CAD三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設計平臺

1、本文受到項目號20071658的資助。收稿日期： 20081117作者簡介：第一作者：郝泳濤 (1973-)，男，副教授，工學博士，主要研究方向：企業(yè)信息集成系統(tǒng)、知識處理與挖掘、智能涉及、分布式智能系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術等，(E-mail) HYPERLINK mailto:haoyt haoyt通訊作者：曾錦華 (1985-)，男，在讀博士，(E-mail) HYPERLINK mailto:0mrzeng 0mrzeng第三作者：陳振藝，男，輪胎工程專家，研究方向：輪胎CAD。第四作者：俞平 (1985-)，男，在讀碩士，主研究方向：計算機輔助設計和企業(yè)信息化。CAD三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設

2、計平臺郝泳濤1，曾錦華2，陳振藝3，俞平1 （1. 同濟大學CAD研究中心，上海 200092；2.同濟大學電子與信息工程學院計算機科學與工程系，上海 200092；3.上海輪胎橡膠(集團)股份有限公司輪胎研究所，上海 200245）摘要：在提出自動化智能輪胎設計概念基礎上，系統(tǒng)地闡述了計算機輔助設計（CAD）三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設計平臺的整體架構，包括需求表示、需求分析預處理、產品清單生成、產品清單造型、產品檢驗、輪胎知識庫和輪胎零件庫等模塊；敘述了數(shù)字輪胎設計造型模塊的實現(xiàn)過程和關鍵技術，包括花紋溝截面計算原理和各種花紋溝的造型方案等，同時，還提出了一種改進的計算花紋溝中心線的算法；最后

3、基于CATIA三維造型平臺和自動化語言Visual Basic For Application(VBA)二次開發(fā)工具實現(xiàn)了在詳細需求表示類型下的輪胎設計系統(tǒng)。關鍵字：輪胎數(shù)字化模型；自動化智能輪胎設計；花紋溝造型；CATIA中圖分類號：U463.341，TP11，TP391.9CAD 3-D Digital Tire Model Design Platform HAO Yongtao1, ZENG Jinhua2, YU Ping 1（1.CAD Research Center, School of Electronics and Information, Tongji University,

4、 Shanghai 200092, China; 2.Department of Computer Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3.The Tyre Research Institute of Shanghai Tyre and Rubber (Group) Co., Ltd, Shanghai 200245）Abstract: This paper introduces the concept of automated intelligent tire design as basis,

5、and then systemically presents the general framework of CAD 3-D digital tire model design platform, Its modules include the demand representation, demand pre-analysis, product list generation, product list modeling, testing, tires knowledge-base and tire parts-base. The paper also describes the real

6、izing process and key techniques of the product list modeling module, including calculation principle of groove section and groove modeling scheme, and so on. This paper also introduces an improved algorithm of calculating groove centerline; Finally CATIA platform and VBA toolkit-based tire design s

7、ystem has been completed under detailed demand representation type.Key words: tire digital model; automated intelligent tire design; groove modeling; CATIA為了縮短產品從設計到投放市場的時間，提高企業(yè)的國際競爭力，眾多領域面臨著從傳統(tǒng)的手工或紙張工作到無紙工作的電子化、信息化轉型，輪胎數(shù)字化建模問題成為輪胎設計公司和輪胎研發(fā)中心等機構充分利用原有資源、提高工作效率、促進企業(yè)與制造廠商技術交流的核心，智能輪胎技術及其產品將成為未來的趨勢，輪胎智

8、能化不僅僅是輪胎自身的一場革命，它將帶動輪胎制造工藝技術與生產設備的變革。但是目前有關輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設計平臺的研究工作卻很少。輪胎是一種復雜、多變量的結構體,要想對其進行結構優(yōu)化是非常困難的，本文提出的自動化智能輪胎設計（automated intelligent tire design， AITD）系統(tǒng)是專門的開發(fā)輪胎產品的設計平臺，系統(tǒng)基于流行的大型商用計算機輔助設計軟件，專門針對三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)而設計的一種3D設計過程和模板，該模板最大程度地整合了復雜輪胎產品各種特有的結構特征概念，整合輪胎產品包括轎車輪胎、輕型載貨汽車輪胎、大客車輪胎、農用車輪胎、工程車輪胎、工業(yè)用車輪胎、飛

9、機輪胎、摩托車輪胎。結構特征屬性包括縱溝胎紋、橫溝胎紋、縱橫胎紋和塊狀胎紋四種基本胎紋及其對驅動性、制動性、抓地性、噪音、排水性和滾動阻力等性能的影響機理和評價機制；該系統(tǒng)具備輪胎各零部件之間建模設計任務的拆分，同時又保證各零部件之間的輪胎重要參數(shù)的高度關聯(lián)，使之適合多人員協(xié)同設計；系統(tǒng)整體架構包括需求表示模塊、需求分析預處理模塊、產品清單生成模塊、產品清單造型模塊和產品需求檢驗模塊；附加的輔助系統(tǒng)包括輪胎知識庫和輪胎零件庫。該套系統(tǒng)可以應用于輪胎設計公司、高校輪胎研究機構、大型汽車公司的輪胎研發(fā)中心或獨立的輪胎制造公司的全新輪胎和系列輪胎的概念設計階段。文中系統(tǒng)結合上海輪胎橡膠股份有限公司提

10、供的一份輪胎詳細需求表示文檔，實現(xiàn)了該輪胎三維造型，說明了該系統(tǒng)的有效性和實用性。1 AIDT系統(tǒng)架構AIDT系統(tǒng)架構如圖1所示，增補消息三維模型目標顯示反饋清單需求參數(shù)需求表達獲取模塊需求分析預處理模塊產品清單生成模塊產品清單造型模塊產品需求檢驗模塊輪胎知識庫輪胎零件庫圖1，自動化智能輪胎設計系統(tǒng)架構。Figure 1. System structure of the automated intelligent tire design.其中需求表達獲取模塊中的需求包括概念性需求和詳細需求，概念性需求指輪胎產品的性能指標量化參數(shù)組合，詳細需求指明確提供輪胎輪廓的數(shù)據(jù)、花紋溝數(shù)據(jù)和花紋溝截面數(shù)據(jù)

11、等。需求分析預處理模塊對需求參數(shù)進行分析，主要是針對概念性需求的分析，包括需求預處理和解析，產生一個概念性目標表示，目標產生的過程中必須參考輪胎知識庫中的信息，并產生相應的產品約束；對詳細需求的參數(shù)主要進行參數(shù)合理性分析；產品清單生成模塊主要是根據(jù)概念性目標和相應的約束條件參考零件庫及性能特征屬性量化值，產生出可行的零件組合，這里用可行解的概念表述，可行解并非一定是最優(yōu)解，這個過程中并不是要產生最優(yōu)化的組合，且可行解的數(shù)量每次最多輸出個數(shù)小于一個給定的閾值，可行解就是輪胎零件清單，這里的零件定義為輪胎輪廓類型、橫溝、縱溝、剖面和相互的關聯(lián)信息。清單造型模塊根據(jù)零件清單在CAD軟件中加工出準確的

12、輪胎產品三維模型。產品需求檢驗模塊對輪胎的三維模型應用仿真軟件進行性能分析，比如驅動性和制動性性能等，一些特別的性能需求可以產生實體來實踐測量，如果所有的清單都不滿足要求，則把各種清單的缺陷量化數(shù)據(jù)反饋到產品清單生成模塊，產品清單生成模塊根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)重新根據(jù)零件庫有目標的優(yōu)化組合，重新產生出相應數(shù)量的清單，如此迭代反復，如果遍歷所有的可行解都不滿足需求要求，則反饋消息于零件庫的零件需求增補模塊，并顯示無解狀態(tài)，否則顯示可行的輪胎產品。輪胎零件庫的建立需要大量的原始建模和實際測量工作，包含產品和零部件的數(shù)字化定義。輪胎產品的主框架結構和設計規(guī)則主要體現(xiàn)在產品清單的構成和清單造型的方案設計方面，

13、整個流程體現(xiàn)著自上而下的控制參數(shù)和全局參數(shù)等數(shù)據(jù)流的流動傳遞和處理，從而保證子模塊之間，輪胎零部件之間的相關性和高度設計柔性。2需求表達獲取和分析預處理模塊概念性需求的處理涉及到多目標優(yōu)化和人工智能領域的問題，本文主要就詳細需求的表示形式和整個處理流程做詳細的說明，概念性需求的表示形式和量化過程還有待于進一步研究；詳細需求包含花紋輪廓數(shù)據(jù)文件、花紋溝數(shù)據(jù)文件、剖面數(shù)據(jù)文件和不等深度溝曲線文件，本系統(tǒng)設計了一個結構化的數(shù)據(jù)文件格式，涉及到輪廓文件、縱向花紋溝文件和橫向花紋溝文件；數(shù)據(jù)文件的元數(shù)據(jù)為直線和圓弧，分別表示為LINE 起始點X軸坐標 起始點Y軸坐標 終點X軸坐標 終點Y軸坐標ARC 圓

14、心X軸坐標 圓心Y軸坐標 圓半徑 起始弧度 終止弧度花紋溝的表示形式為花紋溝i （上|左)端點位置 （下|右)端點位置 深度計算曲線代號花紋溝i（左|上）曲線 線段數(shù)量 剖面代號元數(shù)據(jù)集合花紋溝i（右|下）曲線 線段數(shù)量 剖面代號元數(shù)據(jù)集合 分析預處理模塊中針對詳細需求中的數(shù)據(jù)進行合理性分析，比如花紋溝元數(shù)據(jù)之間是否銜接、剖面的寬度是否超過花紋溝寬度等，其產物是被驗證過的合法數(shù)據(jù)，并直接送到造型模塊進行輪胎產品三維造型。3產品清單造型模塊 輪胎產品的造型方案是本文論述的重點，也就是三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)平臺所應用的造型設計模板，目前輪胎造型的方法可歸納為三種：（1）使用Sketcher模塊繪制

15、草圖，然后通過修改約束形成準確的輪胎斷面輪廓圖；使用曲面造型模塊直接在輪胎斷面輪廓的旋轉曲面上繪制一節(jié)距花紋；利用實體造型模塊對復雜的曲面進行填充，生成實體。（2）利用數(shù)學方法計算生成其截面控制點, 利用程序讀取控制點坐標, 直接在CATIA軟件曲面設計環(huán)境中, 自動生成各剖面的Spline曲線, 然后采用CATIA高級曲面的“Loft”命令完成復雜曲面的造型設計。（3）根據(jù)輪胎和輪胎花紋的特征，找到輪胎花紋曲線上的點從平面到立體的函數(shù)轉換，生成空間曲線，然后生成花紋的截面?；y直壁面的生成方法也主要有兩種，通過以花紋曲線為引導線，與輪胎表面的法線成一定脫模斜度的直線為截面線，引導生成；使用曲

16、面造型設計中的多截面掃描，通過控制截面的角度，準確完成復雜曲面的造型設計。方案（1）更適合于手工繪制，難以用編成實現(xiàn)。方案（2）和（3）在處理復雜多變的花紋溝時顯的繁雜，需要過多的人工干預，自動化程度較低。本文提出了一種既利于編程實現(xiàn)，同時也滿足精度要求的解決方案。系統(tǒng)以CATIA V5R18版本為載體研究輪胎的三維造型并通過CATIA自帶的VB語言實現(xiàn)了該模塊；通過充分利用CATIA的實體造型和曲面造型功能，利用其多截面實體造型功能和實體之間的聯(lián)合修剪實現(xiàn)一節(jié)距輪胎的實體造型，最后通過CATIA的環(huán)形陣列實現(xiàn)整個輪胎的三維造型。造型模板流程如圖2所示，其中每個方框代表一個系統(tǒng)模塊，流程線表示

17、模塊執(zhí)行條件或順序，見圖2。圖2，造型模板流程。Figure 2. Modeling template processes.4花紋溝造型關鍵技術以下將詳細介紹清單造型模塊中的花紋溝造型關鍵技術，主要涉及多截面實體造型所需的引導線的生成，和各截面的計算等技術難點。4.1平面花紋溝草圖線到輪胎外表面的映射此過程就是引導線的生成過程，通過讀取輪廓數(shù)據(jù)文件和花紋溝數(shù)據(jù)文件，獲得輪胎輪廓外表面圓弧的半徑，在絕對坐標系統(tǒng)的特定草圖中繪制花紋溝草圖線，花紋溝i（左|上）曲線和花紋溝i（右|下）曲線分別繪制在單獨的草圖中，以生成花紋溝i的兩條獨立的引導曲線，再把繪制好的花紋溝草圖通過投影操作映射到一節(jié)距輪胎外

18、表面曲面上，整個過程主要借助于CATIA的投影功能。由于有些花紋溝特別是橫溝會延伸到胎肩部分，為了處理胎肩上的溝槽，在投影操作之前，必須對輪胎輪廓單位旋轉體上的幾段曲面進行曲面拼接運算，以生成統(tǒng)一的曲面體。本系統(tǒng)在溝造型中的引導線分為1線、2線、3線、4線和5線五種分級引導體系。4.2截面計算原理由于系統(tǒng)中輪胎花紋溝數(shù)據(jù)只提供垂直于某花紋溝曲線的左右或上下兩個半邊剖面數(shù)據(jù)；截面生成過程就是在某特定位置的截面草圖中繪制計算后的左右或上下兩個半邊剖面數(shù)據(jù)，然后再用一條直線把兩個半邊剖面數(shù)據(jù)末端點連接起來，再繪制一些輔助的線段，使草圖線閉合。剖面數(shù)據(jù)離散投影計算分為數(shù)據(jù)離散過程和數(shù)據(jù)投影計算過程；數(shù)

19、據(jù)離散過程指把由若干線段和圓弧組成的剖面數(shù)據(jù)轉化為若干點二維信息的過程；數(shù)據(jù)投影計算過程是通過三角關系計算實現(xiàn)的；通過對花紋溝線段間的角度計算，把離散化后點的軸坐標值除以實現(xiàn)投影運算，離散點的Y軸坐標即深度信息不變。角度通過向量點積公式計算：。截面草圖位置的確定分為花紋溝對稱線段結構（如圖3a所示）和不對稱線段結構（如圖3b所示）兩種情況處理。以下主要論述對稱線段結構類型，對稱線段結構指的是花紋溝上（左）草圖與下（右）草圖具有相同數(shù)量、同等類型線型相互連接組成，比如同樣為線弧線混合順序連接線型結構；并定義兩線的接合點處為接合點，也稱中間接合點，如果中間接合點的上下或左右兩段溝的寬度相同，則稱該

20、接合點為等寬接合點，首末線段的端點也稱接合點，稱端點接合點。通過投影操作后的引導線也適用于該定義，下（右）草圖的投影對應的接合點稱下（右）接合點。截面草圖坐標系統(tǒng)定義為以下（右）接合點為坐標原點，下（右）接合點與對應的上（左）接合點的連線為軸方向，軸通過輪胎外輪廓圓弧圓心；花紋溝有幾個接合點，該花紋溝上就有幾個截面。以上截面的確定只適合于等寬接合點，對不等寬接合點截面的處理需要解決相同的剖面由于角度和不同而在同一位置產生不同的截面的矛盾，如圖5，解決的方法就是以對應不等寬接合點為起點，以和為長度分別在對應的上下引導線上取兩點，根據(jù)兩點和圓心確定兩個附加截面；附加截面以計算投影，附加截面以計算投

21、影；對應不等寬接合點處截面數(shù)據(jù)的左剖面以計算投影，右剖面以計算投影。不足之處是在不等寬接合點處截面和附加截面之間的多截面實體，其花紋直壁面角度會產生從偏移角度到正確角度的漸進誤差。和的長度綜合衡量形狀誤差和角度誤差而定。圖3，截面草圖位置的計算；圖3a為對稱線段結構，圖3b為不對稱線段結構。Figure 3. Computing the locations of the section sketches. The structure of line segment is symmetric in the Figure 3a and asymmetric in the Figure 3b.4.3

22、改進的計算花紋溝中心線的算法花紋溝中心線數(shù)據(jù)在不規(guī)則輪胎花紋造型中對造型精度起著重要作用，改進算法在基本算法之上通過對曲線的擬合和插值來生成更為準確的中心線數(shù)據(jù)，以下描述解決該問題抽象出的通用數(shù)學模型。對于上述問題進行抽象，即根據(jù)兩條隨意不相交的曲線，求解出一系列位于不同位置但在曲線之間的點，滿足點到兩條曲線的距離最短，然后由這些點連接起來，就可成為一條兩條曲線間的中心線。問題解決的核心思想是構造一個直徑可升縮的圓，使它從花紋溝的一端不斷內切于花紋溝的兩條邊，從而圓的中心形成一條軌跡，這條軌跡就是花紋溝的中心，計算過程中把曲線離散化成均勻的點數(shù)據(jù)?；舅惴ǖ脑硎怯眯《蔚闹本€近似代替小段的曲線

23、，雖然在這一小段誤差不是很大，但從整體上來說，尤其是當大多數(shù)的小段曲線凹凸相同時，微小的誤差會積聚成較大的誤差，這對精度要求高的工程來說，這種算法在使用中有很大的局限性，從而限制了算法的使用范圍，使得算法的通用性較差。如圖4所示。圖4，計算中心線基本算法原理。Figure4. The basic principle of computing centre-line algorithm.改進算法的原理是基于基本算法的同時對基本算法的問題做出針對性的處理后形成，針對小段連線近似替代小段曲線的不理想，為使得能夠找到更貼近于該段曲線的近似替代，較好的方法是使用更多的點進行擬合曲線，由于是對相鄰的點進行

24、擬合，以后所得到的中心點會比曲線上邊用來擬合的點的數(shù)量減少一個點。如圖5所示。 圖5，改進的計算中心線算法原理。Figure5. The improving theory of computing centre-line algorithm.4.4應用實例系統(tǒng)結合上海輪胎橡膠股份有限公司提供的一份輪胎詳細需求表示文檔，文檔由輪廓文件、一個縱向花紋溝文件和三個橫向花紋溝文件組成；其中縱向花紋溝文件包含四個縱溝和兩個剖面數(shù)據(jù)，三個橫向花紋溝文件共包含22個橫溝和6個剖面數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的造型界面如圖6所示。系統(tǒng)在分析預處理模塊中對5個文件數(shù)據(jù)進行合理性分析并保存各個溝的幾何屬性和花紋溝的關聯(lián)信息，同時產

25、生花紋溝清單和造型順序；并在產品清單造型模塊中進行輪胎一節(jié)距實體造型；該一節(jié)距輪胎造型實體如圖7所示。最終的輪胎三維實體如圖8所示。在此基礎上可以生成該輪胎的工程圖，同時可以應用分析工具對該輪胎實體進行物理屬性分析等等應用分析，如圖9所示。圖6，系統(tǒng)界面。Figure 6. The system interface.圖7，一節(jié)距輪胎實體。Figure 7. The one pitch entity of tire.圖8，輪胎三維實體。Figure 8. 3D entity of the tire.圖9，輪胎實體物理屬性分析。Figure 9. The analysis of the physi

26、cal attributes of the tire entity.5總結本文詳細地介紹了自動化智能輪胎設計概念，并系統(tǒng)地介紹CAD三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設計平臺的整體架構，產品清單造型模塊在本文中得到了很好的解決，本文所論述的以實體操作為特征的輪胎三維造型方案在一定誤差容許范圍內提供了一個很好的解決方法，系統(tǒng)準確地繪制出各種花紋溝類型的輪胎，具有一定的普適性，同時使用自動化語言Visual Basic For Application(VBA)進行進程內編程，提高程序的運行效率，系統(tǒng)總體自動化程度高。需求分析預處理模塊、產品清單生成模塊和產品檢驗模塊涉及到基因編碼、人工智能和專家系統(tǒng)等領域，這

27、些模塊的具體實現(xiàn)還有待于進一步的研究。參考文獻1鄧海燕. 世界智能輪胎技術與產品J . 橡塑技術與裝備，2004, 30(3): 12-15.DENG Haiyan. World intelligent tire technology and product J. China rubber/plastics technology and equipment, 2004, 30(3): 12-15.2姚偉，趙桂范，譚惠豐等. 一種基于人工智能技術的胎面輪廓優(yōu)化設計方法J . 汽車工程，2001, 23(4): 222-226.YAO Wei, ZHAO Guifan, and TAN Huifeng, et al. An opti