吳東霞,程麗娜,李 華
(中策橡膠集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310018)
隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)輪胎性能的要求越來(lái)越高[1],花紋設(shè)計(jì)直接關(guān)系到輪胎的使用性能和壽命[2]。CATIA是大型CAD/CAM軟件,廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域,CATIA知識(shí)工程模塊是其重要組成部分。隨著有限元分析軟件在輪胎設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,越來(lái)越多的企業(yè)使用CATIA軟件進(jìn)行花紋參數(shù)化設(shè)計(jì)。冬季輪胎的一副模具上鋼片數(shù)量達(dá)3 000多個(gè),種類多達(dá)幾十種,因此對(duì)模板穩(wěn)定性和功能性要求很高。一般花紋設(shè)計(jì)時(shí),需要先判斷每個(gè)鋼片的形狀,再進(jìn)行作圖。采用CATIA軟件知識(shí)工程模塊輔助設(shè)計(jì),將鋼片按區(qū)域或類型進(jìn)行分類,每類鋼片只需制作一個(gè)模板。當(dāng)變換規(guī)格時(shí),模板需滿足多變性和穩(wěn)定性[3],在作圖質(zhì)量上有更高的要求,應(yīng)滿足鋼片因長(zhǎng)度和位置引起的形狀多變性。
本工作結(jié)合實(shí)際,對(duì)冬季輪胎復(fù)雜鋼片知識(shí)工程模塊輔助建模進(jìn)行分析。
冬季輪胎鋼片基本上都是折彎鋼片,沿鋼片中心線方向規(guī)律地陣列延伸,起始端和末端結(jié)構(gòu)在不同位置形狀不一致,鋼片斷點(diǎn)位置不同,末端曲線延伸方向也不同,且與末端花紋溝邊界線有關(guān)系。鋼片與花紋溝夾角過小時(shí),則鋼片末端方向需要與邊界線近似垂直,為了提高花紋模板的適用性,制作花紋模板時(shí)此區(qū)域鋼片使用同一鋼片模板,從而達(dá)到不管鋼片數(shù)量和位置如何改變,鋼片形狀能根據(jù)邊界位置而自動(dòng)更新形狀。
本研究以圖1所示冬季輪胎折彎鋼片為例進(jìn)行分析。
圖1 鋼片結(jié)構(gòu)示意
由鋼片結(jié)構(gòu)分析可知,鋼片具有多樣性,且不同規(guī)格、不同節(jié)距輪胎鋼片位置不定等因素都使建模增加了難度。
本研究花紋鋼片起始端全部從左往右方向開始,先對(duì)鋼片中心曲線進(jìn)行方向固定。然后當(dāng)鋼片中心線兩端在中翻轉(zhuǎn)曲線和中變形曲線1之間,則出現(xiàn)鋼片起始端和末端全部向下延伸;當(dāng)鋼片與打斷邊界相交時(shí)則將鋼片一分為二,定義左側(cè)鋼片為次要鋼片,右側(cè)鋼片為主要鋼片。主要鋼片重新進(jìn)行折彎排布,仍然從左向右進(jìn)行。且當(dāng)主要鋼片末端碰到中變形曲線2時(shí)末端向上延伸;當(dāng)鋼片與中翻轉(zhuǎn)曲線和打斷邊界都不相交時(shí),則起始端和平直末端向下延伸。
在花紋模板中鋼片數(shù)量存在六等分、七等分、八等分等情況(見圖2),花紋設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)3種情況分別考慮,做出3種設(shè)計(jì),新建曲線參數(shù),使用知識(shí)工程模塊中的規(guī)則按條件顯示。
圖2 鋼片等分示意
建模的重點(diǎn)首先是判斷影響鋼片形狀的因素,然后采用知識(shí)工程模塊規(guī)則控制不同情況下最終形狀輸出。其次是計(jì)算鋼片折彎周期,通過鋼片中心線和邊界線,計(jì)算鋼片的折彎周期數(shù)量,通過陣列復(fù)制等操作進(jìn)行周期排列,從而減少作圖步驟,提高作圖效率。
(1)打開CATIA軟件進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊。首先插入幾何圖形集,創(chuàng)建輸入元素[4],接著對(duì)輸入元素進(jìn)行作圖處理,分幾何圖像集對(duì)不同部分鋼片分開處理,最后根據(jù)要求輸出結(jié)果。
(2)輸入幾何圖形集。在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊選擇插入菜單的幾何圖形集命令,插入幾何圖形集。作為輸入幾何圖形集,在花紋模板繪制時(shí),鋼片中心線及鋼片邊界線以非參形式作為輸入元素,如圖1所示鋼片所在位置邊界線。
(3)輸入處理幾何圖像集。對(duì)輸入元素進(jìn)行處理,首先統(tǒng)一鋼片方向,使用知識(shí)工程模塊規(guī)則輔助線構(gòu)造函數(shù),進(jìn)行方向設(shè)置,且根據(jù)將鋼片分為主要鋼片和次要鋼片的建模思路,對(duì)鋼片中心線也進(jìn)行區(qū)分,分成主要中心線和次要中心線。
鋼片方向智能判別規(guī)則:
在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊中插入F(X)公式創(chuàng)建新類型參數(shù)[5]。在輸入處理后,將鋼片中心線長(zhǎng)度作為參考,根據(jù)鋼片結(jié)構(gòu)按規(guī)律設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)鋼片長(zhǎng)度可以用公式計(jì)算鋼片周期數(shù)(N),用于后續(xù)作圖。對(duì)鋼片進(jìn)行陣列操作,鋼片陣列數(shù)等于N;當(dāng)N=2Nh(Nh為半周期數(shù))時(shí),陣列操作結(jié)果就是鋼片總長(zhǎng)度;當(dāng)N<2Nh時(shí),陣列結(jié)果后面需增加半個(gè)周期長(zhǎng)度為完整鋼片長(zhǎng)度。
折彎周期長(zhǎng)度L=8 mm;半周期長(zhǎng)度Lh=4 mm;鋼片起始平坦長(zhǎng)度L0=3 mm;鋼片中心線長(zhǎng)度Lc由程序自動(dòng)計(jì)算得出:Lc=length(`鋼片中心線`)。
可根據(jù)以下公式計(jì)算N和Nh,并取整。
在知識(shí)工程模塊Knowledge Advisor中創(chuàng)建規(guī)則,使用已創(chuàng)建的參數(shù),依照設(shè)計(jì)思路將相關(guān)聯(lián)的關(guān)系用規(guī)則控制,使最終輸出鋼片曲線滿足鋼片邊界內(nèi)的所有情況[6]。
當(dāng)鋼片中心線與打斷邊界距離作為判斷依據(jù),如距離為零或小于1.5 mm時(shí),兩者相交鋼片一分為二,如圖1所示,則此操作步驟作true激活處理,其余操作的關(guān)鍵步驟活動(dòng)為false取消激活處理;當(dāng)與打斷邊界不相交時(shí),不相交操作步驟作true激活處理,其他相矛盾步驟作false取消激活處理。按條件進(jìn)行判斷是否激活相應(yīng)步驟。
主要鋼片中心線激活規(guī)則:
此規(guī)則也可用于鋼片等分的多種情況。
使用該方法制作的本研究花紋復(fù)雜鋼片模板和其他花紋鋼片模板分別如圖3和4所示。
圖3 本研究花紋鋼片模板示意
圖4 其他花紋鋼片模板示例
本研究利用CATIA軟件建立復(fù)雜鋼片模板,采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與知識(shí)工程模塊相結(jié)合,通過創(chuàng)建參數(shù)、規(guī)則等進(jìn)行復(fù)雜鋼片建模,解決了鋼片位置不定、形狀多變等難題。不同規(guī)格、不同節(jié)距輪胎相同區(qū)域可以使用同一鋼片模板,大大減少了重復(fù)工作,提高了冬季輪胎花紋模板的建模效率,同時(shí)可減少人工成本。