基于CATIA/CAA的輪胎花紋跨節(jié)距設(shè)計及自動整周拼合

李 華，張 敏，吳東霞，程麗娜，吳月仙，楊 旭，黃明新

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車需求量日益增大。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，對乘車舒適性和安全性都起著極其重要的作用。在輪胎設(shè)計變得尤為重要的今天，輪胎花紋的復(fù)雜程度也呈現(xiàn)上升趨勢。輪胎花紋形態(tài)千變?nèi)f化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常常需要耗費大量的設(shè)計時間。眾多輪胎企業(yè)紛紛采用CATIA，UG和SolidWorks等三維軟件進行設(shè)計開發(fā)，特別是利用CATIA軟件對單節(jié)距花紋進行參數(shù)化模板開發(fā)，顯著縮短了輪胎的開發(fā)周期，并伴隨著設(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[1-2]。

輪胎花紋對輪胎的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、噪聲、燃油經(jīng)濟性和滑水等性能都有重要影響[3-8]。為了提高輪胎的綜合性能，輪胎花紋一般采用多節(jié)距變參數(shù)設(shè)計及改變不同節(jié)距排列順序的方法[9-11]。隨著設(shè)計方法及仿真手段的提升，現(xiàn)階段設(shè)計不僅要對花紋進行多節(jié)距設(shè)計，而且會采用跨節(jié)距設(shè)計的方法，即當(dāng)前、后節(jié)距組合順序不同時，前節(jié)距的花紋造型也會作出一些細微變化以利于改善輪胎綜合性能。在這種情況下，采用常規(guī)設(shè)計方法，不僅需要對每個節(jié)距花紋進行手工設(shè)計，而且需要根據(jù)前、后節(jié)距的不同組合把每種情況都做出來。該方法不僅耗時耗力，而且當(dāng)設(shè)計發(fā)生更改時，原設(shè)計中所有造型過程均需要推倒重來，開發(fā)效率非常低下。而開發(fā)跨節(jié)距設(shè)計模板，可迅速地批量創(chuàng)建前、后關(guān)聯(lián)的單節(jié)距的三維模型，即可有效避免重復(fù)設(shè)計，采用自動化的參數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)設(shè)計更改時花紋造型的自動生成[12]。因此采用關(guān)聯(lián)設(shè)計改進花紋的設(shè)計方法和參數(shù)化模板優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，是提高輪胎質(zhì)量的重要途徑[13]。

為提高輪胎跨節(jié)距花紋組設(shè)計的效率，本工作在CATIA V5R22版本下，根據(jù)花紋塊最小單元——節(jié)距，在CATIA設(shè)計模塊下完成對跨節(jié)距相關(guān)參數(shù)的創(chuàng)建，而后通過參數(shù)和配置表公式進行參數(shù)化跨節(jié)距設(shè)計的2D線框、3D曲面和3D實體設(shè)計。在單節(jié)距模板封裝時，發(fā)布節(jié)距代號及旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，然后利用CAA二次開發(fā)，根據(jù)自定義節(jié)距排列順序，自動多次調(diào)用跨節(jié)距設(shè)計的花紋模板，自動完成花紋整周的拼合。

1 不同前、后節(jié)距組合造成當(dāng)前節(jié)距設(shè)計差異

輪胎花紋一般由3—5個不同節(jié)距組成。以某花紋3個節(jié)距設(shè)計為例，輪胎整周由A，B，C三個節(jié)距根據(jù)一定的順序排列組成（3個節(jié)距設(shè)計規(guī)則一致，設(shè)計參數(shù)不同）。為了直觀展示跨節(jié)距設(shè)計造型，將這3個節(jié)距展開在同一個平面內(nèi)，如圖1所示。

圖1 3個節(jié)距花紋平面展開示意

該花紋肩部的2個鋼片需要均布在上下2個肩部花紋溝之間，而每個節(jié)距內(nèi)的肩部花紋溝寬度不同，因此不僅需要本節(jié)距長度參數(shù)，而且需要相鄰節(jié)距溝寬度參數(shù)才能計算出鋼片位置。如左側(cè)肩部鋼片位置需要根據(jù)上方節(jié)距肩部溝寬度參數(shù)計算，右側(cè)肩部鋼片位置需要根據(jù)下方節(jié)距肩部溝寬度參數(shù)計算。因為采用了跨節(jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計，實際上每個節(jié)距的設(shè)計造型都會由于前、后節(jié)距組合的不同而存在少量差異。

由于每個節(jié)距設(shè)計都需要關(guān)聯(lián)前、后節(jié)距參數(shù)，在CATIA中可以通過設(shè)置當(dāng)前及前、后“節(jié)距代號”參數(shù)，利用知識工程工具，獲取相應(yīng)節(jié)距的參數(shù)值，即可實現(xiàn)跨節(jié)距設(shè)計，并通過參數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)當(dāng)前節(jié)距在前、后節(jié)距代號變化時造型的自動更改。由此，僅開發(fā)一個含跨節(jié)距設(shè)計的單節(jié)距花紋模板，即可通過參數(shù)驅(qū)動完成不同節(jié)距組合下輪胎的整周花紋造型，可極大地提升設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期。

2 跨節(jié)距設(shè)計的參數(shù)設(shè)計

2.1 參數(shù)定義

根據(jù)花紋跨節(jié)距設(shè)計規(guī)則特點，先進行參數(shù)分類和定義（見圖2），再將定義好的參數(shù)進行配置表設(shè)計（見表1），配入各節(jié)距設(shè)計參數(shù)。對于對稱設(shè)計的部分，只需要定義單側(cè)參數(shù)即可。

圖2 單節(jié)距花紋參數(shù)分類及定義

表1 參數(shù)配置設(shè)計

2.2 CATIA內(nèi)創(chuàng)建參數(shù)及其關(guān)聯(lián)

在CATIA的GSD（Generative Shape Design，創(chuàng)成式曲面設(shè)計）模塊中，創(chuàng)建設(shè)計參數(shù)并與配置表進行關(guān)聯(lián)設(shè)計。創(chuàng)建的參數(shù)包含常規(guī)參數(shù)和跨節(jié)距參數(shù)，常規(guī)參數(shù)為單節(jié)距內(nèi)的設(shè)計參數(shù)，不僅包含設(shè)計尺寸參數(shù)，還包含節(jié)距旋轉(zhuǎn)參數(shù)，使模板自帶旋轉(zhuǎn)功能，滿足后續(xù)程序調(diào)用時自動整周拼合；跨節(jié)距參數(shù)為在當(dāng)前節(jié)距設(shè)計過程中需要用到的前、后節(jié)距中的相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用知識工程工具在配置表里進行抓取，在模板設(shè)計時用于參數(shù)計算。

跨節(jié)距參數(shù)如Ptich_Code參數(shù)和肩部溝寬度對應(yīng)的D6參數(shù)。一般以pPitch用作當(dāng)前節(jié)距的上節(jié)距代號，以nPitch用作當(dāng)前節(jié)距的下節(jié)距代號，如pPitch_Code＝A，Pitch_Code＝B，nPitch_Code＝C，表示當(dāng)前模板設(shè)計節(jié)距為B節(jié)距，對應(yīng)配置表中B節(jié)距設(shè)計參數(shù)，其前節(jié)距為A，后節(jié)距為C，節(jié)距順序為A，B和C。在此種節(jié)距組合下，B節(jié)距的前、后及當(dāng)前的D6參數(shù)表示為pD6＝4.5 mm，nD6＝5.5 mm，D6＝5.0 mm。

3 跨節(jié)距設(shè)計的模板開發(fā)

3.1 2D線框設(shè)計

在GSD模塊下，利用參數(shù)配置設(shè)計，首先進行2D線框設(shè)計。對于跨節(jié)距設(shè)計，要根據(jù)跨節(jié)距參數(shù)進行公式計算，確定跨節(jié)距圖形元素的位置、尺寸等，而后進行造型設(shè)計，依次設(shè)計單節(jié)距的花紋溝和鋼片等。線框造型如圖3所示。

圖3 跨節(jié)距設(shè)計下單節(jié)距線框造型

當(dāng)前節(jié)距右側(cè)鋼片等分的長度計算為前節(jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計，公式為：右側(cè)鋼片等分長度＝[（Pitch長度＋pPitch長度）/2－pD6]/3；左側(cè)鋼片等分的長度計算后節(jié)距的關(guān)聯(lián)設(shè)計，公式為：左側(cè)鋼片等分長度＝[（Pitch長度+nPitch長度）/2－nD6]/3。

在常規(guī)設(shè)計方式下，對于花紋為左、右對稱設(shè)計的情況，只需要設(shè)計出單側(cè)造型，通過一系列的旋轉(zhuǎn)、對稱、平移等操作即可得到另一側(cè)圖形。但是跨節(jié)距設(shè)計的部分，由于其左、右兩側(cè)對應(yīng)的前、后節(jié)距不同，不可通過此種方式生成，需要分別單獨進行處理。

3.2 3D曲面和實體設(shè)計

在GSD模塊下，將已生成的2D單節(jié)距線框展開投影到胎面曲線上，之后根據(jù)配置表關(guān)聯(lián)的3D設(shè)計參數(shù)進行角度掃掠、橋接、圓角和修剪等設(shè)計，生成花紋單節(jié)距3D曲面。在PDG（Part Design，零件設(shè)計）模塊下，將曲面進行封閉并轉(zhuǎn)化為3D實體的溝和鋼片，以備后續(xù)節(jié)距整周拼合時進行布爾減操作。

此時，利用CATIA知識工程的功能，將所有設(shè)計進行模板封裝，達到通過配置表選擇節(jié)距參數(shù)以實現(xiàn)3D單節(jié)距造型自動生成的目的。封裝時，需要發(fā)布pPitch_Code，Pitch_Code，nPitch_Code，Ro和Ro_LastPitch等參數(shù)，用于后續(xù)程序自動拼花時由程序?qū)?shù)進行自動設(shè)置。

4 輪胎整周花紋自動裝配

在CATIA的ASD（Assembly Design，裝配設(shè)計）模塊中，首先由輪廓曲線旋轉(zhuǎn)得到輪胎光胎實體，再利用CAA編程二次開發(fā)自動對3D節(jié)距實體進行多次調(diào)用，并根據(jù)模板自帶的旋轉(zhuǎn)功能使之旋轉(zhuǎn)到正確位置后進行布爾運算，實現(xiàn)自定義節(jié)距順序下的自動整周拼合。

以Ro_LastPitch 為上一個節(jié)距的角度參數(shù)，Ro為當(dāng)前節(jié)距的旋轉(zhuǎn)角度從而確定拼合位置。程序開發(fā)時，將第1個自動調(diào)入的節(jié)距的Ro_LastPitch參數(shù)默認為0°，模板自動計算第1個節(jié)距的Ro值。后續(xù)調(diào)用拼合的節(jié)距，均以Ro_LastPitch＝pRo（即等于上一個節(jié)距的Ro值），即可實現(xiàn)跨節(jié)距設(shè)計的節(jié)距自動拼合。

自動裝配時，用戶只需要在程序開發(fā)的對話框中輸入自定義節(jié)距排列順序“Pitch Arrange”，選擇需要調(diào)用的單節(jié)距模板“Select Pattern”，即可實現(xiàn)自動跨節(jié)距設(shè)計花紋的整周裝配，如圖4所示。

圖4 跨節(jié)距設(shè)計的花紋模板自動整周拼合

5 結(jié)語

本工作對輪胎花紋跨節(jié)距關(guān)聯(lián)設(shè)計方法進行探討，采用單節(jié)距模板設(shè)計，對跨節(jié)距花紋進行參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計，以跨節(jié)距參數(shù)等作為驅(qū)動進行跨節(jié)距花紋設(shè)計擴展的應(yīng)用。配合CAA二次開發(fā)，實現(xiàn)了簡單、便捷的生成跨節(jié)距設(shè)計下不同節(jié)距組合的單節(jié)距造型。

采用參數(shù)化跨節(jié)距模板方式進行花紋跨節(jié)距設(shè)計工作，結(jié)合CAA編程開發(fā)輸入自定義節(jié)距排序，自動完成輪胎花紋整周拼合的花紋設(shè)計，不僅大幅度縮短了設(shè)計開發(fā)人員的工作時間，同時避免在不同前、后節(jié)距組合設(shè)計時出現(xiàn)的人為錯誤，減少因排列組合不同而需要多次對節(jié)距花紋進行造型的工作，規(guī)范設(shè)計標準，提高了輪胎花紋圖的設(shè)計質(zhì)量。