CATIA V5在汽车数字化工程中的应用

2024年3月16日发(作者：福特大皮卡)

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务ｌ造　訇　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５在汽车数字化工程中的应用　

于英华，郎国军　

（辽宁工程技术大学，机械工程学院，辽宁阜新１２３０００）　

摘要：本文从汽车整个开发周期的角度阐述了ＣＡＴＩＡ　Ｖ５在汽车数字化工程中的应用，包括数字样　

机、形状虚拟样机、虚拟装配等，提出了一个基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的汽车数字化工程开发流程。　

关键词：电子样车；虚拟装配；汽车数字化工程；ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　

中图分类号：ＴＰ３９１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００９－０１　３４（２００７）１　０－００９７－０４　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｃａｒ　

ＹＵ　Ｙｉｎｇ．ｈｕａ．ＬＡＮＧ　Ｇｕｏ－ｊｕｎ　

（Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｆｕｘｉｎ，１２３０００）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　ｉｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｃａｒ　ｆｒ０ｍ　ｔｈｅ　

ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｗｈｏｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅ　ｆｏｒ　ｃａｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｏｃｋ－ｕｐ，ｔｈｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｃａｒ，　

ｔｈｅ　ｖｉｔｕａｌｒ　ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ　ｅｔｃ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｖｉｔｕａｌｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｃａｒ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　ｗａｓ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｃａｒ；ｖｉｔｒｕａｌ　ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｃａｒ；ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　

ｎ＿Ｕ　刖　‘－吾　＿一　

化的软件系统，ＣＡＴＩＡ将机械设计、工程分析仿真、　

数控加工仿真及ＣＡＴ　ｗｅｂ网上解决方案有机地结合　

在一起，为用户提供了严密的无纸工作环境，从而　

随着世界汽车制造业市场的竞争加剧，如何　

提高汽车产品质量、加快产品设计的研发及缩短　

制造周期一直是汽车制造业面临的问题。为了缩　

帮助客户达到缩短设计生产周期，提高质量，减少　

成本的目的。许多世界级的汽车企业都广泛地采用　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５ｔ　。　

短整车开发周期、提高整车设计质量，国内外大　

型汽车企业纷纷引人汽车数字化工程技术。试装完　

成后的电子样车不仅可以用作整车各系统内部或互　

相的静、动态干涉检查，还可以对零部件进行有限　

元和动态仿真分析，从而使许多整车及零部件性能　

试验可以在计算机上进行，大大缩短整车开发时间，　

降低开发费用。本文从汽车整个开发周期的角度阐　

２基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字化汽车工程　

汽车数字化工程技术是一个跨学科的综合性技　

术，它包括汽车数字化定义、仿真、可视化、虚拟　

现实、数据集成、优化等。汽车数字化工程的目标　

是对汽车整个生命周期（包括设计、开发、加工、生　

述了ＣＡＴＩＡ　Ｖ５在汽车数字化工程中的应用，包括　

数字样机、形状虚拟样机、虚拟装配等，提出了一　

个基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的汽车数字化工程开发流程　】。　

产）的“可制造性”（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒａｂｉｌｉｔｙ）的决策支　

持。ＣＡＴＩＡ数字汽车设计一形状虚拟样机是支持汽　

车总体设计的支撑平台，用于数字概念车设计。包　

括数字汽车造型设计、数字汽车车身设计、数字汽　

１　ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的技术特点　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５是ＩＢＭ／ＤＳ开发的个人计算机版本　

车发动机和底盘零部件设计、数字汽车管路和电子　

线路设计以及数字汽车电子样机设计　４】。　

的高端ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ－－体化软件，ＣＡＴＩＡ从产品　

的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解　

２，１数字汽车造型设计　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５开发出一种崭新的造型方式——基　

于草图的自由曲面设计（ＦＳＫ：ＣＡＴＩＡ　Ｆｒｅｅｓｔｙｌｅ　

决方案提供了完整的２Ｄ、３Ｄ参数化建模、电子样　

机建立及数据管理手段，同时，作为一个完全集成　

收稿日期：２００７—０６—２２　

作者简介：于英华（１９６５一）。女，汉，吉林省吉林市人，辽宁工程技术大学教授，工程力学博士，发表论文２０多篇。　

郎国军（１９８２一），男，汉，辽宁省葫芦岛市人，辽宁工程技术大学机械制造及自动化专业在读研究生。　

第２９卷第１０期２００７—１０　【９７】　

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骞、Ｉ　勺　

Ｓｋｅｔｃｈ　Ｔｒａｃｅｒ），它可以快速导入造型师绘制的汽车　

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ＣＡＴＩＡ　

Ｖ５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，放得越大，　

图形分辨率越低，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ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的丰富的曲面造型工具（如ＦＳＳ　

等）在造型图的基础上，绘制３Ｄ汽车模型。自由曲　

面设计（ＦＳＳ：ＣＡＴＩＡ　Ｆｒｅｅｓｔｙｌｅ　Ｓｈａｐｅ）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，如图１所示。　

静　瞢。　ｉ　墨　景鸯，净　…静蛳辫嘲静静”　

图１基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字汽车造型设计　

２　２数字汽车车身设计　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５采用快速原型制造（ＲＰＭ：Ｒａｐｉｄ　

Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技术，将由ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　

生成的三维汽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ｌ：ｌ汽车物理模型，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：Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）技术的应用：形状　

［ｇ８ｌ　第２９卷第１０期２００７—１０　

（几何）反求。利用接触式或者非接触式的测量设备　

采集汽车物理模型的外表面数据，生成三维点云数　

据。ＣＡＴＩＡ　Ｖ５数字化外形编辑器（ＤＳＥ：ＣＡＴＩＡ　

Ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ　Ｓｈａｐｅ　Ｅｄｉｔｏｒ），可以方便快捷的导入多种　

格式的点云文件，如：Ａｓｃｉｉ　ｆｒｅｅ、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，ＣＡＴＩＡ　Ｖ５创成式　

曲面设计（ＧＳＤ：ＣＡＴＩＡ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　Ｓｈａｐｅ　Ｄｅｓｉｇｎ）　

可根据基础线架与多个曲面特征组合，设计复杂的　

满足要求的汽车车身。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，如图２所示。　

汽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，ＣＡＴＩＡ　Ｖ５　

汽车Ａ级曲面设计（ＡＣＡ：ＣＡＴＩＡ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｌａｓｓ　

Ａ）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、　

环保的汽车车身外形。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２基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字汽车车身设计　

２．３数字汽车发动机和底盘零部件设计　

在对汽车发动机和底盘零部件设计难点仔细研　

究的基础上，ＣＡＴＩＡ　Ｖ５零件设计（ＰＤＧ：ＣＡＴＩＡ　

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、ｌ　匐　化　

Ｐａｒｔ　Ｄｅｓｉｇｎ）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　

控制关联性的装配环境下进行草图设计和零件设计，　

在局部３Ｄ参数化环境下添加设计约束；由于支持零　

件的多实体操作，还可以轻松管理零件更改，如进　

行灵活的设计后期修改操作。此外，ＰＤＧ图形化的　

结构树可表示出模型特征的组织层次结构，以便更　

清晰地了解影响设计更改的因素。设计人员可以对　

整个特征组进行管理操作，以加快设计更改。　

当完成零件设计后，ＣＡＴＩＡ　Ｖ５装配设计　

（ＡＳＤ：ＣＡＴＩＡ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　Ｄｅｓｉｇｎ）可以帮助设计师　

用自顶向下（Ｔｏｐ—ｄｏｗｎ）或自底向上（Ｂｏｔｔｏｍ—ｕｐ）　

的方法定义和管理多层次的大型装配结构，可真正　

实现装配设计和单个零件设计之间的并行工程。　

通过简单地移动鼠标或选取图标，设计人员就　

能将零件拖动到指定的装配位置；选择各种形式的　

机械约束，用来调整零件的位置并建立起约束关　

系；选择手动或自动的方式进行更新，可以重新排　

列产品的结构，并进行干涉和缝隙检查；无需复制　

相同零件或子装配数据，就可以在同一个装配件或　

不同装配件中重复使用，如图３所示。　

图３基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字汽车发动机币ｕ底蕊零音Ｉ５件设计　

２．４数字汽车管路和电子线路设计　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５管路设计（ＰＩＰ：ＣＡＴＩＡ　Ｐｉｐｉｎｇ　

Ｄｅｓｉｇｎ）提供完整的工具用于创建、修改和分析管　

路设计，并进行建档和管理，该工具主要用于创建　

能捕获所有适当设计信息和意图的智能化管路布置，　

自动放置弯管、弯头、三通和减压阀等标准部件，这　

种智能化的管路设计功能可使设计人员更高效地实　

现设计过程并对设计内容进行验证。　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５电气元件库设计（ＥＬＢ：ＣＡＴＩＡ　

Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｌｉｂｒａｒｙ）专用于建立和管理电气系统库，　

如连接件、电气设备、电缆束支架、电缆等，以便　

定义电气装置。允许设计人员扩展机械零件和装配　

件使其带有电气属性以定义成为电气设备，使用的　

目录库是机械和电气共用的。除管理电气目录库以　

外，ＥＬＢ还可以根据ＣＳＶ文件中电气属性及数字化　

电气系统中设备安装匹配规则等有关定义，批处理　

方式生成电缆定义，包括电气特性和属性，以及在　

设计电气系统时集成电气设备所需的兼容规则的管　

理等，如图４所示。　

图４基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字汽车管路和电子线路设计　

２．５数字汽车电子样机设计　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的电子样机功能由专门的模块完成，　

从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的　

功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品　

可维护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技　

术的实时仿真、多ＣＡＸ支持、产品结构管理等各方　

面提供了完整的电子样机功能，能够完成与物理样　

机同样的分析、模拟功能，从而减少制作物理样机　

的费用，并能进行更多的设计方案验证。　

ＣＡＴＩＡ　Ｖ５电子样机空间分析设计（ＳＰＡ：　

ＣＡＴＩＡ　ＤＭＵ　Ｓｐａｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）使用先进的干涉检查　

与分析工具、高级的断面分析工具、测量工具、距　

离分析工具和３维几何对比工具等进行最佳的ＤＭＵ　

校验。ＳＰＡ以交互式或以批处理方式进行碰撞、间　

隙及接触等干涉检查计算，并得到更为复杂和详尽　

的分析结果。距离分析和３Ｄ几何模型对比工具能够　

分析比较３Ｄ几何模型并将结果进行可视化显示，运　

用剖面观察器，设计人员可以对计算结果进行剖视，　

第２９卷第１Ｏ期２００７　１０　［９９１　

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、ｌ　

并在剖面上进行测量以便更进一步的了解并评估被　

訇　似　

本文结合ＣＡＴＩＡ　Ｖ５系统的技术特点，讨论了　

比较对象之间的差异。ＳＰＡ通过与ＣＡＴＩＡ目标管理　

器（Ｃ０Ｍ）的集成，还能够进行质量和惯性等物理　

性质的测量及计算。ＳＰＡ先进的校验功能，保证其　

汽车设计、开发和制造全生命周期中ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的　

具体应用，数字样机、形状虚拟样机、虚拟装配等。　

由此可以深刻体会到ＣＡＴＩＡ　Ｖ５已不仅仅是一个简　

单的辅助设计工具，早巳远远超过了在屏幕上定义　

产品的阶段，它所提供的先进建模与仿真技术，为　

能够处理电子样机审核及产品总成过程中经常遇到　

的问题，能够对产品的整个生命周期（从设计到维　

护）进行考察。　现代汽车的设计、开发和制造的建立了一个相当完　

善的软件系统支撑环境，加快了新车型的开发速度　

和增强了其对市场的快速响应能力，无疑会给制造　

企业带来更加强大的竞争力。　

参考文献：　

【１】刘斌，刘轶娅，韩亚平．ＣＡＴＩＡ运动仿真在汽车设计中的　

应用　．上海汽车．２００６，１２（７）：３２—３４．　

【２】高秀华等．工程分析及电子样机模拟：ＣＡＴＩＡ　Ｖ５在工程　

实践中的应用【Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００４．　

【３】肖田元．虚拟制造及其在轿车数字化工程中的应用【ＪＪ．系　

统仿真学报，２００２，１４（３）：３４２—３４７．　

【４】Ｗｉｅｎｓ　Ｇ　Ｊ．Ａｎ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆＶｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ａ］．Ｖｉｒｔｕａｌ　

Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ—Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２ｎｄ　Ａｇｉｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　

图５基于ＣＡＴＩＡ　Ｖ５的数字汽车电子样机设计　

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＡＭＣ　９５）【ｃ】．Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，Ｎｅｗ　Ｍｅｘｉｃｏ，ＵＳＡ　

ｌ９９５．ＥＲＩ　Ｐｒｅｓｓ．２３３—２４３．　

３结论　

｛　｛毒‘　｛毒‘｛毒‘　出Ｉ｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛　｛毒‘｛毒‘｛　

【上接第９６页】　

工出来的不是物理的工件，而是数字表示的鞋楦模　

型，也就是反求工程中需要得到的被测工件的真实　

尺寸。因此我们可以根据数值切割的思想来求解鞋　

楦这个反求问题。　

将测量得到的鞋楦数据的第一圈算到１００圈进　

行数值切割处理，得到了所有点的鞋楦表面数据的　

空间坐标。把鞋楦表面数据在开发的鞋楦ＣＡＤ软件　

中显示出来，如图９所示。　

件中的离散模型，实现了测量数据的还原，该模型　

可用作鞋楦数控编程，为鞋楦及鞋业设计制造的其　

它方面所用。本文提出的原理和方法，已经在我们　

开发的鞋楦ＣＡＤ软件中得以实现，对其它具有复杂　

外形的工业产品的设计与测量具有重要参考价值。　

参考文献：　

【１］王希，石道渝，罗达立等．鞋楦三维数控加工算法分析【ＪＪ．　

重庆大学学报，２０００，９（５）：１０８—１　１　１．　

【２】林砺宗，陈永平，夭思远等．鞋楦数控加工中三维刀补计算　

方法【ＪＪ．组合机床与自动化加工技术，２００３，５：４２—４５．　

【３１陈建良，陈爱萍，童水光．基于ＵＧ的鞋楦ＣＡＤ／ＣＡＭ系统　

开发　．机械设计，２００４，２１（１　１）：３０—３２．　

【４】夭思远，林砺宗，陈永平等．ＯｐｅｎＧＬ在鞋楦三维面形测量　

中的应用　、机械科学与技术，２００４，２３（２）：２３８－２４１．　

图９鞋楦的３Ｄ模型　

【５】胡雪芬，陈爱萍，童水光等．基于点云数据的鞋楦数控编　

程及其仿真【Ｊ１．组合机床与自动化加工技术，２００４，７：１６－　

１８．　

３总结　

本文提出的数值切割，基于鞋楦离散模型展　

开，通过鞋楦坯料的数值切割，得到了鞋楦ＣＡＤ软　

［１ＯＯｌ　第２９卷第１０期２００７—１０　

［６】林砺宗，崔华涛，刘伟．基于有限刀片的数值切割技术．煤　

矿机械，２００７，２８（４）：１３３．１３５．