本文探討了車身的CATIA數字化設計應用相關內容。

　　車身設計流程

　　一輛新車從前期調研到后期的批量生產，需要耗費大量的時間和成本，而車身的開發占據整個車型開發的70%，所以車身的開發在整車開發的過程中尤為重要。圖1所示為一般的車身開發流程。

圖1 車身開發流程

　　CATIA V5在車身設計流程中的應用

　　1.車身總布置階段

　　汽車車身總布置是其他設計階段的前提和基礎，是汽車設計的最初始的步驟，車身總布置的好壞，在很大程度上決定著車身設計的成敗。

　　車身總布置可以初步確定駕駛室長寬高尺寸、前后風窗位置和角度、發動機罩高度、地板平面高度、前圍板位置、座椅布置、內部空間尺寸、方向盤位置角度與操作機構和踏板的相互位置等，對車身的結構設計起控制和指導作用。

圖2 CAITA 2D Layou車身應用

　　在這個過程中，使用CATIA中的2D Layou(LO1)模塊進行車身總布置設計，專門用于加速3D概念設計流程，它能夠使設計師工作在內置2D繪圖功能的3D環境中，使設計師能夠工作在一個多視圖功能的繪圖工作臺上。在這里我們可以直接使用2D的人體模型模板，也可以將其轉換到三維的設計中。2D人體模板利用CATIA的模板化功能進行定制，并把SAE或其他人體標準規范嵌入到模板中，使其更加符合現實的人體設計。該模塊能夠調用一切的二維或三維資源到我們的布置中，可以最大程度上利用資源，大大提高效率。如圖2所示，圖中直接調用目標車型的斷面線，利用模板調用二維人體模型，調用三維的座椅模型等進行布置工作。利用2D概念集合圖形設計3D模型，利用完整的圖紙功能規劃3D模型布局，利用遺留圖紙啟動新項目。

　　2.產品開發階段

　　首先根據所設計車型的規劃方向、實現生產車所需的要點及概念，繪制出能使第三者充分認識這些概念的內容和特點的表達設計的草圖。

　　在外觀概念草圖階段，可以直接利用FSK模塊將造型師的作品(JPG、BMP等格式)直接集成到3D格式中，提供了一個直觀工具箱，幫助我們將二維數據直接轉化為三維數據。該功能可直接將JPG等圖片按照實際尺寸大小擺放到三維空間，使用CATIA的自由曲面和創成式外形設計，繪制出參考線框，生成曲面，直接轉換到加工模塊對其進行數控編程，以用于后期的油泥制作等階段的數控加工模型等功能。該功能快捷、方便、直觀，不用數據轉換，可提高設計效率。

　　從很多概念圖中選出數種方案，使其特征鮮明化，考慮細部形狀布置等問題后，以嚴格的透視圖畫法，畫出效果圖(見圖3)，一般還要畫出正側、正前和正后等效果圖，并且所有的形體變化、裝飾件、附件等都要仔細畫出，給人以真實的質感。

圖3 效果圖

　　現在人們對于汽車的外觀和舒適性要求越來越高，而且汽車的外觀也直接影響其銷售業績，所以在產品生產之前，對其進行真實化的渲染必不可少。在這里可以直接利用一些專業的渲染軟件，對其進行2D的渲染，也可以利用上面步驟做出來的3D模型在CATIA中進行渲染，2D的渲染總有一些視覺差異，而三維的渲染更能突出地表現出空間的效果。

　　隨后，利用工業油泥制作油泥模型(見圖4)，使模型的外表感觀上像真車一樣。

圖4 油泥模型

　　油泥模型制作完成后，通常采用先進的數字化掃描技術將實物的表面和結構細節部分用點的云圖方式在CAD系統中顯示，在油泥模型階段確定之后，利用掃描設備對其進行掃描，得到點云格式的三維數據(見圖5)，利用CATIA軟件中數字化編輯器(DSE)將其直接導入到CATIA的三維環境中，并對其進行下一步驟的A級曲面建模工作。DSE模塊支持多種點云格式文件(txt、igs、stl、asc等各種掃描設備的點云文件)，可以對點云文件進行整理、組合、剔除壞點、截面生成以及實時外形質量診斷等各種操作。

圖5 點云

　　根據所采集的數據點云，開始線圖工作。線圖數據必須滿足A級曲面(見圖6)的要求，這一點非常重要。A級曲面(線圖數據)的建模，利用CATIA專門的A級曲面建模模塊(ICEM SUR DESIGN縮寫ISD)對其進行A級曲面的建模工作。利用該模塊可以生成高質量的A級曲面，并帶有相應的曲面檢查工具，來對A級曲面進行檢測，查找不符合要求的地方，并對其進行修整。該步得到的模型可以直接用于后期的模具設計和加工，整個過程屬于無縫連接，并不需要數據轉換。

圖6 內飾A級曲面

　　以上內容主要是造型工作，而工程設計工作主要是完成車身主斷面、工程設計和分析檢查工作。

　　首先介紹一下主斷面設計工作，主斷面設計對主要截面進行分析，包括布置分析、法規校核、零件的工藝簡單分析和固定點的概念設計等，并對各個零件之間的匹配給出概念設計，做出基本的前期開發布置圖，同時也根據造型定義的縫隙和結構工藝提出最小倒角要求，完成理論的縫隙倒角的概念圖。車身主斷面大概要做55～80個。

　　車身斷面設計作為面向結構設計的發布數據，首先要體現出部件間的配合關系或安裝形式，還要體現出部件間的運動關系、部件間的間隙、部件的料厚、密封膠條的密封形式以及鈑金與內飾件的安裝布置等內容。斷面圖如圖7所示。

圖7 斷面圖

　　好的車身斷面設計的完成等于將白車身的建立完成了80%，剩下的工作就是按照發布的主斷面引入參數化設計，對產品結構進行詳細設計(見圖8)。這個過程主要是通過CATIA的創成式外形設計來進行工作，利用草圖和裝配斷面切割等工具，可以使工作事半功倍。

圖8 三維結構

　　工程設計主要是應用CATIA V5軟件，目前先進主機廠可以實現全無紙化設計，數學模型直接支持模具的設計及制造。在完成上步的車身主斷面設計之后，進行車身零件的具體結構設計，只用CATIA的創成式外形設計(GSD)和自由曲面(FSS)結合采用關聯設計的方式進行車身結構設計。設計生成帶有關聯性的模型文件，在結構發生更改時，只要更改主斷面就可以完成零件的自動生成，并可以生成帶關聯的圖紙，用于指導生產;也可以直接進行模具設計，然后進行加工，完成無紙化的設計。

　　最后，我們必須要進行檢查和校核三維數據，校核的內容包括零部件之間的干涉檢查，各種機構件的DMU、人機校核和雨刮的面積校核等。

　　CATIA的DMU功能非常強大，它的主要價值體現在3個方面：

　　(1)提供各種檔次的可視化功能，用不同方式對電子樣車的任何部位進行審視，評估，低成本地實現形象化，擴展了樣機應用的范圍，實現了對復雜區域的可視化。

　　(2)提供各類對車型或部件間進行功能性分析的手段，包括機構運動、干涉分析、拆裝分析、空間分析和管理等。低成本地進行產品功能性研討，在設計早期階段就發現問題，在設計的各個階段及時大量地進行各種分析，提高設計質量。

　　(3)應用關聯設計，按照自頂向下的設計方式，實現裝配之間、零部件之間和多個幾何體之間的多層次的端到端的各類關聯，實現數字樣機的快速更改，降低成本，快速地進行多方案的評估與研討，實現基于總體參數的各級總成之間及內部零部件的更改，提高設計效率。

　　在人機校核方面，CATIA提供了人體建模模塊、人體姿態分析、人體尺寸編輯和人體動作分析等來完成不同的功能，人體建模模塊可以在三維環境中創建和操作精確的標準數字化人體模型，包括人種、性別、身高百分比定義和人體操作等，可以生成動畫及創建高級視覺仿真等。人體姿態分析可以定性和定量地分析人體姿態的各個方面，可以對人的整個身體及局部姿態進行檢查、評分以及與已公布的舒適性進行比較，從而對人機交互環境中的操作者的舒適度和功效進行評定等。人體尺寸編輯可以制作一些特殊人群人體模型等功能。

　　在人機功能模塊中可以對視野，手伸及面、頭部包絡線等技術驗證參數，以使我們的設計符合實際設計要求。人機工程分析見圖9。

圖9 人機工程分析

　　3.工裝開發階段

　　(1)沖壓模具

　　CATIA在沖壓模具中使用非常廣泛，利用CATIA的知識工程可以方便地建立標準件庫，在進行模具設計過程中就可以直接調用標準件庫，而不是重新建模，使設計變得十分簡單，大大提升效率。

　　(2)夾具

　　CATIA在夾具設計過程中，使用PKT模板技術，將單個夾具建成模板，在夾具設計過程中，不再是單純地調用標準件，而是將整個夾具作為模板直接使用，只要確定一個夾緊點一個桌面就可以直接生成一個夾具，而且可自動生成工程圖，嵌入DMU機構仿真，設計全參數化，帶關聯，在產品發生變更的時候，夾具會自動更新。CATIA的夾具模板設計方式使我們的設計變得輕松簡單，將設計人員從建模過程中解放出來，將精力更多地放在設計本身，使我們的夾具設計更加優化，提升我們的設計效率。

　　結語

　　本文論述了車身設計流程以及在設計流程中CATIA的應用，并結合CATIA V5系統的技術特點，討論了車身設計、開發和制造過程中CATIA V5的具體應用。由此可以深刻體會到CATIA V5已不僅僅是一個簡單的輔助設計工具，它所提供的先進建模與仿真技術，為車身的設計、開發和制造建立了一個相當完善的軟件系統支撐環境，加快了新車型的開發速度，增強了其對市場的快速響應能力，給企業帶來了強大的競爭力。