的设计尺寸作参数关联，从而达到参数驱动建模的根本目的。一般来说，车身设计需要建立55～80个左右的参数化断面。为了达到断面更新的目的，可以替换不同的造型图，并通过修改其中的相关参数，调整断面结构，防止出现重复断面绘制的情况。为了方便后期的设计修改，一般车身设计过程中会将过程尺寸通过形式控制，并将车身的料厚信息在参数中明确体现出来。作为参数化建模的重要手段，参数关联能够进行定义和控制模型尺寸，对机车零部件设计工作具有十分重要的意义。另外，不同Part之间的参数传递也很重要。这也代表着父Part和子part之间的密切关系和数据关联。一旦前者发生变化，后者的引用元素也会发生相应的变化，从而实现不同Part的参数传递。另外，参数设计还有replace的功能。在造型面、总布置图等发生变化时，就可以利用replace功能发挥替代作用，并实现零件的快速更改，从而达到更新断面的根本目的。另外，该功能的应用也能够发挥Part结构替换的功能，从而优化车身设计。

4 自顶而下的建模方法在参数化车身设计中的应用分析

在车身设计过程中，要使后座腿部的空间更大，就应使R点发生后移，下车身的尺寸也应相应地增长，车身造型也相应地改变。基于CATIA平台的参数化设计方案的应用能够迅速调整车身设计工作。

第一，下车身的更改。车辆下车身的布置断面主要由三个部分构成：机舱、前地板和中后地板。本部分只讨论中后地板的后移，修改中后地板部分的布置断面。中后地板中凸起的位置决定着腿部空间的后移，而凸起位置点与R点是相互关联的。要实现下车身更改，就要使用Replace命令置换总布置图，之后中后地板截面和其周边搭件的断面也会发生相应的后向移动。为了实现车身断面的更新，要安装硬点。断面的改变会使零件部分相应地更新。自顶而下参数的传递会在很短的时间内完成下车身部分的相关修改。

第二，上车身更改。如果上车身的造型发生变化，那上车身的断面也会因此发生变化。以车顶盖后的风挡处为例，断面的输入是后风挡和頂盖的造型面。而顶盖的第一道的翻边与顶盖的分缝和造型面是相互关联的，风挡的涂胶面又是与玻璃面相关联的。在车身设计过程中，工作人员只需要使用Replace命令替换其中的输入数据，断面就会发生自动更新。这样一来，断面的更新也会迅速传递到零件部分，零件部分也会发生实时更新。

第三，Part结构的调整和更改。车身零件细节的更改可以通过part内部参数的修改来实现。以车的内饰车棚安装支架为例，筋的宽度和深度可以通过草图设计进行某些可视化的调整和修改，零件的细节特征也可以随时进行修改。就孔的位置和尺寸方面可以通过内饰提供的输入进行调整，并将孔两侧筋的位置和孔心的位置与零件上下切边关联起来。一旦内饰的安装点发生改变，那么孔两侧筋的位置也会相应地修改，零件的上下切边发生相应的变化，之后零件的细节特征能够自动修改。这样一来，零件的设计初期就能够对相应的设计细节进行随时修改，而后期也能够对不合理之处通过简单的操作改变，使得同步工程得以实现。另外，如果所需要的零件结构的相关数据与数据库中已有的零件结构相类似，那么就可以借用这个数据库内结构类似的数据，对于不相似之处则可以通过少量修改或者替换数据输入来实现。

综上所述，自顶而上建模方法在车身设计中的应用能够在较短时间内实现车身设计的调整和更改，有利于实现车身的优化设计，是车身以及零部件设计过程中的重要方法。

5 结语

基于CATIA平台的参数化车身设计可以迅速的建立自顶而下的产品设计模型，并通过参数替换或修改等功能，提高建模的效率，节省大量修改和反复建模的时间，有效地避免设计过程中的重复劳动，也能够腾出更多的时间进行数据完善。另外，该种设计也能借用内部零件的设计方式，提高设计效率。另外，参数化修改和父代替换的形式使得细节设计更为重要，有利于并行工程的实现，也能够努力缩短设计周期，实现车身的优化设计。车身的优化设计是一项长期的工作，需要多方面因素的协调控制，更需要多个工作人员的共同努力。除了车身设计之外，基于CATIA平台的参数化设计方案已经被广泛应用到车门等设计过程之中，发挥出较大的实用价值，也为机车零部件企业的运营发展提供了良好的思路，极大地提高了这部分企业的市场竞争力，有利于促进我国机车行业的长远健康发展。

参考文献

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