基于CATIA的装备数字样机应用研究

发表时间:2017-08-11 作者: 叶有义*马振利*何德安  来源: 互联网
关键字:CATIA CAD/CAM 
传统装备设计依赖物理样机解决设计中的问题,需要经过多次试制物理样机,以致开发费用昂贵、开发周期长。基于CATIA创建的数字样机可以代替物理样机解决和交流设计过程中的问题,使高质、高效、低成本的装备设计和制造成为可能。以加油车的研制为例,对装备数字样机建立的一般方法和基本流程进行研究,应用CATIA建立了加油车数字样机模型,进行了相关检测,验证了取代物理样机的可行性。

  0 引 言
 

  数字样机DMU(Digital Mockup)是一种新型产品设计和过程开发方法。数字样机指利用计算机建模仿真技术建立与物理样机相似的模型,并对该模型进行评估和测试,获取关于物理模型设计方案的特性,为产品的全寿命周期设计和评估提供支持,达到降低成本和提高效率的目的。
 

  由于装备设计中物理样机的制作、各种功能和技战术性能的测试往往需要花费大量时间和研制成本,而且研制过程中又需要反复修改和试制物理样机以满足设计要求,从而使设计周期大大延长,成本急剧上升。针对这种情况,应用CATIA软件以加油车为例,对以数字化建模及虚拟装配为基础的装备数字样机建立的一般方法和基本流程进行研究。
 

  1 CATIA简介
 

  CATIA是由法国著名飞机制造公司Dassau1t开发并由IBM公司负责销售的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统。CATIA起源于航空工业,其最大的标志客户即美国波音公司,波音公司通过CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统,取得了重大的成功。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA,可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中,可以对产品开发过程的各个方面进行仿真,并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造,乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。作为世界领先的CAD/CAM软件,它提供了完备的设计能力,具备三维几何图形设计、二维工程蓝图绘制、复杂空间曲面设计与验证、三维计算机辅助加工制造、加工轨迹模拟、机构设计及运动分析、标准零件管理等功能模块。从而能够将机械设计、工程分析及仿真和加工等功能有机地结合,为用户提供严密的无纸工作环境,达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低费用的效果。
 

  CATIA功能强大,其运行需要一定的软、硬件环境支持,并进行相关设置:
 

  (1)硬件设施。局域网基础上的高性能Pc机或者工作站,主服务站要求有很高的性能;

  (2)软件设施。具备CATIA产品的相应模块,可进行三维建模、虚拟装配、数字样机评估等功能;

  (3)工作目录环境设置。设定服务区域及模型存放的位置;

  (4)建立零件标准启动模板。使各用户的零件特征具有—致性;

  (5)建立装配标准启动模板。实现在同一环境下的装配;

  (6)配置统一的使用和绘图环境。对长度、密度等配备同一基准,设定可以输出生产用图的背景,包括图框、符号库等;

  (7)标准件、常用件、厂标件的整理。自动调用已存在的零件库及标准件库。
 

  2 在CATIA中建立装备的数字样机
 

  CATIA的强大功能已经显示出,在计算机上可以方便地构造装备及其零部件的三维模型、修改模型、实现模型信息的共享、配合检查和虚拟装配,从而建立其数字样机进行展示、测试和评估。其设计流程如图1所示。
 

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  图1 装备数字样机建立的基本框架结构
 

  该流程给出了从设计任务书的下达到装备的最终物理样机的试制整个过程,其核心是零部件与子系统建模、虚拟装配及装配后的数字样机的测试评估。最终输出试制的物理样机应当是制造完毕即可定型的成熟产品,其所有暇疵已在数字样机的反复测试评估中被发现并修改了。这样避免了物理样机的反复试制,缩短了设计周期,降低了成本。
 

  2.1 数字化模型建立与虚拟装配
 

  现以加油车为例,展示其在CATIA中数字样机建立的过程。
 

  2.1.1 零部件三维数字化模型
 

  装备及各个零部件的三维模型建立的过程其实就是零部件数字化定义的过程。装备各个零部件的数字化定义的价值在于:实现了装备或零部件的几何可视化,从而便于设计、制造和管理人员从外观方面理解装备或零件的构造,可以方便地在计算机上对装备或零件进行重量、平衡和应力的分析;利用包含各种数据参数的三维模型可以实现各种零部件的精确配合,减少设计的错误、更改和返工现象。完整的零件数字模型应该包括:管理参数、形状几何参数、技术参数、精度参数和材料参数,如图2所示。
 

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  图2 零件数字模型
 

  零件各种参数反映在CATIA中的模型上就是各种特征,特征建模是一种高层次上的几何抽象和语义描述;它具有明显的工程化含义,不仅面向几何建模,而且面向加工。特征着眼于完整的表达装备的技术和生成管理信息,目的是运用计算机可以理解和处理的统一数字模型代替传统的设计和施工成套图纸以及技术文档,使得设计、生产和管理各个环节可以平行展开、信息流畅通。
 

  在加油车研制过程中,首先建立该车所需各种零部件三维模型,如过滤分离器、泵、阀等。图3为CATIA中利用特征建模技术建立的过滤分离器三维数字模型,其中包括了过滤分离器的重量、体积、流量、最大最小压差等参数。
 

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  图3 过滤分离器三维数字模型
 

  2.1.2 虚拟装配
 

  虚拟装配就是根据树型结构中各个“构件”的配合与联系关系,定义总成及零件之间装配约束关系。
 

  在创建好虚拟装配系统的零件模型后,利用CATIA中的Assembly Design子模块可以把各个零件模型组装起来,生成各种小型的部件模型或大型的各总成的装配模型。在虚拟装配建立数字样机之前,要先规划建立好装备总装配的树型结构。树型结构的根节点为我们要建立的装备文件,各大总成作为树型结构的一级子节点,对于复杂的总成如包含有过滤分离器、泵、流量计等零部件的泵油系统还有二级甚至三级子节点。在最后完成的装备的数字样机中各个组成零件和子部件之间构成装配关系树中“构件”,它既可以是单个的零件,也可以是很多装配成一个部件的一组零件,也可称之为子系统,如图4所示。由一组零件装配成的加油车泵油系统,它是图5加油车数字样机的一个子系统。
 

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  装配的过程也可以说是装备的可视化的过程,可视化是装备数字样机进行设计或试验过程中最主要的特点之一。通过在虚拟装配试验过程中对可视化的装备三维造型进行交互、设计分析,管理人员可以获取对未来装备的直观和感性的认识。
 

  2.2 数字样机的测试评估
 

  数字样机可以代替物理样机进行各种测试评估。一方面,在CATIA中整机的装配过程能够检查干涉情况、碰撞情况,借助人机工效技术,利用其自带的虚拟人模型库,可以进行人工装配操作的可达性分析、舒适度分析等。另一方面,还可以结合多媒体技术,在装数字样机的虚拟人评估备的装配过程演练中,适时地配上声音、文字、生成avi格式的电影文件。这样装备还没有投入实际生产之前,就可以进行各种展示、评估测试和人员培训等。这对像加油车这样的复杂装备快速投产、避免物理样机的反复试制有着极其重要的现实意义。有利于提高效率,降低开发成本。
 

  3 结论
 

  通过对CATIA中数字样机建立的一般方法和基本流程的研究,建立了加油车的数字样机实例模型,把基于CATIA的数字样机技术应用于装备的研制,可取代物理样机进行相关设计评估,使高质量、高效和低成本的装备设计和制造成为可能。

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