基于CATIA的加油车数字样机建模及应用研究

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CATIA软件是IBM公司和Dassault公司合作推出的高端CAD／CAM软件，现已成为国际航空工业首选的设计软件。它以其强大的曲面设计功能在机械、飞机、汽车、造船等设计领域得到广泛应用，CATIA的曲面造型功能的特点和优势体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。如其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能很好地满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。应用CATlA构造的实体模型可直接应用于ANSYS等分析软件中进行有限元分析。CATIA软件具有与其他三维CAD软件标准的数据接口，方便模型数据的转换。
( v0 u) [  _% d- ~$ P8 B% g$ tCATIA V5是基于Windows平台的全参数化和以特征建模技术为核心的特征造型软件，它与Windows保持一致风格的菜单条、标准的快捷键、上下关联的菜单、多文档界面、可以使不同的Windows应用程序共享数据的OLE集成，使工作快速高效，可显著减少培训时间。零件装配是CATIA基本的、也是最具优势和特色的功能模块，包括创建装配体、添加指定的部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布置装配成员、生成产品的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能?。
2  基于CATIA的三维造型与装配
2．1 草图设计
草图设计是三维设计的起点，其实质是二维线、面设计，具有传统二维软件设计的功能。参数化设计的基本方法是从草图设计开始，通过施加尺寸和几何约束生成草图特征，再应用尺寸驱动技术自动生成零件的三维实体模型，在利用草图技术生成二维轮廓时不必输入轮廓的准确尺寸，可以在以后的参数设计过程中得到。这样，在进行产品设计时，可以随时根据需要调整设计尺寸，而不必在设计之初就明确各设计尺寸，增强了CAD软件的易操作性，更好地实现了人性化设计，而且对于设计系列产品及原产品的改进和零部件的"借用"都方便。
2．2 生成三维零件毛坯
0 [- ]* [* t; X% x6 ^# L5 C' E+ j- }CATIA具有很强的三维实体建模的功能，当用户在草图平面绘制二维图形后，进入零件设计(Part Design)模块，可以通过旋转、拉伸、放样、加肋、拔模等方法生成所需的三维零件毛坯。同时还可利用参数化约束功能，根据需要随时进行修改。设计者可以直接针对零件毛坯进行形体改变，实现了设计过程由"绘图"向"设计"的转变，而且CATIA V5提供的各项具体功能使三维模型的设计更类似于生产加工过程，较好地实现设计与加工的结合。
2．3 完成三维造型
5 |3 ?6 z- }/ U* [CATIA V5提供基于特征的设计，即将特征作为设计的单元，将产品视为特征的有机结合，通过由类到对象的逐步描述来实现具体的形状设计。在生成三维零件毛坯后，可利用打孔、开槽、抽壳、倒角、加凸台、内外螺纹等T具对"毛坯"进行"加工"，最终完成机械零件实体造型。
2．4 完成虚拟装配
6 B6 e4 r% ^9 B. T/ s- z: [6 i虚拟装配是利用虚拟装配技术，在计算机上将三维模型装配到一起，这样可避免物理原型的应用，也可对零部件进行间隙和干涉检验，减少样品差错率。能在产品设计过程中利用各种技术手段如分析、评价、仿真等，并充分考虑产品的装配环节及其相关过程中各种可能因素的影响。在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使设计出的产品不但可以装配，并尽可能降低装配成本和产品总成本，大大缩短设计周期。
" K% U, i* ~4 z% k, d4 B基于CATIA的虚拟装配模式有并行、自下而上和自上而下的产品开发方法，本文重点介绍自下而上的设计方法。先在零件模块中构造各零件的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的位置约束、定位关系，即将零件间的实际配合关系量化为虚拟装配过程中的各零部件实体之间的位置约束关系。这样，零部件的几何体是在装配过程中被利用，而并不是简单地被复制到装配中，真正地实现了零件的"虚拟"装配。
CATIA的装配工作台提供灵活、直观的工具，用来确定各零件间的关系。装配工作台允许用户将各个组成零件和各种子装配件组合到一起形成最终的装配体，在装配环境中，根据定义的约束，零件可以被修改、分析以及重定位HJ。CATIA具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联的一致性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更新，实时反映零部件的最新变化。虚拟装配的步骤：在CArllA所提供的装配工作台上，导人需装配的零、部件(CATIA提供的插入部件的方法主要有插入部件、插入产品、插入新部件和插入已存在的部件等)。然后，对零部件进行适当的约束并建立装配关系，根据不同零件的装配要求，选用不同的约束关系，最后得到完整装配模型。
4 v7 M  m" F2 q/ q与Pro／E相比，使用CATIA进行装配的过程中已经自动建立了2个待装配零件各自的设计基准点的重合关系，便于设计者明确零部件的设计基准与零部件间的装配基准之间的差别。
3 设计举例
以图1所示的蜗杆传动为例，对利用CATIA的建模及其装配的过程和方法进行说明。
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蜗杆传动

3．1 创建蜗杆三维模型
, w, z! l2 E" I1 K  {: I分析蜗杆零件的结构，明确主要特征结构，确定建模步骤。蜗杆是由旋转体、齿槽及键槽组成的零件，其基本特征是一个旋转体。
' J7 s) U# U7 A  l3．1．1 创建蜗杆零件三维模型
(1)在草图模式根据蜗杆毛坯形状绘制毛坯形状草图，建立尺寸约束，诸如尺寸修改、进行倒角等(当然倒角亦可在形成毛坯实体后再进行)。
7 x6 y3 ^- W( \' i2 c(2)在零件设计模式下利用旋转(Shaft)工具生成蜗杆毛坯。
(3)根据蜗杆的参数，计算出蜗杆齿槽的螺距，并根据蜗杆的旋向在曲线曲面模式下生成1条缠绕在蜗杆上的螺旋线，作为开槽扫描导线。
(4)由于阿基米德圆柱蜗杆的端面为阿基米德螺旋线，轴面为斜直线∞]，所以可选择蜗杆轴乎面，在草图模式下，绘制一个梯形(必须是1条闭合曲线)，其底边距轴线的距离正好是蜗杆的齿根圆半径，两侧边与端面的夹角为20。(注意：节圆处两侧边的距离应为分度圆齿槽宽)。
(5)在零件设计模式下利用狭槽(Slot)工具生成1个齿槽；利用阵列工具加工出整个蜗杆齿槽。
- y$ x8 J( O/ i5 M(6)在草图模式下绘制键槽形状，利用拉伸切割(Pocket)工具生成键槽，完成蜗杆的三维建模，如图2所示。
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3．1．2 创建蜗轮零件三维模型
分析蜗轮零件的结构，明确主要组成特征，确定建模步骤。由于蜗轮是由齿圈和齿芯2部分组成，所以应将齿圈和齿芯分开建模，再进行装配。
) T. ], F# h6 Z" T! j- I& Y" w9 T利用CATIA所提供的零件建模平台分别生成蜗杆的齿圈和齿芯，如图3所示。
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3．2 零件的装配
3．2．1导入零部件
. \) \+ i6 S) K, G在CATIA所提供的装配工作台上的产品结构工具栏中，利用插入已有部件功能导人事先已经设计好的蜗轮和蜗杆零件，如图4所示。

3．2．2 建立约束
由于在导入部件的过程中CAITA已建立了蜗杆轴向剖面和位于蜗轮宽度1／2处的端面重合的约束关系，已经保证了其在蜗杆传动的主剖面(中心剖面)上的对齐，在此只须确定另2个方向的约束关系。按照蜗杆传动的中心距要求(中心距在进行蜗杆和蜗轮的实体建模时，根据蜗轮与蜗杆的几何参数计算获得)，建立蜗杆轴线与蜗轮轴线间的偏移约束，确保二者之间的距离满足设计要求，结果如图5所示。

建立蜗轮沿蜗杆轴线的约束关系，即保证"位于蜗杆中部与蜗杆轴线垂直的蜗杆齿侧对称平面"与"蜗轮宽度1／2处剖面上齿槽对称平面"重合(注意：在进行蜗杆和蜗轮的实体建模时必须计算准确，否则将得不到蜗杆和蜗轮的准确工作位置)，保证蜗杆和蜗轮安装在对应的位置上。生成如图1所示的蜗杆传动装配模型。

4 结束语
CATIA三维设计软件提供了完整的设计工具及方便的操作界面，其界面及选项的设计采用了与微软产品一贯的风格，大大缩短使用者对于该软件的学习和适应的周期，在很大程度上改善了3D造型软件操作复杂的弊端。同时，CATIA基于特征的三维实体建模功能使其具有如下优点：
0 g2 t( }" O& b# J  ^$ f(1)继承了利用实体造型软件进行产品设计时，使用者在屏幕上能够直接看到产品的真实三维模型的特点，使其建模思路更加接近于形体本身的构成，造型设计更加直观。
(2)参数化设计便于图形尺寸更改、迅速出图，相对于二维绘图方式，设计人员工作量大大减少，特别是其后参数化的设计为技术人员提供了1个便于设计、便于修改的平台，有利于产品的系列化设计。
1 e3 L2 T* k: n" N(3)采用基于特征的建模思想，利用布尔运算求截交线、相贯线，使工程图绘制速度更快捷，线型精确度更高。
) }; L! X7 v/ I/ `(4)采用虚拟机械装配方法，可以在产品的设计阶段直接检查机械系统各零部件空间装配情况和干涉情况，进一步实现可视化的设计和分析，对实现并行工程具有一定的意义。

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