CATIA V5及其在轎車數字化工程中的應用

1、一、  前言    當今世界，在經濟全球化、貿易自由化和社會信息化的新形勢下，全球制造企業(yè)之間的競爭日趨激烈，制造業(yè)對市場的快速響應（交貨期）在工業(yè)發(fā)達國家已經成為競爭的焦點。特別是我國加入WTO后，隨著汽車制造業(yè)保護年限的日益迫近，國內轎車生產企業(yè)要想贏得競爭，就要以市場為中心，以滿足顧客需求為主線，以技術創(chuàng)新為驅動力，最快速的響應市場變化，并迅速贏得市場與用戶。換句話說，企業(yè)就是必須以最短的產品開發(fā)時間（TTime）、最優(yōu)的產品質量（QQuality）、最低廉的制造成本和銷售價格（CCost）、最好的技術支持和全過程服務（SService）、最佳的環(huán)

2、保效果（EEnvironment）以及最快速的市場適應性（FFlexibility）來生產適銷對路的產品（PProduct），即：“TQCSEFP”，去進入市場，占領市場，進而領導市場。面對不可預測、瞬息多變的市場，企業(yè)的生產活動必須具有高度的敏捷性（Agility）、動態(tài)性（Dynamic）和柔性（Flexibility）。    隨著信息技術取得了迅速發(fā)展，特別是計算機軟硬件技術、計算機網絡技術、信息處理技術等取得了人們以想不到的進步，各種現代先進設計制造技術應運而生，例如：計算機輔助技術（CAX：Computer Aided Design、Manufactu

3、ring、Engineering ）、計算機集成制造（CIM：Computer Integrated Manufacturing）等，這些技術的出現和實施，為實現這一目標（TQCSEFP）提供了強有力的支持與保障。    二、  轎車數字化工程    汽車行業(yè)的CAD/CAM/CAE技術在二十世紀七、八十年代已經流行，主要以零部件的設計為對象，使得零部件的缺陷大大降低，例如汽車零部件缺陷降低了40%。然而，整機廠卻并未得到對應的效益。優(yōu)化的零部件組成的系統(tǒng)并不能保證是最優(yōu)的，例如設計完美的制動器與設計優(yōu)良的懸架及底盤組成的系

4、統(tǒng)，其應用效果并不總是理想的，必須從系統(tǒng)水平進行設計。從九十年代中開始，面向整車設計開發(fā)的汽車虛擬制造應運而生。    虛擬制造（VM：Virtual Manufacturing）是一個處于發(fā)展中的新概念。目前比較通行的說法是：虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現，即采用計算機建模與仿真技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現實，實現產品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。    盡管虛

5、擬制造技術出現只有短短的幾年時間，但它已在汽車業(yè)界得到廣泛的重視，而且其革命性的影響也很快地顯示了出來。典型的例子有：克萊斯勒新型汽車開發(fā)周期由36個月縮短至24個月，福特公司也在1999年底宣布開發(fā)出了全數字化轎車。奔馳汽車公司1998年之前已經完成了數字化轎車樣機，并實現了較強的虛擬現實技術，可在設計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設計等進行直觀、全面的仿真分析、評價和改進。    虛擬制造技術已被公認為未來汽車設計、開發(fā)的必然趨勢，也是我國盡快消化、吸收國外先進技術，迅速提高自主設計能力，開發(fā)自主知識產權汽車，實現由“追隨模式”到“自主開發(fā)”的跨越發(fā)展

6、的有效手段。     轎車數字化工程本質上就是要利用計算機生產出“數字轎車”。不難看出，數字化工程技術是一個跨學科的綜合性技術，它包括轎車數字化定義、仿真、可視化、虛擬現實、數據集成、優(yōu)化等。轎車數字化工程的目標是對轎車整個生命周期（包括設計、開發(fā)、加工、生產）的“可制造性”（Manufacturability）的決策支持。“可制造性”又可以進一步分解為“可行性”、“可開發(fā)性”、“可加工性”和“可生產性”。這四個方面是相互關聯的，因此，應從“數字轎車設計”（形狀虛擬樣機Shape Virtual Prototyping，SVP）、“數字轎車開發(fā)”（功能虛

7、擬樣機Function Virtual Prototyping，FVP）、“虛擬加工”、“虛擬生產”（虛擬設備與生產線）四個層次提供轎車全生命周期的數字化工程開發(fā)的基本支持。    三、  CATIA V5的發(fā)展和技術特點    CATIA V5是IBM/DS在充分了解客戶的經驗、并積累了大量客戶的應用需求后基于Windows核心重新開發(fā)的新一代高端CAD/CAM軟件系統(tǒng)。CATIAComputer Aided Three & Two Dimensional Interaction Application Syste

8、m，計算機輔助三維/二維交互式應用系統(tǒng)，自1999年3月法國達索系統(tǒng)（Dassault Systems）正式發(fā)布第一個版本即CATIA V5R1（CATIA Version 5 Release 1）以來，平均每年發(fā)布23個版本，到2003年4月發(fā)布的CATIA V5R11（CATIA Version 5 Release 11），模塊總數出最初的12個增加到了146個。將原來運行于IBM主機和AIX工作站環(huán)境的V4版本徹底改變?yōu)槲④沇indows NT環(huán)境，99%以上的用戶界面圖標采用MS-Office形式，并且自己開發(fā)一組圖形庫，使得Unix工作站版本與Windows微機版具有相同的用戶界面。

9、CATIA V5充分發(fā)揮了Windows平臺的優(yōu)點，一經推出市場后立刻就得到業(yè)界廣泛的認可，被很多CAD/CAM領域的資深咨詢專家評價為第四代CAD/CAM軟件，代表了CAD/CAM未來發(fā)展的方向。    CATIA V5在開發(fā)時大量使用了最新和最前沿的計算機技術和標準，其中包括基于JAVA 和Web技術、C+語言、面向對象的設計思想（O-O）、STEP-SDAI、OpenGL、OLE/CORBA和Visual Basic Journaling等，這使CATIA V5具有與眾不同的鮮明的特點：單一的數據結構，各個模塊全相關，某些模塊之間還是雙向相關；端到端的集成系

10、統(tǒng)，擁有寬廣的專業(yè)覆蓋面，支持自上向下（Top-down）和自下向上（Bottom-top）的設計方式；以流程為中心，應用了許多的相關工業(yè)優(yōu)秀開發(fā)設計經驗，提供經過優(yōu)化的流程；創(chuàng)新的用戶界面，把使用性和功能性結合起來，易學易用；獨一無二的知識工程架構，創(chuàng)建、訪問以及應用企業(yè)知識庫，把產品開發(fā)過程中涉及到的多學科知識有機地集成在一起；先進的混合建模技術，建立在優(yōu)秀的、可靠的幾何實現原理基礎上，具有領先的幾何建模和混合建模功能；CATIA建立在STEP產品模型和CORBA標準之上，具有在整個產品周期內方便的修改能力，尤其是后期修改； CATIA提供多模型鏈接的工作環(huán)境及混合建模方式，實現真正的并行

11、工程的設計環(huán)境；強大的電子樣機技術；開放平臺，為各種應用的集成提供了一個開放的平臺；面向設計的工程分析，作為設計人員進行決策的輔助工具，開放性允許使用第三方的解算器（如NASTRAN）；完善的加工解決方案，唯一建立在單一的基礎架構上、基于知識工程、覆蓋所有CAM應用；支持電子商務，支持即插即用（Plug Play）功能的擴展等。四、  基于CATIA V5的數字化轎車     數字轎車設計形狀虛擬樣機    這是支持轎車總體設計的支撐平臺，用于數字概念車設計。包括數字轎車造型設計、數字轎車車身設計、數字轎車發(fā)動機和底盤零部件

12、設計、數字轎車管路和電子線路設計以及數字轎車電子樣機設計。    1.1 數字轎車造型設計    在計算機技術在轎車設計中廣泛應用的今天，許多人仍然認為轎車造型設計是屬于藝術創(chuàng)作的范疇，全靠造型師的靈感、藝術的想象力和創(chuàng)作意識，計算機幾乎無能為力。其實不然，按照傳統(tǒng)工藝模式，造型師一般先繪制轎車風格造型圖（軸視圖或者三視圖）；接著根據風格造型圖制作1:5（或者1:10）的油泥模型，再從幾個視角觀察、修改，很可能同時需要幾個小模型相互比較，直到造型師覺得其中一個滿意為止，定型；根據這個已經定型的比例模型做1:1的全尺寸油泥模型，繼續(xù)反復

13、手工修改這樣將耗費大量的人力和物力，才能完成最終的造型（造型凍結），周期長、效率低，影響整車開發(fā)、制造和投放市場的時間。    針對這種情況，CATIA V5開發(fā)出一種嶄新的造型方式基于草圖的自由曲面設計（FSK：CATIA Freestyle Sketch Tracer），它可以快速導入造型師繪制的轎車2D風格造型圖（Tif、Jpg或者Bmp格式）。達索系統(tǒng)公司采用新的計算機2D圖形算法，可以使CATIA V5系統(tǒng)中導入的造型圖在不失真的情況下放大：普通的放大，以犧牲原圖的分辨率為代價，放的越大，圖形分辨率越低，試想一下如果采用普通的算法將造型圖放大到實車尺寸大

14、小，分辨率會低得無法從造型圖中提取相關的信息，而新的算法完全解決這一問題，可以在不損失分辨率的情況下，將造型圖放大到實車尺寸大小。    將導入的幾張造型圖在3D環(huán)境中定位后，就可以利用CATIA V5的豐富的曲面造型工具（如FSS等）在造型圖的基礎上，繪制3D轎車模型。自由曲面設計（FSS：CATIA Freestyle Shape）提供了大量基于曲面的實用工具，允許設計師快速生成具有特定風格的外形及曲面。交互式外形修形功能甚至可使設計師更為方便地修改、光順和修剪曲線和曲面。借助于多種面向汽車行業(yè)的曲線曲面診斷工具、可以實時檢查曲線曲面的質量。由于系統(tǒng)提供了一個

15、可自由匹配的幾何描述，支持NURBS和Bezier數學表達，因而設計師可直接地處理修剪后的曲面，同時保持同其基礎外形的相關性。這就大大提高了從最初2D造型圖的平面型線構思到最終的3D模型生成這一過程的效率。圖一  基于CATIA V5的數字轎車造型設計    1.2 數字轎車車身設計    采用快速原型制造（RPM：Rapid Prototyping Manufacturing）技術，將CATIA V5生成的三維轎車造型數字模型數據傳給數控機床，迅速加工出供校驗和審批用的1:1轎車物理模型，然后打光，進行局部修改、完善，最后

16、噴漆，定型。返回修改原始的三維造型數字模型，這就涉及逆向工程（RE：Reverse Engineering）技術的應用：形狀（幾何）反求。利用接觸式或者非接觸式的測量設備采集轎車物理模型的外表面數據，生成三維點云數據。CATIA V5數字化外形編輯（DSE：CATIA Digitized Shape Editor），可以方便快捷的導入多種格式的點云文件，如：Ascii free、Atos、Cgo等十余種，還提供了數字化數據的輸入、整理、組合、壞點剔除、截面生成、特征線提取、實時外形質量分析等功能，對點云進行處理，根據處理后的點云直接生成車身覆蓋件的曲面。    為

17、了創(chuàng)建更高質量的曲面，CATIA V5創(chuàng)成式曲面設計（GSD：CATIA Generative Shape Design）可根據基礎線架與多個曲面特征組合，設計復雜的滿足要求的轎車車身。它提供了一套涵蓋面廣泛的工具集，用以建立并修改用于復雜車身或混合造型設計中的曲面。它基于特征的設計方法，提供了高效、直觀的設計環(huán)境，包括的智能化工具和定律（law）功能，允許用戶對設計方法和技術規(guī)范進行捕捉并再用。    轎車車身曲面設計的最高級別：汽車A級曲面設計，它的標準是曲面曲率三階可導，這對三維曲面設計提出了很高要求。針對這一難題，CATIA V5汽車A級曲面設計（ACA：

18、CATIA Automotive Class A）采用其獨有的逼真造型、自由曲面相關性造型和設計意圖捕捉等曲面造型技術，可生成和構造優(yōu)美、環(huán)保的轎車車身外形。它可以大幅度提高工作效率，并方便使用。開創(chuàng)了A級曲面處理的新方法，提高A級曲面造型的模型質量，大大提高了A級曲面設計流程的設計效率并在總開發(fā)流程中達到更高層次的集成，將A級曲面整個開發(fā)過程提高到一個新的水平。圖二  基于CATIA V5的數字轎車車身設計1.3 數字轎車發(fā)動機和底盤零部件設計    在對轎車發(fā)動機和底盤零部件設計難點仔細研究的基礎上，CATIA V5零件設計（PDG：CATIA Pa

19、rt Design）提供了3D機械零件設計的強大的設計工具。應用“"智能實體”的設計思想，廣泛使用混合建模、關聯特征和靈活的布爾運算相結合的方法，允許設計者靈活使用多種設計手法：可以在設計過程中或設計完成以后，進行參數化處理；可以在可控制關聯性的裝配環(huán)境下進行草圖設計和零件設計，在局部3D參數化環(huán)境下添加設計約束；由于支持零件的多實體操作，還可以輕松管理零件更改，如進行靈活的設計后期修改操作。此外，PDG圖形化的結構樹可表示出模型特征的組織層次結構，以便更清晰地了解影響設計更改的因素。設計人員可以對整個特征組進行管理操作，以加快設計更改。     作為P

20、DG的補充，CATIA V5線架與曲面設計（WSF：CATIA Wireframe and Surface Design）在零件設計的初始階段，創(chuàng)建上下關聯的線架結構特征元素和基本曲面。線架特征元素和基本的曲面特征元素的使用，大大豐富了現有的3D機構零件設計方法。它所采用的基于特征的設計方法提供了高效直觀的設計環(huán)境，使得曲面和實體混合建模成為可能。    當完成零件設計后，CATIA V5裝配設計（ASD：CATIA Assembly Design）可以幫助設計師用自頂向下（Top-down）或自底向上（Bottom-up）的方法定義和管理多層次的大型裝配結構，可

21、真正實現裝配設計和單個零件設計之間的并行工程。    通過簡單地移動鼠標或選取圖標，設計人員就能將零件拖動到或快速移動到指定的裝配位置；選擇各種形式的機械約束，用來調整零件的位置并建立起約束關系；選擇手動或自動的方式進行更新，可以重新排列產品的結構，并進行干涉和縫隙檢查；無需復制相同零件或子裝配數據，就可以在同一個裝配件或不同裝配件中重復使用。      建立標準零件或裝配件的目錄庫，爆炸圖的自動生成使用對設計的理解非常容易，分析功能可檢查是否發(fā)生干涉以及是否超過了定義的間隙限制。無論多么復雜的裝配，BOM（Bill of

22、Material）表自動生成功能可得到所有零部件的準確信息。柔性子裝配功能可以動態(tài)地切斷產品結構和機械行為之間的聯系，這一獨特的命令能夠在父裝配中移動子裝配的單獨部件，或者管理實例化子部件不同的內部位置ASD提供的這些高效的工作方式，使得裝配設計者可以大幅減少設計時間和提高設計質量。 圖三  基于CATIA V5的數字轎車發(fā)動機和底盤零部件設計    1.4 數字轎車管路和電子線路設計    1.4.1 管路設計    CATIA V5管路設計（PIP：CATIA Piping Des

23、ign）提供完整的工具用于創(chuàng)建、修改和分析管路設計，并進行建檔和管理，該工具主要用于創(chuàng)建能捕獲所有適當設計信息和意圖的智能化管路布置，自動放置彎管、彎頭、三通和減壓閥等標準部件，這種智能化的管路設計功能可使設計人員更高效地實現設計過程并對設計內容進行驗證。PIP功能驅動的設計可確保設計意圖在任何修改中得到貫徹，與設計規(guī)則引擎的集成可實現設計過程的自動化，并可確保企業(yè)的標準在整個設計過程中得到很好地貫徹。    1.4.2 電氣導線布線設計    CATIA V5電氣導線布線設計（EWR：CATIA Electrical Wire Ro

24、uting）根據電氣信號的功能定義，在數字化樣機中進行電纜布局的定義和管理，專門用于電氣系統(tǒng)的物理形狀設計，允許設計人員在虛擬環(huán)境下解決復雜布線問題，同時使鏈接物理電氣系統(tǒng)與其功能性定義成為可能。針對電纜布線的廣泛性，EWR提供了線束的3D設計功能，設計人員可以在虛擬環(huán)境特別是在虛擬維護操作過程中隨意提取物理電纜的功能性用途。    1.4.3 電氣線束安裝設計    CATIA V5電氣線束安裝設計（EHI：CATIA Electrical Harness Installation）是一個專門用于在3D虛擬環(huán)境下進行電氣裝置物理形狀

25、設計的產品，自然地，電氣設計從機械設計環(huán)境開始，然后二者完全集成。在3D環(huán)境和電氣裝置之間可以很方便地進行關聯，也可以很方便地修改。EHI提供了一系列帶有幾何及電氣屬性的標準件，可以在機械裝配中進行線束設計，因此可以得到完整的包含電氣系統(tǒng)的3D電子樣機。由于與機械裝配的集成，電氣線束可以連接在電氣設備上，也可以連接在機械部件上。設計人員可以充分享受了電氣設計與機械裝配完全集成的帶來的益處。    1.4.4 電氣線束展平設計    CATIA V5電氣線束展平設計（EHF：CATIA Electrical Harness Flatte

26、ning）可以將EHI創(chuàng)建的3D線束展平，并產生相關的2D工程圖，以進行檢查和歸檔。EHF提供了一整套工具來根據位置處理線束的不同線段以得到多種解決方案，允許設計人員根據線段的剛性情況來決定是展開，還是繼續(xù)保留原始彎曲形狀。而EHI所定義的3D機械約束關系仍然保留，因此該線段的彎曲半徑和長度仍是被約束的。.4.5 電氣元件庫設計    CATIA V5電氣元件庫設計（ELB：CATIA Electrical Library）專用于建立和管理電氣系統(tǒng)庫，如連接件、電氣設備、電纜束支架、電纜等，以便定義電氣裝置。允許設計人員擴展機械零件和裝配件使其帶有電氣屬性以定義成

27、為電氣設備，使用的目錄庫是機械和電氣共用的。除管理電氣目錄庫以外，ELB還可以根據CSV文件中電氣屬性及數字化電氣系統(tǒng)中設備安裝匹配規(guī)則等有關定義，批處理方式生成電纜定義，包括電氣特性和屬性，以及在設計電氣系統(tǒng)時集成電氣設備所需的兼容規(guī)則的管理等。 圖四  基于CATIA V5的數字轎車管路和電子線路設計    1.5 數字轎車電子樣機設計    電子樣機（DMU：Digital Mock-Up）技術被很多人理解為就是通過三維模型將零件裝配在一起，其實，實現三維是實現電子樣機的最基本的一步。根據歐洲高級信息化技術組織的定義：

28、“電子樣機DMU 是對產品的真實化計算機模擬，滿足各種各樣的功能，提供用于工程設計、加工制造、產品拆裝維護的模擬環(huán)境；是支持產品和流程、信息傳遞、決策制定的公共平臺；覆蓋產品從概念設計到維護服務的整個生命周期?！?#160;   由此可見，電子樣機技術主要是指在計算機平臺上，通過三維CAD/CAE/CAM軟件，建立完整的產品數字化樣機，組成電子化樣機的每個部件除了準確定義三維幾何圖形外，還賦有相互間的裝配關系、技術關聯、工藝、公差、人力資源、材料、制造資源、成本等信息，電子樣機應具有從產品設計、制造到產品維護各階段所需的所有功能，為產品和流程開發(fā)以及從產品概念設計到產品維護

29、整個產品生命周期的信息交流和決策提供一個平臺。    電子樣機技術，不只是單純的3D裝配，具有以下的功能和特點。    （1）與CAX系統(tǒng)完全集成，并以“上下關聯的設計”方式作業(yè)。    （2）提供強大的可視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了DMU漫游和截面透視等先進手段。    （3）具備各種功能性檢測手段，如安裝/拆卸、機構運動、干涉檢查、截面掃描等。    （4）具有產品結構的配置和信息交流功能。由于電子樣機（DMU）技術加強了設

30、計過程中最為關鍵的空間和尺寸控制之間的集成，在產品開發(fā)過程中不斷對電子樣機進行驗證，大部分的設計錯誤都能被發(fā)現或避免，從而大大減少實物樣機的制作與驗證。    CATIA V5的電子樣機功能由專門的模塊完成，從產品的造型、上下關聯的并行設計環(huán)境、產品的功能分析、產品瀏覽和干涉檢查、信息交流、產品可維護性分析、產品易用性分析、支持虛擬實現技術的實時仿真、多CAX支持、產品結構管理等各方面提供了完整的電子樣機功能，能夠完成與物理樣機同樣的分析、模擬功能，從而減少制作物理樣機的費用，并能進行更多的設計方案驗證。1.5.1 電子樣機漫游設計  

31、0; CATIA V5電子樣機漫游設計（DMN：CATIA DMU Navigator）使設計人員可以通過最優(yōu)化的觀察、漫游和交流功能實現高級協(xié)同的DMU檢查、打包和預裝配等。提供的大量工具（如添加注釋、超級鏈接、制作動畫、發(fā)布及網絡會議功能）使得所有涉及DMU檢查的團隊成員可以很容易地進行協(xié)同工作。高效的3D漫游功能保證了在整個團隊中進行管理和選擇DMU的能力。DMN指令自動執(zhí)行和用可視化文件快速加載數據的功能大大提高設計效率。批處理模式的運用進一步改善了存儲管理。借助與其它DMU產品的本質集成，使完整的電子樣機審核及仿真成為可能，滿足設計人員處理任何規(guī)模電子樣機（如轎車等大型裝配體）的需求

32、。     1.5.2 電子樣機優(yōu)化設計    CATIA V5電子樣機優(yōu)化設計（DMO：CATIA DMU Optimizer）能夠生成零件或裝配件的幾何描述替代體，以減少模型數據量，或更好地滿足特定應用的特殊要求。通過只保留外部描述的方式，生成數據量少而表達精確的零件或裝配件。在與供應商交流時僅提供零件簡單的外形信息，保護商業(yè)技術機密。零件外形信息還可以轉換成體積信息來做DMU仿真分析。通過運動包絡體或計算剩余空間大小的方法可以很方便地得到下一步設計的可用空間。對這樣生成的模型很容易進行管理，設計人員可以保存，并在對DM

33、U進行檢查和分析時重新調用。1.5.3 電子樣機裝配模擬設計    CATIA V5電子樣機裝配模擬設計（FIT：CATIA DMU Fitting Simulator）用來定義、模擬和分析裝配過程和拆卸過程，通過模擬維護修理過程的可行性（安裝/拆卸）來校驗原始設計的合理性。FIT可以產生拆卸預留空間等信息以便于將來的設計修改，還可以幫助標識和確定裝配件的拆卸路徑。FIT所提供的的模擬和分析工具可以滿足產品設計、再生利用、服務和維護等各部門的具體要求，直觀顯示、仿真和動畫制作等功能為銷售、市場和培訓等部門提供了有益的幫助。1.5.4 電子樣機運動機構模擬設計

34、60;   CATIA V5電子樣機運動機構模擬設計（KIN：CATIA DMU Kinematics Simulator）通過調用大量已有的多個種類的運動副或者通過自動轉換機械裝配約束條件而產生的運動副，對任何規(guī)模的電子樣機進行運動機構定義。通過運動干涉檢驗和校核最小間隙來進行機構運動分析。KIN可以生成運動零件的軌跡、掃掠體和包絡體以指導未來的設計。它還可以通過與其它DMU產品的集成做更多復雜組合的運動仿真分析，能夠滿足從機械設計到功能評估的各類工程設計人員的需要。    1.5.5 電子樣機空間分析設計   

35、 CATIA V5電子樣機空間分析設計（SPA：CATIA DMU Space Analysis）使用先進的干涉檢查與分析工具、高級的斷面分析工具、測量工具、距離分析工具和3維幾何對比工具等進行最佳的DMU校驗。SPA以交互式或以批處理方式進行碰撞、間隙及接觸等干涉檢查計算，并得到更為復雜和詳盡的分析結果。距離分析和3D幾何模型對比工具能夠分析比較3D幾何模型并將結果進行可視化顯示，運用剖面觀察器，設計人員可以對計算結果進行剖視，并在剖面上進行測量以便更進一步的了解并評估被比較對象之間的差異。SPA通過與CATIA目標管理器（COM）的集成，還能夠進行質量和慣性等物理性質的測量及計算。SPA先

36、進的校驗功能，保證其能夠處理電子樣機審核及產品總成過程中經常遇到的問題，能夠對產品的整個生命周期（從設計到維護）進行考察。圖五  基于CATIA V5的數字轎車電子樣機設計 數字轎車開發(fā)功能虛擬樣機     數字轎車開發(fā)是轎車數字化工程的核心，也是區(qū)別于以往早期零部件級別的虛擬設計最重要的方面，它面向整車系統(tǒng)功能虛擬樣機。產品設計人員在新型轎車開發(fā)的早期就全面考察數字轎車在各種工況下的性能，真正使數字轎車設計由“形似”提高到“神似”，并進行整車系統(tǒng)的調整，使數字轎車功能、成本、安全性、可靠性、舒適性等相互矛盾的性能之間達到系統(tǒng)平衡與優(yōu)化。 &#

37、160;  2.1 人機工程學分析    人機工程學是運用生理學、心理學和醫(yī)學等有關科學知識，研究組成人機系統(tǒng)的機器和人的相互關系，以提高整個系統(tǒng)工效的新興邊緣科學。人機工程學研究在設計人機系統(tǒng)時如何考慮人的特性和能力，以及人受機器、作業(yè)和環(huán)境條件的限制。為了在進行產品設計過程中就很好地解決“人機環(huán)境”之間的問題，CATIA V5最早提出了人體設計與分析（Ergonomics Design & Analysis）解決方案。    2.1.1 人體模型構造    CATIA V5人體模型構

38、造（HBR：CATIA Human Builder）在虛擬環(huán)境中建立和管理標準的數字化“虛擬”人體模型，以在產品生命周期的早期進行人機工程的交互式分析。HBR提供的工具包括：人體模型生成、性別和身高百分比定義、人機工程學產品生成、人機工程學控制技術、動作生成及高級視覺仿真等。一個友好的用戶接口確保了人體因素分析能夠由非人體分析專家進行研究。    HBR能夠滿足來自轎車、工廠設計和電氣產品等行業(yè)的設計工程師、技術支持維修工程師和概念設計師等不同工業(yè)界人士的需要。有效地將HBR與HAA（人體行為分析）、HME（人體模型測量編輯）及HPA（人體姿態(tài)分析）結合起來可以生

39、成更高級的人體模型，得到更詳盡的分析結果，使設計更符合人機工程學對舒適性、功能性及安全性的要求。這些產品的結合可以為設計人員提供人體工程設計詳細的解決方案。    2.1.2 人體行為分析    CATIA V5人體行為分析（HAA：CATIA Human Activity Analysis）作為HBR的輔助模塊，可以對處于虛擬環(huán)境中的人機互動進行特定的分析。HAA的優(yōu)點在于能夠精確地預測人的行為。它提供了多種高效的人體工程學分析工具和方法，可以全面分析人機互動過程中的全部因素。    2.1.3 人體模

40、型測量編輯    CATIA V5人體模型測量編輯（HME：CATIA Human Measurements Editor）允許設計人員通過大量的先進人體測量學工具生成高級的用戶自定義的人體模型。該模型依靠它的指定目標人群，可以用于評價設計與其目標的吻合程度。HME能夠滿足專業(yè)人機工程分析師、技術支持維護工程師等不同設計人員的需要。    2.1.4 人體姿態(tài)分析    CATIA V5人體姿態(tài)分析（HPA：CATIA Human Posture Analysis）可以定性和定量地分析人機工程學上的各種姿

41、態(tài)。人的整個身體及各種姿態(tài)可以從各個方面被全面系統(tǒng)地反復檢驗和分析，以評定駕駛者的舒適性，并可以與以公布的舒適性數據庫中的數據進行比較，來檢查、紀錄和重放人體全身或局部的姿勢，確定相關人體的舒適度和可操作性。界面友好的對話框提供了人體模型各個部位的姿勢信息，顏色編碼技術可以通過使用不同的顏色標記，快速發(fā)現有問題的區(qū)域，重新做出分析，并進行姿態(tài)優(yōu)化。HPA允許設計人員根據自己的實際應用，建立起自己的舒適度和強度數據庫設計，來滿足不同的需要。 圖六  基于CATIA V5的人機工程學分析2.2 工程分析    CATIA V5提供了一套既適于設計人

42、員又適于專業(yè)分析人員使用并且經過工業(yè)驗證的有限元分析解決方案（Analysis & Simulation），用來作為設計人員進行決策的輔助工具，其無與倫比的易用性，使設計人員可以進行設計與分析的反復疊代。與設計的完全集成和關聯，設計人員不需要進行傳統(tǒng)有限元分析軟件的前后置處理，只需在模型上添加載荷和約束，系統(tǒng)就可以對設計進行驗證。CATIA V5的分析解決方案覆蓋了工程分析的各個方面，包括線性的零件和混合裝配分析、接觸分析、屈曲分析、熱機械分析、零件和混合模型的模態(tài)分析、可變形裝配公差分析等。     2.2.1 創(chuàng)成式結構分析  &#

43、160; CATIA V5創(chuàng)成式零件結構分析（GPS：CATIA Generative Part Structural Analysis）擁有先進的前處理、求解和后處理的能力，為產品設計人員和分析工程師提供了一種簡便的應用和分析環(huán)境，允許設計者對零件進行快速的、準確的應力分析和變形分析。GPS所具有的明晰的、自動的模擬和分析功能，使得在設計的初級階段，就可以對零部件進行反復多次的設計和分析計算，從而達到改進和加強零件性能的目的。作為分析運算的核心模塊，GPS集成了一系列的更高級的可定制的專業(yè)級的分析求解工具，可以使設計人員很好地完成機械零件性能評估中所要求的應力分析、振動分析和接觸分析。對于實

44、體部件、曲面部件和線框結構部件都可以在GPS中實現結構分析。在一個非常直觀的環(huán)境中，用戶可以對零件進行自動的應力分析（包括接觸應力分析）和模態(tài)頻率分析。GPS自適應技術支持應力計算時的局部細化，對于計算結果也提供先進的分析功能，例如實時動態(tài)剖面。    建立在GPS基礎上的CATIA V5創(chuàng)成式裝配件結構分析（GAS：CATIA Generative Assembly Structural Analysis）很好地繼承了GPS核心模塊提供的所有的功能，允許設計人員直接對裝配進行定義，可以直接調用通過ASD定義的裝配連接來進行分析。GAS自動地完成以下過程：對每個零

45、件自動化分網格，然后將不能匹配的網格通過獨特的組合機制自動連接?？梢詫崿F對各種類型裝配件結構的應力分析和振動分析，而且通過在多部件之間建立起來的良好的連接關系，使得在整個的分析過程中，模型中各個特定的裝配關系可以得到完美的體現。    2.2.2 Elfini結構分析    CATIA V5 Elfini結構分析（EST：CATIA Elfini Structural Analysis）提供了可以滿足分析專家需求的高級分析選項。EST繼承了GPS的所有功能。同時，它進一步給出了更多的分析類型和補充選項，擴展了GPS功能，以便進行更為高

46、級的前、后處理和分析解算。EST通過與GAS結合使用，既能夠對零件進行結構分析， 也可以對裝配件進行結構分析。作為一個集成化的模塊，EST結合CATIA V5其它設計模塊，提供了完全相關的分析規(guī)范，設計上的變化會直接反映到分析結果的變化，因此可以快速完成高質量的設計。    2.2.3 變形裝配件公差分析    CATIA V5變形裝配件公差分析（TAA：CATIA Tolerance Analysis of Deformable Assembly）提供一套基于單個零件公差，運用變形與裝配分析，對鈑金件進行裝配公差分析預測的工具，能夠

47、預測鈑金零件焊接體（螺釘連接或鉸接）的公差一致性，分析預測過程中會充分考慮裝配中的產品、流程和資源等因素。TAA可以直接應用到設計階段，幫助設計者確定或驗證裝配流程（例如裝配次序或焊接/鉚接次序等）、相應的裝配公差、鈑金結構件的幾何外形與各種屬性值（例如厚度、材料等）。同樣可以應用到生產制造階段，用來發(fā)現一些需要糾正的流程錯誤，而且可以結合靈敏度分析來組織加工過程（例如增加一些新的定位裝置、修改焊接次序）。TAA與CATIA V5其它分析環(huán)境相集成，使設計人員不僅能夠分析單個零部件的有效期影響而且能夠考慮整個裝配過程中發(fā)生的變形，從而為零件優(yōu)化設計和裝配工藝優(yōu)化提供反饋，使產品進行全面質量改進

48、成為可能。圖七  基于CATIA V5的工程分析    2.3 中間數據格式接口    2.3.1 初始圖形交換規(guī)范IGES    初始圖形交換規(guī)范（IGES：Initial Graphics Exchange Specification）是美國國家標準局和工業(yè)界于1975年共同制定并實施的。CATIA V5提供的IGES接口（IGI：CATIA IGES Interface）可以幫助多個CAD/CAM系統(tǒng)并存的制造企業(yè)通過IGES中性數據格式進行數據交換。該實用程序支持IGES V5.3版本，

49、并具有IGES元素名字和CATIA V5幾何元素標識之間的名字匹配管理功能，能夠處理3D線架元素、曲面和剪載曲面元素、等距偏置曲線、表皮和表皮邊界、二次曲線和顏色。轉換完成后，同時產生一個HTML格式轉換報告。設計人員可以在兩個完全不同的系統(tǒng)之間直接進行可靠的雙向數據交換，也可以自動存取IGES文件。    2.3.2 產品模型數據交換標準STEP    1983年12月，國際標準化組織所屬技術委員會TC184（工業(yè)自動化系統(tǒng)技術委員會）下的“產品模型數據外部表示”（External Representation of Product

50、 Model Data）分委會SC4所制定的國際統(tǒng)一CAD數據交換標準：產品模型數據交換標準（STEP：Standard for the Exchange of Product Model Data），到1994年已完成了其中12個分號標準。CATIA V5配備的STEP核心接口（STI：CATIA SETP Core Interface）能自動識別STEP文件類型，支持幾何體和裝配結構，并能夠輸入、輸出拓撲關系（如實體、殼體類零件）。允許設計人員交互式地以STEP AP203和STEP AP214數據格式讀寫數據。圖八  基于CATIA V5的中間數據格式接口 2.4 第

51、三方軟件無縫接口     2.4.1 與ANSYS、NASTRAN的專用接口    基于設計員級的有限元分析及優(yōu)化，由CATIA V5創(chuàng)成式結構分析模塊完成，包括零部件和裝配件的結構分析、靜載分析及模態(tài)分析。    對于復雜的非線性有限元分析可在CATIA V5中進行網格劃分，然后進入市場上流行的有限分析軟件ANSYS或NASTRAN系統(tǒng)中，進行分析計算，最后再由CATIA V5進行后置處理。CATIA V5與ANSYS及NASTRAN分別都有專門的接口，不必做任何數據轉換。NASTRAN還專門針對CAT

52、IA V5開發(fā)了分析模塊V5i。    2.4.2 與ADAMS軟件的專用接口    CATIA V5與市場上流行的動力學分析軟件ADAMS軟件有專門的接口，運行該接口后，ADAMS軟件可在CATIA V5中使用，就像CATIA V5的一個模塊一樣。    虛擬加工    根據虛擬制造的要求，虛擬加工平臺要進行數字轎車可加工性分析，包括零部件制造設計與分析（如：焊接、鈑金和模具）、制造過程碰撞干涉檢驗及運動軌跡檢驗（如：數控加工）等。    3.

53、1 虛擬焊接設計    CATIA V5可以在高效、直觀的環(huán)境中進行焊接裝配設計（WDG：CATIA Weld Design），為設計人員提供了角焊、對接焊、鏟邊焊、坡口焊和型槽焊（V型、U型和J型）等八種類型的焊接設計方法和先進的焊接工藝，用于創(chuàng)建焊接和相關的標注，在3D數字樣機中實現焊接，可使設計者對數字化預裝配、質量慣性、空間預留和工程圖標注等進行詳細的管理。圖九 基于CATIA V5的虛擬焊接設計    3.2 虛擬鈑金設計    CATIA V5提供的鈑金件設計（SMD：CATIA Sheetm

54、etal Design）使用基于模型特征的技術方法專門進行鈑金零件設計，包括許多標準的設計特征，如加強筋、壓印和掃掠特征等。允許設計人員在鈑金零件的非展開表示和展開表示之間實現并行工程。SMD可以直接從草圖或已有實體模型開始，還可以與之前和之后的CATIA V5其它應用模塊如零件設計、裝配設計和工程圖生成模塊等結合使用，因此加強了設計的上游和下游之間的信息交流與共享。    與SMD配合使用的鈑金加工設計（SHP：CATIA Sheetmetal Product）專門應用于鈑金零件的加工準備工作。可將3D折疊的鈑金模型轉換為可加工的展開模型，提供可加工性檢查等實用

55、工具及與其它外部鈑金加工軟件進行數據交換的接口。從而提供了覆蓋鈑金零件從設計到制造的整個流程的完備的解決方案。圖十  基于CATIA V5的虛擬鈑金設計3.3 虛擬模具設計    CATIA V5凹凸模設計（CCV：CATIA Core and Cavity Design）使得設計人員快速和經濟地設計模具加工和生產中所使用的凹模和凸模。CCV可進行模具凹凸模的關聯性定義, 評估零件的可成型性、加工可行性、和凹凸模模板的詳細設計。它的技術標準（是否可用模具成型）可以決定零件是否可以被加工，快速分模工具可將曲面或實體零件分割為帶滑塊和活絡模芯的凹凸模，允許設

56、計人員在凹凸模曲面上填補技術孔、識別分模線和生成分模曲面。     在此基礎上，CATIA V5模具工具設計（MTD：CATIA Mold Tooling Design）通過調用標準庫中已有的部件或自定義的設計，提供快捷、低成本的塑料注射模具的設計工具。MTD支持包括凸凹模固定板定義、組件實例化、注射和冷卻特征定義等模具設計的所有工作，用于定義和管理模具設計。它提供高效的設計環(huán)境，如生成分型線和分型面、設計新類型的模具部件、模具仿真、裝配圖紙生成及模具組裝、加工等。以標準目錄庫（DME、DME-AMERICA、EOC、FUTABA、HASCO、MISUMI、NAT

57、IONAL、RABOURDIN和STRACK等）訪問功能為基礎，通過對組件及其關聯孔的混合實例化，使得模具零件和裝配的自動配置。在的知識驅動的環(huán)境下，與用該模具制造的零件建立強關聯的關系，快速、經濟地創(chuàng)建復雜的注塑模具。 圖十一  基于CATIA V5的虛擬模具設計    3.4 虛擬數控加工設計    CATIA V5 數控加工解決方案是唯一的一個建立在單一的基礎架構上、基于知識工程、覆蓋所有CAM應用的集成解決方案。基于CATIA獨有的產品/流程/資源（PPR）模型，使產品模型、加工工藝和加工時使用的機床、刀具、工裝夾具

58、、人員等加工資源達到高層次的關聯，從而實現高效的更改管理，更好地支持并行工程和管理加工流程。通過集成知識工程的能力使加工自動化和標準化。CATIA V5的NC加工覆蓋了從快速成型、車削到高級5軸切削最全面的加工方法，從而減少管理費用。    3.4.1 高級加工設計    CATIA V5高級加工設計（AMG：CATIA Advanced Machining）可在單一平臺下很方便地進行NC編程，在加工那些復雜的3D零件（例如：轎車車身覆蓋件模具、液力變矩器葉片模具等）時，可以提供的加工操作涵蓋了銑削加工中包括固定軸加工在內的從2軸半到

59、5軸的所有加工流程。CATIA V5系列數控加工設計模塊已經為設計人員提供了一整套加工編程方法。除此以外，AMG還引入了多軸側刃輪廓加工方法和高級的多軸加工方法。    3.4.2 車削加工設計    CATIA V5車削加工設計（LMG：CATIA Lathe Machining）用來方便地定義3D軸類（旋轉類）零件在立式或臥式車床上進行2軸車削和點位加工的NC程序，提供了高級的自動化和知識重用功能。特別針對所有類型的軸類零件，可滿足機加工行業(yè)和裝配行業(yè)，以及需要進行車削加工的所有待業(yè)的需求。對于CAM加工中心，LMG特別偏重于產品

60、的易用性和高水平的加工能力，因此可以作為車間一級的獨立產品使用。    3.4.3多軸曲面加工設計    CATIA V5多軸曲面加工設計（MMG：CATIA Multi-Axis Surface Machining）能夠在多軸模式下方便地定義加工三維零件復雜曲線曲面的NC程序。MMG采用多軸曲面加工操作，配置包括傾斜軸線在內的各種不同的刀具軸線機制，可以選擇多種刀軸策略，包括刀軸的動態(tài)傾斜以防止碰撞，快速生成刀具軌跡，并可將刀具軌跡生成、仿真（材料切除）和編輯緊密地聯系在一起。    MMG特別合適于轎

61、車的電子樣機及模具加工仿真，以5軸聯動的加工為轎車提供高質量的曲面。另外，MMG也能滿足原型加工、5軸切削及特種切削的要求。5軸加工能夠保證加工的快速和精確。MMG的易學易用及強大的加工能力使它既可以作為一個單獨產品在CAM加工中心的某一車間使用，也非常適合于整個CAM加工中心。    3.4.4 兩軸半曲面加工設計    CATIA V5兩軸半曲面加工設計（PMG：CATIA Prismatic Machining）采用2.5軸銑及鉆孔加工技術，模型簡單方便地定義和管理3D零件2軸半銑切和點位加工的NC程序，提供了高級的加工知識重用

62、的功能，支持高速切削技術。刀具可以直接調用外部刀具庫。PMG特別針對工裝和平面類零件（棱柱件），適用于轎車制造和裝配行業(yè)。簡單易用和廣泛適用性的加工能力，使其特別適用于車間一級的CAM加工中心。    3.4.5 三軸曲面加工設計    CATIA V5三軸曲面加工設計（SMG：CATIA 3 Axis Surface Machining）用來定義和管理3軸NC程序，專門針對于3軸加工技術，面向3D幾何體?？梢院苋菀椎囟x3 軸銑切加工和鉆孔操作，可以生成、仿真（材料切削）和分析刀具軌跡?；趫D形對話框的直觀的用戶界面可以快速地進行刀

63、具軌跡定義。實時周期更新技術（Instant Cycle Update Technology）可以快速更新刀具軌跡。高速銑削技術支持所有的操作，刀具可很容易地在刀具庫中創(chuàng)建和存儲。    通過一個集成的后處理器，SMG可以生成包括從刀具軌跡定義到NC代碼生成的整個加工過程。車間加工文檔可以生成為HTML格式文件，與其它CATIA V5設計模塊緊密相關，它能夠有效地進行設計修改和管理。SMG功能涵蓋了轎車全部的制造工藝過程，特別適用于工、模具加工等方面的需求；同時也適用于其它曲面加工流程，如原型加工等；還可以獨立運用于以CAM為中心的加工車間，非常適合于要求高質量、

64、短周期的大型制造企業(yè)。    3.4.6 STL快速成形設計    CATIA V5 STL快速成形設計（STL：CATIA STL Rapid Prototyping）提供了通過刪除或重組三角形單元、填充孔以及整體或局部重新劃分網格的功能來改進網格質量的高級工具?？梢酝ㄟ^對CAD數據劃分網格來快速準確地生成STL文件；可以導入已有的STL文件，顯示網格并分析其質量；還可以微量偏置網格生成實體以及對網格分割與合并。生成的網格可以導出為標準的二進制STL文件提供給快速成型機。圖十二  基于CATIA V5的虛擬數控加工設計 虛擬生產     該平臺將支持生產環(huán)境的布局設計及設備集成、產品遠程虛擬測試、企業(yè)生產計劃及調度的優(yōu)化，進行可生產性分析。包括虛擬設備集成、虛擬生產環(huán)境布局和虛擬計劃與調度。    4.1 虛擬生產線設計    4.1.1 電纜布線設計    CATIA V5電纜布線設計（ECR：CATIA Electrical Cableway Routing）進行電纜系統(tǒng)的3D設計實施，允許在3D空間實現所有在電氣原理圖中定義的電氣組件。ECR能自動管理空間預留項