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0 前言 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。 1 CATIA V5的技术特点 CATIA V5是IBM／DS开发的个人计算机版本的高端CAD/CAF/CAM一体化软件，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 V5。 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、生产)的“可制造性”(Manufacturability)的次策支持。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。 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 Sketch Tracer)，它可以快速导人造型师绘制的汽车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系统中导人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，而新的算法完垒解决这一问题，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。  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1：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(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)，可以方便快捷的导人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，用以建立井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，井方便 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任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。  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 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 环境下添加设计约稿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，以加快没计更改。 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。  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。  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，并在剖面上进行测量以便更进一步的了解并评估被比较对象之间的差异。SPA通过与 CATIA目标管理器(COM)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。  3 结论 本文结台CATIA V5系统的技术特点，讨论了汽车设计、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。
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