汽车零件全三维模型快速建模设计

葛 亮，刘 明

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159；2.山东科技职业学院 机械工程系，山东 潍坊 261053)

为加快新产品上市速度、提高产品质量并降低生产成本，国内的汽车制造企业正在借鉴国外同行先进的设计制造理念和技术手段，但仍存在较大差距。

在产品设计研发上，大多数新产品设计是在原有的基础上进行修改，会利用原来大部分设计信息。利用参数化设计技术可以充分发挥其优点，在继承原产品设计的经验和知识的基础上，设计出新的产品类型[1]。

当前，汽车行业缺乏MBD(Model Based Definition)设计规范。尤其在前期设计阶段，设计模型只考虑产品外形，整个设计周期采用二维加三维的模式，这样不仅增加工作量，还难以保证数据的唯一性。在零部件构型与设计中，三维环境下创新的集成设计工具仍应用不足。本文以汽车零件快速建模设计为目标，对参数化设计、MBD模板-模型库、变型设计等技术进行研究，通过应用CAA(Component Application Architecture)二次开发，在CATIA(Computer AidedTri-Dimensional Interface Application)平台下，构建汽车零件全三维模型快速建模设计系统。

1 参数化设计

参数化设计是三维软件应用技术中重要技术之一[2]，是三维模型建立的重要方法，在同类产品设计过程中得到广泛应用。其主要是通过约束来体现模型的形状特征，用一组尺寸参数来控制设计结果，通过改变模型的设计参数来更改产品模型，最终生成新的模型[3]。产品模型的更新是在给定约束条件和拓扑结构的前提下，根据设计人员输入的参数来完成。参数化设计不但能保存零件的几何信息，还能处理几何元素间的约束关系[4]。参数化设计建模能够提高设计效率[5]，通过引入功能体素，对产品功能体素进行设计，将设计人员的思想融入到三维建模中，使产品结构、构件要素间的关联更加直观。

参数化设计技术可分为三种方法，基于几何关系的数学方法、基于特征的造型方法和基于几何原理的人工智能方法[6]。汽车零件参数化设计建模采用预定义的方法建立图形的几何约束集，定义参数与几何约束集通过创建公式建立关联，自动完成产品的设计。其实质就是将模型的定量信息变量化[7]，提取产品模型的特征作为变量，通过一定的公式修改相关的尺寸。

基于CAA二次开发的参数化程序设计是编写程序来控制三维模型的生成，根据零件的设计要求，建立控制模型尺寸的一组参数，通过对零件设计参数的修改来更改实体模型，达到参数化设计的目的。

2 MBD模板-模型库

对汽车零件的特征进行分类总结，并结合相关知识进行分析，实现零件的存储和管理，建立汽车零件知识特征模板库。

2.1 零件知识获取

知识的获取是建立零件知识库的重要部分，主要是从数量庞大的零件模型库中查询并快速找到所需的模型，从而实现对知识的重用，主要步骤如下。

(1)首先对零件模型进行分析并收集已有知识，根据相应的设计要求，通过和专家进行交流，对问题做出基本解释并整理。

(2)在收集到一定信息后，对所有信息进行识别、整理和处理，并将所获取知识与设计要求信息进行匹配，寻找最优解决方法。

(3)处理完收集的知识后，设计人员将知识用计算机能够识别的语言写入知识库，最终获取零件的知识。

零件知识获取的方法主要包括以下三种：通过学习或挖掘数据的方式获得新知识；从产品技术说明中获取知识，如国际标准、技术规范、图表数据等；通过与产品设计专家交流获取知识[8]。

2.2 零件知识库

零件知识库的主要作用是通过创建全三维模型汽车零件知识库系统来存储模型信息。汽车零件知识库结构如图1所示。汽车零件知识库由零件模型库、特征信息库和设计规则库组成，各部分之间通过知识获取、知识表达和知识重用等方法建立相互间的联系，从而实现汽车零件模型知识信息的重用。

图1 汽车零件知识库结构

零件模型库作为零件知识库的重要组成部分，可将零件模型的设计信息及规则等知识进行存储、查询及管理，并按照不同的设计要求进行相互转换，从而应用于不同系统平台上。

2.3 模板建立

零件特征模板的设计是在零件特征建模的过程中运用参数化建模的思想。汽车零件特征模板的建立首先将预先定义的零件模型分解成特征模型；再把特征模型以特征模板的形式存储到文件中，设计人员在建立相似零件模型时可利用参数驱动特征模板进行实例化，实现特征模板结构的重用。

零件特征模板将零件几何信息、结构参数、非几何信息集成在一起，其包含的结构参数、关系与特征模型具有一定相关关系，用户通过修改零件几何参数的值可生成不同的零件特征。

3 变型设计

模板知识的重用主要有两种判断方法：一种是利用模板知识库的知识及问题的初始数据；另一种是根据已知知识推断新的知识。变型设计用第二种方法实现，根据零件几何体原有的特征知识推断出新的零件特征。变型设计的实质是对现有产品的结构及功能进行分析，将设计需求的新模型不断向已有模型的基础上靠拢，最终实现在已有模型知识进行匹配的基础上添加或减少新的零件特征或参数，完成新零件的生成。零件模型变型设计流程如图2所示。

图2 零件模型变型设计流程图

如果部分零件在结构上具有一定的相似性，根据相似结构特征，可以按照检索匹配原则利用基于实例推理的方法，对模板模型库中的零件实例进行匹配，当所需零件的设计要求和原有零件实例近似匹配时，直接调用该零件模型的相关知识，实现零件知识的重用[9]。在基于全三维模型的汽车零件参数化设计系统的开发过程中，知识的推理是将零件的设计规则和专家经验编写成计算机可识别的语言，即利用CAA编写程序。

4 汽车零件全三维模型快速建模设计系统

4.1 系统总体框架

汽车零件全三维模型快速建模设计系统是在CATIA V5R20中基于CAA-RADE环境搭建的平台，将CATIA参数化设计与模板知识库相结合，实现对设计经验、规则等知识的重用。参数化建模模块、模型库模块及变型设计模块三者间相互联系，通过知识的重用进行集成，实现基于全三维模型的汽车零件参数化设计系统。这三个模块与CATIA系统高度集成，并与Windows系统进行数据通信，实现本地数据的读取和写入。系统的总体框架如图3所示。

图3 系统的整体框架

4.2 系统运行流程

汽车零件全三维模型快速建模设计系统利用程序驱动生成汽车零件的参数化模型，将已创建的零件模型分类存储到模板模型库中，通过模型逐级匹配为主、模型预览为辅的方法检索和调用设计人员所需要的模型；对零件模型特征库中的特征进行布尔操作，通过参数的输入或载入来驱动模型实例化，完成模型库的重用。汽车零件全三维模型快速建模设计系统的运行流程如图4所示。

5 活塞快速建模设计应用实例

5.1 全三维模型的活塞参数化设计

活塞参数化建模需选择建模基准，建模基准主要由基准面和轴线组成。通过结构设计分析，决定活塞外形的结构特征参数主要有：活塞直径D；活塞高度H；压缩高度H1；裙部高度H2；顶岸高度h1；

第一环岸高C1；第二环岸高C2和销孔直径d等。构件要素如图5所示。

以汽油机活塞为例，利用汽车零件全三维模型快速建模设计系统对活塞进行参数化设计建模。图6为活塞参数化设计建模流程。

活塞参数化设计建模过程如下。

(1)根据汽油机活塞的设计方案，首先确定活塞建模的构件要素(建模基准)，利用交互式开放方式操作，通过鼠标点击拾取全部构件要素；将活塞模型构造程序载入到系统中，并将其转化为指针的形式，CATIA系统将对其识别。

(2)创建活塞几何图形集，主要用来存放建模过程中所用到的参考点、线、面等几何元素。

(3)分析汽油机活塞的建模步骤，建立活塞基体。

(4)当活塞基体建立完成后，再次进入草图编辑模式，画出活塞裙部凹槽及环槽的草图，并对草图进行拉伸与旋转，形成凹槽和环槽。图7所示为最终建立的活塞模型。

图7 活塞参数化建模实例

5.2 活塞全三维模板模型库

汽车零件MBD模板的建立可以通过两种方式来实现。一种是用户特征，将零件三维模型中的几何特征、参数关系及约束等信息集成，作为实例化对象，设计人员可根据设计需求进行调用。

对活塞零件模型信息进行归纳，包括模型分级信息、零件构件要素、尺寸要素等。创建零件知识库信息表格，将零件信息写入Excel表格中，如表1所示。

表1 活塞模型信息归类

根据活塞模型信息，建立活塞零件特征模板。零件特征模板是在零件特征建模的过程中运用参数化建模的思想。实例化的活塞参数化模型可以保存在Execl表格中，方便管理和调用。表2所示为活塞零件模型参数信息。

表2 活塞模型参数信息 mm

MBD模板建立的第二种方法是用CATIA的超级副本来实现。分析已有零件模型，检索原始模型的几何信息，根据需要调用CAA接口、函数创建或替换构件元素，完成新零件模板的创建。其设计流程如图8所示。

图8 活塞模板超级副本设计流程

5.3 活塞零件变型设计

零件变型设计是在已建立好的模型和零件模型库的基础上对模型的重用[10]。保持零件模型拓扑关系不变的前提下，用户在零件模型中添加相应的参数和关系，实现对零件几何参数的实时智能化查阅与修改。此外，用户也可调用零件模型库中的特征进行布尔操作，通过超级拷贝方法进行零件变型设计，进而实现零件模型的重用。活塞零件变型设计界面如图9所示。

图9 活塞变型设计界面

6 结束语

研究了参数化、模板模型库、变型设计等技术，基于CAA READ对CATIA进行二次开发，建立了汽车零件全三维模型快速建模设计系统，并以活塞为对象进行了实例应用。该系统能够支持汽车零件的快速建模设计，提高汽车零件的设计效率。