基于CATIA/CAA的輪胎花紋設(shè)計及自動節(jié)距排列

李 華，張 敏，程麗娜，吳東霞

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

伴隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車的需求量日益增大，而輪胎在汽車行駛的舒適性和安全性方面起著重要作用。因此，輪胎的設(shè)計變得日益重要，復(fù)雜程度也逐漸上升，胎面花紋形狀千變?nèi)f化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常需要耗費大量設(shè)計時間。二維圖形設(shè)計已經(jīng)無法滿足輪胎設(shè)計要求，眾多輪胎企業(yè)紛紛采用CATIA，UG和SolidWorks等三維軟件進行輪胎設(shè)計開發(fā)，顯著縮短了輪胎的開發(fā)周期，同時伴隨著設(shè)計自動化程度的提高，輪胎的設(shè)計質(zhì)量也得到了明顯提升[1]。

胎面花紋對噪聲、滾動阻力和滑水等輪胎性能有重要影響[2-5]，是輪胎產(chǎn)品設(shè)計的重要組成部分。改進胎面花紋的設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)是提高輪胎質(zhì)量的重要途徑[6]。國外研究者積累了豐富的輪胎花紋設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)。S.Fujiwara等[7]通過研究輪胎花紋溝槽產(chǎn)生諧振頻率的原理，提出了可以降低花紋溝噪聲的穩(wěn)態(tài)花紋設(shè)計方法。W.Strache等[8]將虛擬開發(fā)技術(shù)應(yīng)用到輪胎花紋設(shè)計過程中，可縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。C.H.Chu等[9]在分析輪胎及其花紋特點的基礎(chǔ)上，借助CATIA提供的CAA-RADE開發(fā)工具，實現(xiàn)了輪胎三維花紋的快速化設(shè)計。國內(nèi)的輪胎企業(yè)和院校也在研究輪胎花紋設(shè)計的開發(fā)技術(shù)，主要有基于語義的輪胎3D花紋設(shè)計、輪胎模具花紋塊系統(tǒng)、基于CAA-RADE的輪胎三維花紋參數(shù)化設(shè)計等[10-14]。

為了滿足輪胎花紋設(shè)計的精細(xì)復(fù)雜程度，本工作在CATIA V5R22版本下根據(jù)花紋塊最小單元——節(jié)距設(shè)計，在GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計）模塊進行輪胎參數(shù)化的節(jié)距花紋2D線框和3D曲面設(shè)計，然后在PDG（Part Design，零件設(shè)計）模塊下轉(zhuǎn)化為3D實體。通過三維設(shè)計中常用的掃略、拉伸、旋轉(zhuǎn)、曲面特征、布爾運算等命令，完成輪胎花紋的三維造型[15]。在設(shè)計過程中，利用參數(shù)驅(qū)動及CATIA知識工程的特性，先完成一個節(jié)距花紋實體的模板創(chuàng)建，并以“節(jié)距代號”為主要發(fā)布參數(shù)進行模板封裝。通過參數(shù)變化即可實現(xiàn)不同節(jié)距花紋實體的自動生成。然后在ASD（Assembly Design，裝配設(shè)計）模塊利用CAA二次開發(fā)自動調(diào)用單節(jié)距花紋模板，根據(jù)花紋節(jié)距排列順序的設(shè)計要求，通過程序自動完成輪胎花紋整周的裝配。

1 CATIA參數(shù)化模板設(shè)計在花紋設(shè)計中的應(yīng)用

輪胎花紋一般有3—5個不同節(jié)距組成。以RP18花紋5個節(jié)距設(shè)計為例，輪胎整周由A，B，C，D，E五個節(jié)距根據(jù)一定的順序環(huán)形排列組成，這5個節(jié)距形狀相似而尺寸不同（一般A為最大，E為最?。?。為了直觀展示節(jié)距之間的異同，將5個節(jié)距花紋展開在同一個平面內(nèi)，如圖1所示。

每個節(jié)距花紋設(shè)計只有參數(shù)不同而形狀一致，利用CATIA參數(shù)驅(qū)動及知識工程工具，通過更改模板中發(fā)布的“節(jié)距代號”參數(shù)即可實現(xiàn)由1個節(jié)距變參數(shù)而生成其他4個節(jié)距的操作，由此輪胎的花紋設(shè)計就集中到可用參數(shù)化的單節(jié)距模板設(shè)計上。

2 節(jié)距花紋的設(shè)計

2.1 2D線框設(shè)計

在GSD模塊下，根據(jù)花紋特點劃分出最小設(shè)計單元——節(jié)距，首先進行2D線框設(shè)計。根據(jù)實際需要，如果花紋為對稱設(shè)計，則只需要畫出單側(cè)圖形，通過相應(yīng)的對稱、平移操作即可得到另一側(cè)圖形，如圖2所示。

2.2 3D曲面設(shè)計

在GSD模塊下，根據(jù)上級設(shè)計節(jié)點輸出的輪廓曲線，旋轉(zhuǎn)即可得到輪胎胎面和溝底面等3D花紋設(shè)計中需要的曲面。將已設(shè)計好的2D單節(jié)距花紋線框?qū)?yīng)依次展開投影到胎面上，如圖3所示。然后根據(jù)3D設(shè)計參數(shù)進行角度掃略、橋接、圓角、修剪等操作，實現(xiàn)花紋節(jié)距的3D曲面造型的生成，如圖4所示。

圖4 3D曲面節(jié)距花紋示意

2.3 3D實體設(shè)計

在PDG模塊下，首先將3D曲面節(jié)距花紋設(shè)計中的溝和鋼片進行封閉曲面，轉(zhuǎn)化為3D實體。為了便于節(jié)距實體在輪胎整周裝配，避免輪胎實體的重復(fù)裝配，在單節(jié)距花紋實體設(shè)計中，并不涉及光面輪胎的實體，對節(jié)距花紋實體采用布爾減的設(shè)計，如圖5所示。

圖5 3D實體節(jié)距花紋設(shè)計界面

3 輪胎整周花紋自動裝配

在ASD模塊中，首先根據(jù)輪廓曲線得到光面輪胎實體。利用CAA編程二次開發(fā)，對做好的3D節(jié)距花紋實體進行調(diào)用，并根據(jù)節(jié)距長度自動進行節(jié)距間環(huán)形排列角度的計算。在開發(fā)工具的對話框中輸入節(jié)距排列順序“UDFABC”，裝配樹結(jié)構(gòu)中選擇輪廓“Part”和裝配的光面輪胎“Body”，再對裝配的節(jié)距花紋3D實體文件做路徑選擇，最后點擊“確定”按鈕，即可實現(xiàn)自動節(jié)距花紋的整周裝配，如圖6所示。

圖6 輪胎整周花紋自動裝配界面

4 系列化規(guī)格花紋擴展

上述介紹的是單規(guī)格輪胎的花紋整周自動裝配過程，通過關(guān)聯(lián)設(shè)計即可實現(xiàn)多規(guī)格、系列化的花紋擴展。在ASD模塊中，裝配文件采用關(guān)聯(lián)設(shè)計，有輪廓和花紋兩個裝配節(jié)點。在輪廓和花紋兩個模板的設(shè)計中均采用配置表設(shè)計，如圖7所示。

圖7 輪廓及花紋設(shè)計參數(shù)配置表界面

兩個配置表均以“輪胎規(guī)格”為擴展關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)規(guī)格發(fā)生變化時，配置表關(guān)聯(lián)設(shè)計就會自動更新輪廓圖曲線，并自動選擇新規(guī)格下的花紋設(shè)計參數(shù)，點擊“更新”按鈕，即可實現(xiàn)更新節(jié)距花紋及整周花紋裝配，如圖8所示。

圖8 規(guī)格驅(qū)動的花紋系列擴展界面

5 結(jié)語

本工作對輪胎花紋2D和3D設(shè)計方法進行探討，采用花紋設(shè)計最小單元—節(jié)距設(shè)計的方法，對節(jié)距花紋進行參數(shù)化模板設(shè)計，以“節(jié)距代號”作為參數(shù)驅(qū)動進行花紋模板擴展的應(yīng)用。同時利用CAA二次開發(fā)，實現(xiàn)了輪胎花紋快速和準(zhǔn)確的整周裝配。利用CATIA參數(shù)化和知識工程的模板化設(shè)計，用配置參數(shù)表的關(guān)聯(lián)和規(guī)格驅(qū)動，達到了簡單便捷的花紋系列擴展的目的。

以往花紋圖在autoCAD平臺上進行2D節(jié)距設(shè)計及有限節(jié)距數(shù)量的平面拼合，不僅不能直觀展現(xiàn)輪胎整周花紋造型，且每個節(jié)距的制圖都需要進行重復(fù)性設(shè)計工作及人工手動節(jié)距拼合。以5個節(jié)距的花紋設(shè)計為例，需要人工設(shè)計制圖5次，并且手工拼合5個節(jié)距后提供模具廠作為拼合圖示例。本工作基于CATIA/CAA對輪胎花紋設(shè)計及整周拼合裝配進行研究，實現(xiàn)了同花紋系列的迅速擴展。以開發(fā)24個規(guī)格為例，以每個規(guī)格耗時8 h計算，24個規(guī)格一個人需要24個工作日的時間。采用CATIA/CAA參數(shù)化模板設(shè)計，利用規(guī)格參數(shù)驅(qū)動圖紙自動更新，加以CAA二次開發(fā)節(jié)距花紋整周自動裝配，以每個規(guī)格2 min計算，24個規(guī)格僅需要48 min，即一個人不到1 h的時間就能將花紋圖全部擴展完成。采用CATIA模板設(shè)計及CAA開發(fā)花紋自動整周裝配，不僅大幅度縮短了設(shè)計開發(fā)人員的工作時間，同時避免在不同節(jié)距重復(fù)性設(shè)計時出現(xiàn)的人為錯誤，規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高了輪胎花紋圖的設(shè)計質(zhì)量。另外，以整周3D造型花紋圖交付模具廠，可縮短造型確認(rèn)的溝通時間，進而縮短輪胎開發(fā)周期。