基于CATIA V5知识工程的轿车车身设计

　　目前汽车市场竞争激烈，如何在这样的环境下，对市场需求快速响应成为各个汽车生产商生存发展首要考虑的问题之一。其中轿车车身占总车成本的1/3~1/2，是轿车产品商品性的重要标志。在轿车车身设计中，需要确定驾驶员手操纵范围，使驾驶员处于最佳的动作状态。传统设计方法无法满足当前的市场需求，由此产生了一种新型工程设计系统：基于知识的工程系统(Knowledge based Engineering, KBE)，CATIA V5中的Knowledgeware模块就提供了一个基于知识工程系统的设计平台。

　　在传统设计方法中，由于涉及的产品因素众多，在确定驾驶员手操纵范围需要考虑：国际标准ISO 3958、靠背角、胯关节角、方向盘倾斜角、方向盘直径、H点到踵点的水平距离、H点到踵点的垂直距离、方向盘中心到踵点的水平距离及方向盘中心到踵点的垂直距离等，显然需要花费较长的设计周期。CATIA V5提供的知识工程模块，可以满足此类多因素设计的需求，并将设计周期减少一半。

　　以下从CATIA V5知识工程模块、轿车车身驾驶员手伸及界面确定方法以及具体的操作步骤3方面进行阐述。

　　一、CATIA V5知识工程Knowledgeware

　　KBE实际上是通过知识的驱动和繁衍向工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，即在产品设计时充分考虑企业已有的知识，以及企业标准或国际法规。通过知识被捕捉及正式化，工程师可以自动地利用这些知识，达到最佳设计效果。

　　在CATIA V5知识工程Knowledge ware包含以下7个分模块。

　　1.Knowledge Advisor：知识顾问

　　提供了捕捉工程知识作为嵌入特征、客户化重构、参数利用、公式利用、规则利用、强力拷贝、定义关系以及反应特征等功能。

　　2.Knowledge Expert：知识专家

　　提供了检测规则、规则导入、全局分析检测、客户化检测报表、专家语言系统、规则编辑器、超限特征高亮以及对象条件库等功能。

　　3 . Product Engineering

　　Optimizer：产品工程优化器提供了定义优化过程、定义几何约束、最值寻优、实验方法设计、实验工具设计、生成优化报表以及利用关系定义参数变化范围等功能。

　　4.Product Knowledge Template：

　　产品知识模板提供了设计数据表格化分类、用户特征定义目录、特征搜寻、零件设计模板、装配设计模板、创成式脚本语言以及交互式设计模板等功能。

　　5.Business Process Knowledge

　　Template：业务流程知识模板提供了工作环境创建、技术目标创建、行为创建、行为综合、行为链接、问题检测工具、创成式零件设计表格以及技术条件特征添加等功能。

　　6 . Product Function

　　Optimization：产品功能优化提供了精确描述产品功能系统、可视化产品功能系统、产品功能系统识别、产品功能系统简化、产品解决方案以及输入输出技术优化文件等功能。

　　7.Product Functional Definition：

　　产品功能定义提供了创建图形模板、定义行为组、创建系统、创建变量、零部件产品链接、编辑相关功能元件、图形排列以及变量系统管理等功能。

　　这些模块的综合使用，通过已有的设计经验以及设计标准等，将其转化为知识工程的组成部分，提高了设计效率，为企业生存发展赢得了先机。

　　二、轿车车身设计

　　轿车车身造型是车身设计的关键环节，人体工程学在轿车车身设计中占有极为重要的位置，它是改善轿车使用性能、优化驾驶条件以及提高驾乘舒适度方面的关键。在此过程中，确定驾驶员手操纵范围是一项较为繁琐的工作。确定驾驶员手操纵范围是轿车车身设计中确定方向盘、综合操纵杆以及开关键等的必要条件。它描述了驾驶员以正常驾驶姿势坐在轿车座椅上，身系安全带，右脚置于加速踏板上，一只手握住方向盘时另一只手所能伸及的最大空间曲面。此曲面提供的空间范围，即为驾驶员手操作范围。其中设计参数包括(见图1)：

　　A：靠背角;B：胯关节角;C：方向盘倾斜角;D：方向盘直径;

　　Hx：H点到踵点的水平距离;Hz：H点到踵点的垂直距离;

　　Wx：方向盘中心到踵点的水平距离;Wy：方向盘中心到踵点的垂直距离。

　　国际标准ISO 3958通过综合变量G，将驾驶员手操纵界面分为7档：

　　G<-1.25，-1.24

　　根据不同的轿车车型确定以上参数后，通过G值，即可确定手伸基准面。

　　以下采用G<-1.25，男女驾驶员比例50/50的情况为例，讲述手伸界面的确定方法(见表1)。

　　表1中，Hi指车体座标Z方向距离H点距离。

　　三、CATIA V5知识工程的具体使用方法

　　1.引入设计表(Design Table)

　　关于设计表其定义为：

　　(1)设计表可以创建与管理零件族。这些零件只是在几何上具有差异;

　　(2)通过设计表可以定义机械零件，可以输入输出相关数据;

　　(3)数据表通过外部数据引用驱动文件自动更新，引用的格式可以是Microsoft Excel 文件，也可以是记事本文件。设计表中的列不需要严格与设计参数对应，并且在需要的情况下，仅仅引用设计表中的一部分，通过创建相关，申明需要引用的部分;

　　(4)通过设计表，可以对设计进行检测和规则定义(见表2)。

　　根据表2的规范，驾驶员手操作范围见表3。

　　表3中，L_POINT指驾驶员中心线左侧点;R_POINT指驾驶员中心线右侧点。

　　根据表1 可以计算出驾驶员左侧点共70个，即l_p1至l_p70;驾驶员右侧点共100个，即r_p1至r_p100。

　　2.进入CATIA知识工程模块(如图2)

　　(1)定义6个长度型变量：L_X，L_Y，L_Z，R_X，R_Y，R_Z，如图3所示。

　　(2)导入驾驶员手操作范围表格，CATIA由此自动生成设计表格，如图4所示。

　　(3)此时在CATIA的模型树上，同时自动产生了设计表格(Design table)图标，如图5所示。

　　3.结果

　　利用CATIA自动生成的设计表格绘点，由这些点自动生成曲面，如图6所示。此曲面为汽车车身设计的重要依据，需要参考此曲面的设计部分包括：车内的有效空间以及各部件、总成(座椅、仪表板、方向盘)等的布置位置和尺寸关系;确定各操纵装置的布置，使驾驶员自然、迅速、准确、轻便进行操纵，并且降低操纵疲劳强度;根据人体的生理特性和要求，合理确定一个舒适、美观的乘坐环境。

　　四、结论

　　通过CATIA V5知识工程的运用，在轿车车身的驾驶员手伸及界面的多因素设计中，较大程度地提高了设计效率，对传统的设计方法提高进行了有益的尝试。通过这种方法，将工程技术知识嵌入产品设计特征中，并且具有很好的延续继承性，实现设计共享，产品自动设计，符合有关单位的设计规则。对产品设计的管理和客户化有很好的帮助，便于在设计的早期发现问题，避免了重新设计带来的高成本，在实际中具有一定的推广价值。