陈耀

(宁波吉利汽车研究开发有限公司长兴分公司，浙江湖州 313100)

0 引言

CATIA是一款由法国达索公司开发的具有强大的三维数据模型建立能力的软件。它被广泛地应用于汽车行业前期数据开发和组装模拟等方面。CATIA中自带的DMU模块(Digital Mock Up)能够模拟三维数据的物理运动校核，具有的装配、干涉检查、机构仿真、运动包络等功能, 对样车产品进行虚拟的模仿和再现, 使其具有物理模型的特性[1]。文中将具体阐述一种基于DMU的雨刮包络创建方法。

1 雨刮DMU创建预处理

创建雨刮系统的DMU，需要雨刮系统完整的CATIA数据以及相应的前风挡玻璃数据。搜集完数据后，需对CATIA数据进行分解处理。按照DMU创建的规则，将雨刮系统拆解成15个零部件，另加前风挡玻璃零部件，总计16个零部件，由于右侧刮臂刮片总成拆解与左侧一致，故此处不再赘述。雨刮系统分解示意图如图1所示。

2 雨刮DMU创建详解

数字模型运动的主导思想为：新建运动机构→分析零部件之间的运动关系→定义运动副→定义驱动源→生成运动包络→运动包络分析校核。下面将根据以上主导思想，对雨刮DMU的创建进行详细的阐述[2]。

图1 雨刮系统分解示意

2.1 新建运动机构

打开CATIA，在CATIA截面中点击Start→Digital Mockup→DMU Kinematics，进入DMU界面，如图2所示。然后创建运动机构，设“Fixed Part”为首个运动副，可自定义命名(文中采用默认命名Mechanism.1)，点击第2节中分解的PART“雨刮电机”(因为雨刮电机是静态件)，命名为Mechanism.1的运动机构就创建成功了。之后的运动副都会存到该机构中。

图2 运动机构创建示意

2.2 分析零部件之间的运动关系

雨刮系统主要由雨刮电机及连杆总成以及左右侧刮臂刮片总成组成。运动原理为雨刮电机输出轴输出转矩，带动电机曲柄360°旋转，驱动与曲柄球头相衔接的主动侧连杆，主动侧连杆和两侧的摇臂以及从动侧连杆组成四连杆机构， 此四连杆机构会以设定好的刮刷角循环往复运动，左右侧摇臂带动与之匹配的输出轴旋转，从而带动刮臂刮片总成运动[3]。

2.3 定义运动副

(1)通过上文创建的运动机构及分析的运动关系，雨刮电机已被固定约束，此时应创建雨刮电机曲柄与电机的运动副为“Revolute Joint”,它是通过轴线和面对两个物体进行约束，从而达到两物体间相对旋转的结果。约束雨刮电机输出轴与曲柄轴线以及相应的垂直面，即可完成曲柄与电机的运动副，如图3所示。

图3 雨刮电机与曲柄运动副创建示意

(2)接下来定义电机曲柄与主驱动连杆的运动副，电机曲柄上的球头与驱动连杆上的球碗组成了“Spherical Joint”,通过约束球头和球碗的中心点，即可完成，如图4所示。(此时系统会提示DMU将不能再模拟运动了，这是由于自由度被放开了，需通过更多的运动副来约束)。另一端的球头与球碗采用相同的方式进行约束。

(3)然后定义主驱动连杆与左侧摇臂的运动副，它们之前的能量是通过万向节原理传递的，故运动副为“Universal Joint”，它是通过轴线和轴线对两个物体进行约束，从而达到万向节的结果。 约束连杆的中心轴线与摇臂对应球头的轴线，定义球头的轴线与连杆的中心线垂直，即可完成，如图5所示。左侧摇臂与从驱动连杆的运动副也按此操作执行，从驱动连杆的球碗与两侧的球头运动副参考第2.3节，四连杆机构的DMU就基本全部创立完成。

(4)接下来，需定义摇臂与轴套之间的运动副。轴套是静态件，摇臂及输出轴总成以轴套轴线做旋转运动，故运动副为“Revolute Joint”,具体操作同第2.3节。轴套为静态件，理应采用“Fixed Part”把它固定住，但由于上文已固定了电机，且一个运动机构只能固定一个部件，故轴套只能与电机绑定，故采用的运动副为“Rigid Joint”，它是通过零部件和零部件对两个物体进行约束，从而达到两物体合二为一的结果。左右两侧的零部件均按照以上步骤操作，即可完成摇臂与轴套之间的约束。最后，连杆机构只剩下的支撑杆，也为静态件，操作同上。此时，电机及连杆机构的DMU已全部创立完成，自由度为零(DOF=0)，系统会提示“The mechanism can be simulated”。

图4 曲柄与主驱动连杆运动副创建示意

图5 主驱动连杆与摇臂运动副创建示意

(5)然后，需定于刮臂刮片的运动副。上文已完成了左右输出轴的运动模拟，由于刮臂臂座与输出轴通过螺母紧固，臂座随输出轴旋转，无相对运动，故为刚性连接，运动副为“Rigid Joint”，左右侧臂座均采用此方式，即可完成臂座与输出轴的运动副。

(6)刮杆由臂座驱动旋转，它俩之间的运动副为“Revolute Joint”，通过约束臂座主插销的轴线与刮杆与之匹配的轴线，以及两者该轴线的中心面，即可完成运动副。具体操作同第2.3节。刮杆与刮片总成的运动副也为“Revolute Joint”，可采用同样的方式完成约束。

(7)然后，需定义刮片与前风挡的运动副。刮片在前风挡上做往复刮刷运动，由于DMU中无曲线在曲面上的运动副，故可将刮片简化成首尾两点在前风挡上来回运动，可用“Point Surface Joint”来约束，它是通过点和面对两个物体进行约束，从而达到物体通过一点在面上运动的结果。找到刮片与前风挡相交的首尾两点，分别约束该运动副，即可完成约束，如图6所示。最后，由于前风挡是静态件，需对其进行固定，可采用“Rigid Joint”与电机刚性连接在一起。

图6 刮片与前风挡运动副创建示意

2.4 定义驱动源

经过第2.3节的定义和操作，雨刮系统整体的DMU运动机构全部建立完成。若要完成运动模拟，还需定义驱动源。经上文分析，雨刮系统的驱动源为雨刮电机，在DMU运动机构中，体现在雨刮电机与电机曲柄的运动副中。该运动副中需选中“Angle driven”,定义驱动源的旋转角度何旋转方向，如图7所示。

以上步骤完成后，点击刚刚创建的运动机构，输入运动角度，即可初步查看运动包络，如图8所示。

图7 驱动源创建示意

图8 运动包络示意

在CATIA中，动态的运动轨迹，也可通过测量工具，进行局部区域的间隙校核。具体如下：

Step1 先测量雨刮在停靠位时，目标区域与周围环境件的距离，此处以刮臂的弹簧与前风挡的距离为示意，如图9所示，停靠位的间隙为15.3 mm。

Step2 然后点击之前已创建的运动机构“Mechanism.1”，点击弹出的对话框中的“Activate Sensors”,出现如图10所示的对话框，此步骤可以捕捉整体运动过程中的间隙情况。点击左侧对话框中的目标测量值，框中对应右侧的标注由“No”变为“Yes”，即表示该测量值被选中。

图9 刮臂弹簧与前风挡间隙示意

图10 运动过程间隙捕捉示意

Step3 执行DMU运动模拟，模拟结束后，图10的“History”栏中会显示该测量值在模拟运动中的数值，工程师可以通过这些数值，识别该测量值是否有风险。文中提及的弹簧与前风挡的间隙，在全运动过程中最小的间隙为14.75 mm，根据动态件与静态件之间的通用间隙要求10 mm评价，可判定该区域无风险。

2.5 生成运动包络

文中所示的运动包络为动态的模拟，测量点仅为有限的区域，设计工程师无法进行全面系统的数据校核，故还需生成静态的包络数据。

(1) 点击“Simulation”,选中跳出的对话框中前面创建的运动机构“Mechanism.1”，跳出如图11对话框，快速拖动左侧对话框的进度条往返一次，然后点击右侧对话框“Insert”按钮，进行录制。完成后CATIA结构树上会新增“Simulation”的几何集。

图11 运动轨迹录制示意

(2) 然后点击“Compile Simulation”,点击弹出来的对话框下方的OK键，重放文件就生成了，如图12所示。点击结构树中的“Reply”，即可连续播放运动轨迹。

图12 连续播放运动轨迹创建示意

(3) 点击“Swept Volume”，选择想要生成的运动包络，即可生成CGR格式的数据，然后在“Assembly Design”模块中导入，即可生成静态的运动包络，如图13所示。

图13 静态运动包络示意

2.6 运动包络分析校核

在进行运动包络分析校核之前，需先识别和搜集雨刮系统的周围环境零部件。根据雨刮连杆机构安装的位置，可识别流水槽钣金、通风盖板及角饰、发盖内外板、侧边纵梁钣金、前风挡、A柱钣金等零部件，这些均对雨刮的布置有较大的影响。在前期设计的阶段，雨刮工程师需与各方工程师保持及时沟通，全面校核数据间隙。由于国内各大主机厂及供应商对雨刮与周边件的间隙要求均不一致，故此处将不进行具体数据校核示意。

3 结束语

文中基于CATIA DMU模块，对雨刮系统的运动包络的制作过程进行了详细的阐述。由此可见CATIA DMU能对样车产品进行虚拟的模仿和再现，使其具有物理模型的特性，从而取物理模型，验证产品的设计、运动、工艺、制造等方面内容的产品开发技术，对产品的真化进行计算机模拟参数演算[4]，大大地提高了产品设计的效率和品质。