基于CATIA的全景天窗运动仿真及校核分析

2016-11-03张俊杰陈昆山

制造业自动化 2016年10期

关键词：数模天窗校核

张俊杰，陈昆山

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

基于CATIA的全景天窗运动仿真及校核分析

张俊杰，陈昆山

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

采用CATIA中数字样机DMU模块，对全景天窗进行运动仿真分析。针对天窗的组成部件及运动特点，首先建立简化的天窗模型。在此基础上，通过对样机模型添加符合其运动方式的运动副和驱动，使天窗进行运动，模拟其实际运动轨迹，从而分析天窗运动机构的运动规律，对其进行校核分析，为全景天窗系统的设计和改进提供参考。

全景天窗机构；CATIA—DMU；运动仿真；校核分析

0　引言

近几年来，汽车全景天窗已经逐渐成为了汽车的一个重要配置。随着人们对驾乘舒适性要求的不断提高，全景天窗以时尚气息和优越性赢得了消费者的青睐。如何提高对其进行虚拟的运动仿真及问题检验是天窗设计的关键。

本文主要是根据全景天窗的实际运动轨迹，结合目标设定值，运用CATIA软件建立了天窗简化数模，模拟其实际运动轨迹，对全景天窗进行三维运动校核分析。根据根据校核结果分析原因，并对数模的不足之处进行及时修改。

1　天窗的校核内容

采用CATIA中的DMU（“Digital Mock-Up”的简称）模块对天窗的数字样机模型施加符合其运动方式的运动副和驱动命令，实现对天窗的运动模拟仿真，从而形象地分析天窗的运动状态，优化天窗结构的总体布置，提高天窗零件间的相互匹配能力。

天窗的校核主要包括：

1）静态校核：主要验证天窗机构在静态状况下，各零部件是否符合设计要求，即不存在静态干涉；

2）动态校核：主要验证天窗机构在运动状态下，各零部件的间隙是否足够，是否存在动态干涉；

3）前玻璃最高点Z向校核：根据相关设计要求，保证前玻璃在运动过程中，其最高点Z向变化量不得超过45mm；

4）前玻璃的加速度：根据相关设计要求，拉索在以50mm/s2的速度运动时，前玻璃的加速度不得超过400mm/s2。

2　天窗机构的运动仿真

在CATIA软件中，天窗机构的运动仿真基本流程如图1所示。

图1　运动仿真创建流程

2.1建立各零部件的数模

要模拟天窗的实际运动过程，首先要有相关零件的三维数模，包括：车顶玻璃、驱动机构、运动执行机构、框架总成及其他附件等，其结构图如图2所示。

图2　全景天窗系统结构图

根据参考已有的天窗实物，通过逆向和正向的方式初步建立简化的三维数字模型。该分类没有按照设计BOM来分，而是依照仿真要求来分的。

2.2天窗系统的虚拟装配

按照自底向上的设计方法，进入CATIA装配设计模块中导入已经建立的简化三维数字模型。为了简化运算模型，提高运算速度，应对运动执行机构进行相应简化，同时对其他对运动仿真影响不大的结构进行相应的简化或合并（如将导轨和排水槽合并为一个零件）。为了方便以后的运动分析，建立了运动执行机构。创建天窗的虚拟装配模型如图3所示。

图3　天窗模型的虚拟装配图

2.3运动副的添加及控制规则的设置

进入DMU运动机构模块，建立一个运动机构。根据全景天窗的实际运动情况，首先将“排水槽+导轨”定义为运动基准，后玻璃固定在导轨上，运动执行机构在导轨中前后移动，从而实现前玻璃的升降功能。根据这些运动特点来添加机构的运动副，运动模型即建立完成。在添加约束的过程中，要注意对已有的约束进行转配约束转换，避免过约束影响运动分析。表1为关于天窗各个零件所添加的运动副的名称及原理。

在天窗运动分析中，运动执行机构和前玻璃可以运动，驱动命令必不可少，可以在建立运动副使直接定义驱动命令，也可在运动副创建之后定义驱动命令。为了让天窗模拟运动更加接近于真实，将拉索的速度设置为50mm/s，即编辑点曲线9运动的法则曲线。

2.4天窗的运动模拟仿真

进入DMU运动机构模块，设置合适的运动副并添加驱动力后，机构的自由度为0，表示机构的自由度都被约束完，CATIA弹出系统提示信息，提示机构可以进行运动模拟仿真。

在“DMU运动机构”工具栏中选择“使用法则曲线进行模拟”按钮，根据要求选择相应的选项，从而完成天窗机构的运动模拟，结果如图4所示。

图4　天窗的运动模拟仿真

表1　各个零件间运动副名称及原理

3　天窗系统的校核分析

3.1天窗的静态校核分析

在天窗装配设计阶段按要求进行各个零部件之间的约束定义后，还需要对天窗机构进行装配干涉检查（即静态校核），以便及早发现问题，及时修改，减少错误。通过激活Clash命令，并按照相对应的对话框中选择检查类型和范围，进行静态校核。如有干涉现象，分析原因，及时修改更正。天窗的静态校核部分结果如图5和图6所示。

图5　后玻璃与导轨的静态校核结果

图6　前玻璃与后玻璃的静态校核结果

由于后玻璃与导轨通过螺钉连接，必须保证后玻璃上的安装支架与导轨上的安装孔相贴合。通过CATIA的静态校核的结果显示：后玻璃与导轨的接触类型是接插件，该值为0mm，符合设计要求，故该静态校核合格。

为了防止雨水通过前后玻璃之间的缝隙进入车内，所以后玻璃前段存在一务长长的橡胶材料密封务，以便前玻璃完全关闭时，前后玻璃能达到良好的密封效果。通过CATIA的静态校核的结果显示：前玻璃和后玻璃的接触类型是碰撞，该值为-7.35mm，在设计要求的范围内，故该静态校核合格。如若不能达到设计要求，应对不合理的机构进行修改，根据干涉检查结果分析干涉原因，并按给出的干涉提示，结合实际的天窗结构，进行及时修正，直至该天窗数模能通过静态校核。

3.2天窗的动态校核分析

运用CATIA软件仿真技术对天窗的运动模拟进行详细动态干涉检查（即动态校核），可以在天窗投产前有效地检查天窗各个零部件的间隙及极限干涉情况，降低后期投产风险及相应成本。

在运动仿真过程中，通过以下方法检查动态干涉：将DMU运动仿真模块中的clash detection命令设为on或stop，则在运动过程中将碰撞的区域显示为红色并停止运动，从而可以详细观察具体干涉部位。图7为天窗的动态校核结果。

图7　天窗的动态校核结果

从动态校核结果来看，运动执行机构中的驱动连杆和辅助连杆与后玻璃出现了干涉现象。由于后玻璃的左右两侧均存在一务密封务，以确保后玻璃与车顶的密封务紧密贴合，防止雨水从车顶渗入车内。因此驱动连杆和辅助连杆将轻压后玻璃左右两侧的密封务，从而形成了动态校核结果中的情况。进一步对干涉结果进行检测，该干涉的值均为-3.11mm，如图8所示，该值在设计要求的范围内，因此该动态校核结果合格。如若不能达到设计要求，应对不合理的机构进行修改，根据干涉检查结果分析干涉原因，并按给出的干涉提示，结合实际的天窗结构，进行及时修正，直至该天窗数模能通过动态校核。