CATIA V5及其在轿车数字化工程中的应用

一、前言当今世界，在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，全球制造企业之间的竞争日趋激烈，制造业对市场的快速响应（交货期）在工业发达国家已经成为竞争的焦点。特别是我国加入WTO后，随着汽车制造业保护年限的日益迫近，国内轿车生产企业要想赢得竞争，就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，最快速的响应市场变化，并迅速赢得市场与用户。换句话说，企业就是必须以最短的产品开发时间（T—Time）、最优的产品质量（Q—Quality）、最低廉的制造成本和销售价格（C—Cost）、最好的技术支持和全过程服务（S—Service）、最佳的环保效果（E—Environment）以及最快速的市场适应性（F—Flexibility）来生产适销对路的产品（P—Product），即：“TQCSEFP”，去进入市场，占领市场，进而领导市场。面对不可预测、瞬息多变的市场，企业的生产活动必须具有高度的敏捷性（Agility）、动态性（Dynamic）和柔性（Flexibility）。随着信息技术取得了迅速发展，特别是计算机软硬件技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们以想不到的进步，各种现代先进设计制造技术应运而生，例如：计算机辅助技术（CAX：ComputerAidedDesign、Manufacturing、Engineering…）、计算机集成制造（CIM：ComputerIntegratedManufacturing）等，这些技术的出现和实施，为实现这一目标（TQCSEFP）提供了强有力的支持与保障。二、轿车数字化工程汽车行业的CAD/CAM/CAE技术在二十世纪七、八十年代已经流行，主要以零部件的设计为对象，使得零部件的缺陷大大降低，例如汽车零部件缺陷降低了40%。然而，整机厂却并未得到对应的效益。优化的零部件组成的系统并不能保证是最优的，例如设计完美的制动器与设计优良的悬架及底盘组成的系统，其应用效果并不总是理想的，必须从系统水平进行设计。从九十年代中开始，面向整车设计开发的汽车虚拟制造应运而生。虚拟制造（VM：VirtualManufacturing）是一个处于发展中的新概念。目前比较通行的说法是：虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。尽管虚拟制造技术出现只有短短的几年时间，但它已在汽车业界得到广泛的重视，而且其革命性的影响也很快地显示了出来。典型的例子有：克莱斯勒新型汽车开发周期由36个月缩短至24个月，福特公司也在1999年底宣布开发出了全数字化轿车。奔驰汽车公司1998年之前已经完成了数字化轿车样机，并实现了较强的虚拟现实技术，可在设计阶段对轿车的总体性能匹配和车身系统布置设计等进行直观、全面的仿真分析、评价和改进。虚拟制造技术已被公认为未来汽车设计、开发的必然趋势，也是我国尽快消化、吸收国外先进技术，迅速提高自主设计能力，开发自主知识产权汽车，实现由“追随模式”到“自主开发”的跨越发展的有效手段。轿车数字化工程本质上就是要利用计算机生产出“数字轿车”。不难看出，数字化工程技术是一个跨学科的综合性技术，它包括轿车数字化定义、仿真、可视化、虚拟现实、数据集成、优化等。轿车数字化工程的目标是对轿车整个生命周期（包括设计、开发、加工、生产）的“可制造性”（Manufacturability）的决策支持。“可制造性”又可以进一步分解为“可行性”、“可开发性”、“可加工性”和“可生产性”。这四个方面是相互关联的，因此，应从“数字轿车设计”（形状虚拟样机—ShapeVirtualPrototyping，SVP）、“数字轿车开发”（功能虚拟样机—FunctionVirtualPrototyping，FVP）、“虚拟加工”、“虚拟生产”（虚拟设备与生产线）四个层次提供轿车全生命周期的数字化工程开发的基本支持。三、CATIAV5的发展和技术特点CATIAV5是IBM/DS在充分了解客户的经验、并积累了大量客户的应用需求后基于Windows核心重新开发的新一代高端CAD/CAM软件系统。CATIA——ComputerAidedThree&TwoDimensionalInteractionApplicationSystem，计算机辅助三维/二维交互式应用系统，自1999年3月法国达索系统（DassaultSystems）正式发布第一个版本即CATIAV5R1（CATIAVersion5Release1）以来，平均每年发布2~3个版本，到2003年4月发布的CATIAV5R11（CATIAVersion5Release11），模块总数出最初的12个增加到了146个。将原来运行于IBM主机和AIX工作站环境的V4版本彻底改变为微软WindowsNT环境，99%以上的用户界面图标采用MS-Office形式，并且自己开发一组图形库，使得Unix工作站版本与Windows微机版具有相同的用户界面。CATIAV5充分发挥了Windows平台的优点，一经推出市场后立刻就得到业界广泛的认可，被很多CAD/CAM领域的资深咨询专家评价为第四代CAD/CAM软件，代表了CAD/CAM未来发展的方向。CATIAV5在开发时大量使用了最新和最前沿的计算机技术和标准，其中包括基于JAVA和Web技术、C++语言、面向对象的设计思想（O-O）、STEP-SDAI、OpenGL、OLE/CORBA和VisualBasicJournaling等，这使CATIAV5具有与众不同的鲜明的特点：单一的数据结构，各个模块全相关，某些模块之间还是双向相关；端到端的集成系统，拥有宽广的专业覆盖面，支持自上向下（Top-down）和自下向上（Bottom-top）的设计方式；以流程为中心，应用了许多的相关工业优秀开发设计经验，提供经过优化的流程；创新的用户界面，把使用性和功能性结合起来，易学易用；独一无二的知识工程架构，创建、访问以及应用企业知识库，把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起；先进的混合建模技术，建立在优秀的、可靠的几何实现原理基础上，具有领先的几何建模和混合建模功能；CATIA建立在STEP产品模型和CORBA标准之上，具有在整个产品周期内方便的修改能力，尤其是后期修改；CATIA提供多模型链接的工作环境及混合建模方式，实现真正的并行工程的设计环境；强大的电子样机技术；开放平台，为各种应用的集成提供了一个开放的平台；面向设计的工程分析，作为设计人员进行决策的辅助工具，开放性允许使用第三方的解算器（如NASTRAN）；完善的加工解决方案，唯一建立在单一的基础架构上、基于知识工程、覆盖所有CAM应用；支持电子商务，支持即插即用（Plug＆Play）功能的扩展等。四、基于CATIAV5的数字化轿车⒈数字轿车设计—形状虚拟样机这是支持轿车总体设计的支撑平台，用于数字概念车设计。包括数字轿车造型设计、数字轿车车身设计、数字轿车发动机和底盘零部件设计、数字轿车管路和电子线路设计以及数字轿车电子样机设计。1.1数字轿车造型设计在计算机技术在轿车设计中广泛应用的今天，许多人仍然认为轿车造型设计是属于艺术创作的范畴，全靠造型师的灵感、艺术的想象力和创作意识，计算机几乎无能为力。其实不然，按照传统工艺模式，造型师一般先绘制轿车风格造型图（轴视图或者三视图）；接着根据风格造型图制作1:5（或者1:10）的油泥模型，再从几个视角观察、修改，很可能同时需要几个小模型相互比较，直到造型师觉得其中一个满意为止，定型；根据这个已经定型的比例模型做1:1的全尺寸油泥模型，继续反复手工修改……这样将耗费大量的人力和物力，才能完成最终的造型（造型冻结），周期长、效率低，影响整车开发、制造和投放市场的时间。针对这种情况，CATIAV5开发出一种崭新的造型方式——基于草图的自由曲面设计（FSK：CATIAFreestyleSketchTracer），它可以快速导入造型师绘制的轿车2D风格造型图（Tif、Jpg或者Bmp格式）。达索系统公司采用新的计算机2D图形算法，可以使CATIAV5系统中导入的造型图在不失真的情况下放大：普通的放大，以牺牲原图的分辨率为代价，放的越大，图形分辨率越低，试想一下如果采用普通的算法将造型图放大到实车尺寸大小，分辨率会低得无法从造型图中提取相关的信息，而新的算法完全解决这一问题，可以在不损失分辨率的情况下，将造型图放大到实车尺寸大小。将导入的几张造型图在3D环境中定位后，就可以利用CATIAV5的丰富的曲面造型工具（如FSS等）在造型图的基础上，绘制3D轿车模型。自由曲面设计（FSS：CATIAFreestyleShape）提供了大量基于曲面的实用工具，允许设计师快速生成具有特定风格的外形及曲面。交互式外形修形功能甚至可使设计师更为方便地修改、光顺和修剪曲线和曲面。借助于多种面向汽车行业的曲线曲面诊断工具、可以实时检查曲线曲面的质量。由于系统提供了一个可自由匹配的几何描述，支持NURBS和Bezier数学表达，因而设计师可直接地处理修剪后的曲面，同时保持同其基础外形的相关性。这就大大提高了从最初2D造型图的平面型线构思到最终的3D模型生成这一过程的效率。图一基于CATIAV5的数字轿车造型设计1.2数字轿车车身设计采用快速原型制造（RPM：RapidPrototypingManufacturing）技术，将CATIAV5生成的三维轿车造型数字模型数据传给数控机床，迅速加工出供校验和审批用的1:1轿车物理模型，然后打光，进行局部修改、完善，最后喷漆，定型。返回修改原始的三维造型数字模型，这就涉及逆向工程（RE：ReverseEngineering）技术的应用：形状（几何）反求。利用接触式或者非接触式的测量设备采集轿车物理模型的外表面数据，生成三维点云数据。CATIAV5数字化外形编辑（DSE：CATIADigitizedShapeEditor），可以方便快捷的导入多种格式的点云文件，如：Asciifree、Atos、Cgo等十余种，还提供了数字化数据的输入、整理、组合、坏点剔除、截面生成、特征线提取、实时外形质量分析等功能，对点云进行处理，根据处理后的点云直接生成车身覆盖件的曲面。为了创建更高质量的曲面，CATIAV5创成式曲面设计（GSD：CATIAGenerativeShapeDesign）可根据基础线架与多个曲面特征组合，设计复杂的满足要求的轿车车身。它提供了一套涵盖面广泛的工具集，用以建立并修改用于复杂车身或混合造型设计中的曲面。它基于特征的设计方法，提供了高效、直观的设计环境，包括的智能化工具和定律（law）功能，允许用户对设计方法和技术规范进行捕捉并再用。轿车车身曲面设计的最高级别：汽车A级曲面设计，它的标准是曲面曲率三阶可导，这对三维曲面设计提出了很高要求。针对这一难题，CATIAV5汽车A级曲面设计（ACA：CATIAAutomotiveClassA）采用其独有的逼真造型、自由曲面相关性造型和设计意图捕捉等曲面造型技术，可生成和构造优美、环保的轿车车身外形。它可以大幅度提高工作效率，并方便使用。开创了A级曲面处理的新方法，提高A级曲面造型的模型质量，大大提高了A级曲面设计流程的设计效率并在总开发流程中达到更高层次的集成，将A级曲面整个开发过程提高到一个新的水平。图二基于CATIAV5的数字轿车车身设计1.3数字轿车发动机和底盘零部件设计在对轿车发动机和底盘零部件设计难点仔细研究的基础上，CATIAV5零件设计（PDG：CATIAPartDesign）提供了3D机械零件设计的强大的设计工具。应用“智能实体”的设计思想，广泛使用混合建模、关联特征和灵活的布尔运算相结合的方法，允许设计者灵活使用多种设计手法：可以在设计过程中或设计完成以后，进行参数化处理；可以在可控制关联性的装配