基于catiav5的零件参数化设计及运动仿真_杨超云

1、 基于CATIAV5 的零件参数化设计及运动仿真杨超云 ( 武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070) 摘要: 提出了一种基于 CATIA V5 知识工程的参数化设计方法，这种设计方法通过为产品建立一个产品知识库来完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动，方便地将设计原理、规范、准则等设计依据融入 CAD 设计，方便进行实时修改、后期修改以及模型自动更新，提高设计效率。结合在汽车前挡风玻璃刮雨器等机构中常用的曲柄摇杆机构为设计实例，通过 CATIA 知识工程模块实现参数化建模，并对该机构进行了虚拟装配、运动仿真及运动干涉分析。 关键词:CATIA;参数化设计; 虚拟装配; 运动仿真; 曲柄摇

2、杆机构 The Parametric Design of Part Oriented to CATIA V5 and Kinematic SimulationYANG Chaoyun ( School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China) Abstract: A kind of parametric design was discussed based on CATIA V5 knowledge By setting up a knowledge library fo

3、r product， this method can realize the parametric and feature driving Consideration in product design such as design principle，standard，rules is also convenient to be blended into computer aided design It is not only convenient to modify immediately or at later stage，but to auto update the model So

4、the design efficiency is boosted Took the crank and rocker mechanism as an example，which is usually used in the automobile window cleaner，with CATIA knowledge module，the paper realized parametric modeling，then it made virtual assembly，kinematic simula- tion and kinematic interference analysis Keywor

5、ds: CATIA; Parametric design; Virtual assembly; Kinematic simulation; Crank and rocker mechanism 0能的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科。知识工程的核心问题包括知识的表示、知识的利用和知识的获 取三大块。 传统的 CAD 系统无法将研究领域的设计原理、成功的设计方案和专家经验知识融入到最终的产品模型中，且均无法实现知识资源的重用，设计师仍然要在可能犯重复错误的前提下做大量重复工作， 因此， 知识工程与 CAD 结合是现代设计的关键。 引言CATIA V5 软件是由法国达索公司开发的新

6、一代 CAD/CAM/ CAE / PDM 应用系统，它覆盖了产品从概念设计到产品维护的全过程，集设计、分析、制造于一体，广泛应用于汽车制造业。参数化设计是由参数和约束驱动模型， 通过修改参数值，实现模型修改和联动的一种先进设计理念。参数化设计是CAD 中最为重要的应用领域，与传统的建模方式相比，参数化设计具有一定的智能性和演绎推理性，方便于尺寸的反复更新设计，减轻工程设计人员的设计任务。虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，进而通过原动件上施加扭矩等动力，可对机构进行可视化运动仿真。 曲柄连杆机构广泛应用于机械和仪表中，包括汽车刮雨器、仪表指示机构、搅拌机等。例如: 雨刮器中的

7、杆件长度将影响扫过玻璃的面积，是重要参数，故设计过程中属于经常改变的参数，适合参数化设计。笔者以曲柄连杆机构为例，对参数化建模、虚拟装配、装配干涉分析及运动仿真进行了初步探讨。 1. 2 参数化设计原理 参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系表 示，而不需要确定具体数值，是 CAD 技术在实际应用中提出的课题。一般是指零部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的特征，参数与设计对象的控制尺寸和特征有显式对应关系。当赋予不同的参数序列值时，就可驱动原设计对象到新的目标几何形状和特征。参数化设计就是通过尺寸驱动和特征驱动的形式，以独立的几何约束和一定的函数公式关系来进

8、行产品的设计。参数化设计将原有设计中某些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸，计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计2。它不仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。参数化为产品模型的可变性、可重用性，并行设计等提供了手段，使设计人员可以利用以前的模型方便地进行模型的重建，并可以在遵循原设计意图的情况下，方便地改动模型，生成系列化产品。设计者通过定义特征、公式、规则等生成参数、方程、设计表格等对象，设计过程与用户定义的参数化顺序有关。参数 11. 1知识工程与参数化设计原理知识工程 知识工程是一个非常广泛的概念，

9、它是基于知识驱动为基 础的工程设计的新思路。为定义一个模型内对象的不同参数和特性所编写的规则和公式是相互关联的。对于应用知识工程开发的设计，最终用户只需输入、改变工程参数或添加、修改工程规则，系统会根据这些工程规则计算工程参数对产品几何参数的影响，从而驱动最终的几何造型1。 知识工程是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智 化设计有以下特点3: 构、刮水臂、刮水片总成等。当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂， 摆臂带动四连杆机构驱动刮水臂，从而带动挂水片清洗玻璃。下面将建模模拟该四杆机构，因为扫过角度直接影响刮过玻璃的面积，而四杆机构的尺寸又影

10、响摇杆扫过的角度，故杆件长度是设计过程中经常需要修改的参数。 (1)约束。用一定规则或限制条件，建立和规定各元素之 间的关系。 (2)驱动尺寸。在建好约束的前提下，修改某一尺寸参 数，程序将自动检索和计算新要求的参数量，从而驱动修改几何模型。 (3)数据相关。通过修改尺寸参数将改变其他相关模块中的相关尺寸。 (4) 基于特征的设计。将某些重要的平面几何形状定义为特征，并将其尺寸存为可调参数，用来形成实体，并以此为基础进行复杂的几何形体构造。 22. 1虚拟装配与运动仿真的基本原理4虚拟装配 虚拟装配是一种零件模型进行重新定位的过程，根据产品 设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程

11、， 并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程。实 现三维设计过程与实际零部件的设计制造及运动仿真的基础。 在虚拟装配过程中可以发现设计制造中可能出现的问题， 在产品实际生产前采取措施，保证产品的一次性成功，从而降 低成图 1 雨刮器总成本、缩短产品开发周期，并能根据用户需求或市场变化， 快速进行变型设计，增强产品竞争力。 33. 1曲柄摇杆机构参数化设计及其运动仿真构件参数化设计 建立曲柄摇杆机构的三维实体模型，采用自底向上 ( bot- 2. 2 运动仿真 运动仿真是指通过构建运动机构模型，分析其运动规律， 进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件 的速度、加速度、作

12、用力、反作用力和力矩等，其分析结果可以修改零件的结构设计或调整零件材料。DMU 是 CATIA 中运动分析模块，它完全集成于 CATIA 中，可直接调用建模参数进行优化分析，可以进行较为简单的运动机构仿真分析。 tom-up) 的设计建模方法。为此应该首先创建组成四杆机构的 4 个参数化构件的实体模型6。 表 1构建的主要参数变量转动副孔距 a构件厚度 s参数变量初始值80 mm5 mm(1)启动CATIA V5，并进入零件设计 ( Part Design) 模块。2. 3 数字模型运动分析 CATIA 数字模型运动分析 ( KIN: DMU Kinematics) 单元，通过调用已有的多个种

13、类的运动副或者通过自动转换机械装配 约束条件而产生的运动副，依照运动学的原理，以约束自由度 的方式，建立机构，对各种规模的机构进行运动状态模拟，通 过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动状态分析。它 还可以通过与其他 DMU 产品的集成做更多复杂组合的运动仿真分析。 运动分析模型的建立与模型的虚拟装配有着密切关系。运动分析模块是不具备定位功能的，所以需要预先设想好零部件之间所选用的接头方式及各个零件的驱动方式，将其位置放置好，再进入 KIN 创建接头及定义驱动件。并应注意当某两个零件间有新的约束条件定义时，先点击的零件以随后点击的零件为基准，做出相应位置变化5。 (2) 按表 1 设置构件

14、的主要参数变量。 (3) 在草绘器 ( Sketcher) 模块中设计构件的截面图并定义必要的尺寸约束，对设计过程中可能修改的尺寸约束为其定义对应的参数变量。建立构件两端孔中心距尺寸与参数变量之间的公式: PartBody Sketch. 1 Length. 14 Length = a，以便于后续设计修改。完成的参数化截面图如图 2 所示。 图 2 参数化截面图2. 4 雨刮器总成简介 (4) 定义拉伸 ( Pad) 特征，并建立构件拉伸厚度与参数变量之间的公式: PartBody Pad. 1 FirstLimit Length = s，生 雨刮器 ( 如图 1 所示) 含有电动机、减速器、

15、曲柄摇杆机 成构件实体模型，如图 3 所示。图 5 干涉检查对话框3. 4 机构的运动仿真 在 CATIA V5 专用运动仿真图 3 构件的参数化实体模型( DMU Kinematics)模块中进 (5) 修改构件特性，将其名称更改为 L1 ，参数的初始值定义为 80 mm，并以 L1 文件名存储。 行更贴近实际情况的自动运动仿真。下面详细介绍对图 4 所示曲柄连杆机构进行自动运动仿真的方法6。 (1)继上述机构装配设计之后，接着转入 DMU Kinematics (6)重复步骤 (5)，依次将构件名称更改为 L2 、L3 和 L4 ， 运动仿真模块; (2) 固定其中某一构件，使其作为机架来

16、定义仿真机构Mechanism 1; 对应的参数值依次更改为 120、130、125，并分别以 L2 、L3 和L4 文件名存储。其中，摇杆 L2 建模时在孔外有悬臂伸出 80 mm，以模拟汽车雨刮器中的雨刷臂杆， 用于安装雨刮片，便于观察扫过的角度。至此，建立起构成曲柄连杆机构的 4 个构件的参数化实体模型，供装配设计时调用。 (3)激活 Assembly Constraints Conversion 命令，把在装配设计阶段定义的各构件之间的约束关系自动导入到当前仿真机构中; (4)为了能够模拟实际机构中曲柄的连续旋转，需要在曲 3. 2 机构虚拟装配 按自底向上的设计方法在 CATIA V

17、5 装配设计模块中导入已建立的组成铰链四杆机构的 4 个参数化构件模型，在构件之间施加必要的约束，创建机构的虚拟装配模型7 9。 柄和机架两件之间添加旋转扭矩，具体方法是: 激活 Revolute Joint 命令，在随之出现的 Joint Creation: Revolute 对话框中建立曲柄和机架联接铰链，并选择其中的 Angle driven 复选框，实现在该两构件之间添加驱动扭矩; (5) 激活 DMU Generic Animation 工具栏上的命令，在随后出现的 Select 对话框中选择欲进行仿真的机构名称 Mecha- nism1，并在出现的 Kinematics Simul

18、ation-Mechanism 1 和 Edit Simulation 两个对话框中设置曲柄旋转角度范围，通过 Compile Simulation 可生成仿真动画也可直接录制 AVI 文件并导出，这样就可以通过仿真播放器或者多媒体播放器观察仿真动画了。 (1)(2)(3)启动 CATIAV5 装配设计 ( Assembly De-sign) 模块;导入先前建立的 L -L 构件实体模型文件; 1 4 按铰链四杆机构的装配关系分别定义相邻两件之间的 同轴和面贴合约束，结果如图 4 所示。为简化建模，省去铰链轴销。 图 4 曲柄连杆机构装配图图 4 所示铰链四杆机构中构件 L1 -L4 的两孔中

19、心距值依次 图 6 运动仿真截图一为 80 mm、120 mm、130 mm 和 125 mm。当指定 L 为机架时， 4L1 为曲柄，L2 为摇杆，L3 则为连杆。至此，已建立起铰链四杆机构的虚拟装配模型。 由于构成该机构的 4 个构件均为参数化构件，都可以通过修改他们的参数值改变其长度，因此可以按设计要求实时修改任一构件长度或重新定义机架构件而形成其他的机构类型，从而完成对机构的可视化设计和更改。 图 7 运动仿真截图二 采用仿真播放器播放，并截取摇杆摆动的两个极限位置如图 6、7 所示。 3. 3 机构的装配干涉检查 在产品装配设计阶段按要求完成各个构件之间的约束定义后还需对机构进行装配

20、干涉检查，以便及早发现问题，及时修改， 减少错误。通过激活 Clash 命令，并在如图 5 所示的对话框中选择检查类型和范围，进行干涉检查。如有干涉现象，分析原因，及时修改更正。 3. 5 运动干涉分析 运动仿真过程中可进行运动的干涉分析，有两种方法，一种是将装配模块创建的干涉检查通过 Edit Simulation 对话框的 Edit analysis 导入运动仿真模块，同时将 Interference 开关置为 on， 这样在生成模拟动画过程中若有碰撞，则两干涉件轮廓会变为红色，同时特征树中也会标出干涉件，并停止运动，具体设置对话框如图 8、9 所示; 另一种方法是将 DMU Kinema

21、tics运动仿真模块的 clash detection 命令设为 on 或 stop，则在运动过程中有碰撞的区域会显示红色并停止运动，便于观察具体干涉部位。 参考文献:【1】【2】黄晓云，张国忠，张凤赐 基于参数化和专家系统技术的汽车总体设计 CAD 系统J 东北大学学报，2003，24( 8) 【3】李咏红，杜平安 面向对象的参数化 CAD 二次开发方法研究 J 电子科技大学学报，2004，33( 5) : 597 599 【4】刘斌，刘轶娅，韩亚平 CATIA 运动仿真在汽车设计中的应用 J 上海汽车，2006( 7) 【5】孔薇，晏双鹤，杨维新 CATIA 虚拟装配及运动仿真在汽车油门控

22、制器设计中的应用J 北京汽车，2008( 5) 【6】李苏红，刘记，左春柽 基于 CATIA V5 的四杆机构参数化设计及其运动仿真J 长春理工大学学报，2009，32( 2) 【7】丁任亮 CATIAV5 基础教程M 北214 257 【8】尤春风 CATIAV5 机械设计M 北京: 清华大学30 33 ，2007: 械工业，2002: 【9】单岩，谢龙汉 CATIAV5 机械设计应用实例M 北京: 清华大学，2004: 111 125 图 8 Edit Simulation 对话框 作者简介: 杨超云 ( 1987) ，男，汉，山东临沂人，硕士研 究生， 研 究 方 向: 电 动 汽 车。 电 话: yangchaoyun362 163. com。 E-mail:收稿日期: 2011 04 06( 上接第 49 页) 并不是按照理论设计的曲线运动，动力学计算的气门运动规律更接近实际情况。 3结论(1)利用 EXCITE Timing Drive 软件所采用的优化设计与 图 9 Edit Analysis 对话框 动态仿真的方法，能使配气机构具有较佳的充气性能和良好的动态性能。运用系统仿真的方法，可在设计初期进行设计参数变化对性能影响的仿真试验，在新产品开发设计或改进设计过程中， 可大幅度提高其设计精度和效率。 (2) 通过配气机构运动学及动力学