CATIA软件多模块化、关联化的设计功能,尤其是强大的曲面设计功能,在飞机、汽车、轮船等设计领域得到广泛的应用。近年来,在客车设计的领域,工程师使用CATIA软件辅助客车车身设计的理论和方法也日趋成熟。客车产品设计从二维到三维,再到模拟仿真设计,客车设计技术在不断地革新和发展。对比传统的设计方法,有效地使用计算机辅助设计软件,给客车产品设计带来了质的飞跃。客车产品具有小批量、多品种、定制化程度高的行业特点。在进行客车产品设计时,针对基础车型,建立模块化的三维数据,根据实际条件进行仿真分析和结构分析,按性能要求进行设计和综合评价,以便从多个方案中选择最佳方案,或者直接进行优化设计,就显得尤为重要。
1 CATIA软件与客车车身正向设计
目前,国内客车行业普遍使用CATIA软件进行客车车身的正向辅助设计工作。
1.1 造型设计
在完成前期产品市场调研和市场定位的基础上,造型师根据总布置给出的整车轮廓尺寸和前后悬距离,提供经过评审的整车CAS(Class-A-Surface)数模和四视效果图,分别如图1和图2所示。CATIA软件具有造型设计功能模块,使用CATIA软件可以完成早期的造型设计数模,如图3所示。但;国内造型师普遍青睐Alias、Rhino等专业的(A级曲面建模)造型设计软件完成此项工作。
1.2 分组/总成设计
确定整车的造型后,由总布置在CATIA软件中对CAS数据进行分割处理,给出关键位置的剖视图,布置六大片总成(前/后围、顶盖、左/右侧围和地板骨架)及内外饰和附件等,进行分组/总成设计。
(1)前围总成的布置和设计。前围总成的布置和设计过程,首先要确定关键的A柱、风窗玻璃上/下横梁及与侧围和顶盖搭接的龙门梁。客车车身骨架主要由矩型管和异型管组成。使用CATIA软件中的实体设计(PD)模块,建立车身骨架的基本方法一般有两种,分别为针对单曲管或双曲管的扫略命令和针对直管的拉伸命令,再经过修剪等命令完成模型的修饰。前围A柱的建模方法是:在A柱的外蒙皮分割曲线A上,任意选取一点Q,通过点Q绘制曲线L1的法平面ɑ;再绘制平面ɑ与A柱外蒙皮的交线L2;在平面ɑ上建立工作草图,绘制A柱的矩形截面MNN'M',在蒙皮内侧约束矩形的一个直角点M与Q点的距离为S,再约束与M相邻的直角点N与交线L2的距离也为S(S的值,取决于外蒙的厚度);以截面MNN'M'为轮廓,以曲线L1为扫略线,使用扫略命令,生成A柱模型。从零件制造工艺性的角度出发,前风挡玻璃上/下横梁应尽量设计成单曲管。之后,再根据其它总成的具体要求,布置各种相应的骨架和支架。完成前围骨架总成的三维几何模型,如图4所示。其中,刮水器的布置和校核,可以在三维几何模型完成后,使用CATIA软件中的数字样机(DMU)模块,进行运动仿真和模拟分析,检查刮刷面积是否合理,检查是否与其它部件发生运动干涉。
(2)后围总成的布置和设计。后围总成的布置和设计过程,与前围总成类似,在完成与其它总成的搭接设计后,主要是进行外蒙皮安装方式的布置和后检视门的运动校核。
应该注意的是,后围外蒙皮在后检视门止口区域的安装方向一般有两种:第一种是布置在车身的x方向,由车后向车前固定;第二种是布置在车身的y方向,由车内向车外固定。由于后围外蒙皮两侧外边缘的固定,是在车身y方向由车外向车内固定,所以,如果选择第二种布置方案,就会导致同一部件在车身y方向存在相向的受力情况,限制了后围外蒙皮装配的调节佘量。建议在车身结构允许时,尽可能选择第一种布置方案。在布置后检视门时,应根据不同的造型,选择合适的铰链结构,保证舱门翻起角度、运动过程无干涉、气弹簧支撑力适当和门锁锁止可靠等、完成后围骨架总成的三维几何模型,如图5所示。
(3)顶盖总成的布置和设计。顶盖总成的布置和设计过程,需从以下几个方面综合考虑:顶盖横梁的布置应依据侧窗立柱和门立柱的位置进行布置,尽可能地形成整车封闭环结构,应当恪守侧窗和舱门的制造和装配的工艺性让步于车身上部结构安全性的原则;顶盖纵梁的布置应綜合考虑顶盖外蒙皮的下料规格、行李架(或风道)的断面结构、空调和安全顶窗的开口尺寸等进行布置;安全顶窗的布置应便于车内的通风换气;空调的布置应能够改善前后桥载荷的分布状况;再根据其它总成的要求,布置相应支架。完成顶盖骨架总成的三维几何模型,如图6所示。
图6 顶盖骨架总成的三维几何模型
(4)左/右侧围总成的布置和设计。左/右侧围总成的布置和设计过程,首先应根据地板骨架驾驶区和乘客区的高度及侧窗的高度,布置关键的腰梁和地板搁梁;再根据侧窗布置、舱体布置和底盘布置的要求,布置窗立柱和裙立柱。侧窗和侧舱的划分应尽量保证部件的通用性。主要结构完成后,再根据座椅、行李架和扶手等其它总成的要求,布置相应的支架。完成左/右侧围骨架总成三维几何模型,如图7所示。
图7 左/右侧围骨架总成的三维几何模型