法國達(dá)索飛機(jī)公司開發(fā)的CAD/CAM軟件。在中國由IBM公司代理銷售。CATIA軟件以其強(qiáng)大的功能在飛機(jī)、汽車、輪船等設(shè)計領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)。全球知名的汽車公司已經(jīng)100％的切換為CATIA設(shè)計，并且國內(nèi)一汽集團(tuán)也在CATIA上投入將近一個億，可見大家對CATIA軟件的認(rèn)同，北汽福田汽車公司于2003年引進(jìn)CATIAV5，并當(dāng)年就在其旗下的歐曼重卡體現(xiàn)出明顯的效益。CATIA軟件在汽車設(shè)計上的應(yīng)用越來越廣泛，下文以轉(zhuǎn)向助力器支架的設(shè)計改進(jìn)過程為例，簡介使用CATIA軟件的經(jīng)驗和體會。

   一、故障的提出及分析

圖1 轉(zhuǎn)向助力器支架實物圖

    轉(zhuǎn)向助力器支架如（圖1-1）所示是用于固定轉(zhuǎn)向助力缸的零件，它的強(qiáng)度和質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的轉(zhuǎn)向性能，試想高速行駛的載重量超過20噸的重型卡車失去方向控制能力，后果將不堪設(shè)想。當(dāng)樣車生產(chǎn)出來后調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)在空載條件下助力器支架隨助力缸運動而扭動，如果加上載荷則有被撕裂的趨勢。

    二、過去的傳統(tǒng)做法

    如果按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，一般會對問題件進(jìn)行加強(qiáng)，比如加厚板厚、加重、提高材料的性能等。可是加在哪？加多少？則存在較大的盲目性。如果通過計算方法分析則需要對問題件進(jìn)行受力分析，但對于這種外形復(fù)雜的零件傳統(tǒng)力學(xué)的分析方法只能提供一個大致近似的結(jié)果，不能提供一個準(zhǔn)確的答案。并且這種力學(xué)分析需要設(shè)計人員有較高的理論力學(xué)和材料力學(xué)的基礎(chǔ)，充裕的分析時間和豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而后者則是大多數(shù)剛接觸工作的設(shè)計人員所不具備的。目前階段國內(nèi)也只有專門的研究機(jī)構(gòu)能夠采用計算的方法，工廠一般很難開展。

三、引入CATIA

    現(xiàn)在引入CATIA來進(jìn)行輔助設(shè)計，就可以模擬該件工作時的極限受力狀態(tài)找到應(yīng)力集中點及最大位移點，以便改善它的受力情況。

 

    具體步驟見下流程圖：

 

 

    如圖1-2我們分析得到的應(yīng)力最大點如圖（A點）和實物相符，位移最大點也與我們當(dāng)初的預(yù)期相吻合。

 

 

圖2 轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力時的應(yīng)力分析圖

 

表1 應(yīng)力梯度表

 

 

圖3 轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力變形圖

 

 

表2 變形量梯度表

 

 

     如圖1-2我們分析得到的應(yīng)力最大點如圖（A點）和實物相符，位移最大點也與我們當(dāng)初的預(yù)期相吻合。材料為235 MPa而最大應(yīng)力集中點達(dá)到559MPa，差值達(dá)324MPa。為此首先把壁厚增加到8mm（圖4/B設(shè)計）最大應(yīng)力從559MPa下降到393MPa下降了29%重量上升了5.6％，應(yīng)力下降不太理想；然后在應(yīng)力最大點處又添加了一條斜筋（圖4/C設(shè)計），再次進(jìn)行GPS分析，應(yīng)力和變形量最大值下降了59%但自重提高了44％。然后又嘗試在其他的地方填加加強(qiáng)筋，分析后發(fā)現(xiàn)收效甚微。最后將整個零部件填實，發(fā)現(xiàn)受力情況反而因為自重增加而更加惡劣。看來單純的對零件加強(qiáng)是很難解決問題的，需要對零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。最后借鑒并采用了另一種結(jié)構(gòu)（圖4/D設(shè)計），這種結(jié)構(gòu)受力性更好具體見（圖5及圖6）。

 

圖4 新設(shè)計的轉(zhuǎn)向助力器支架

 

    對（D）設(shè)計方案進(jìn)行的GPS分析，結(jié)果如下：

 

 

圖5 新狀態(tài)轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力應(yīng)力分析圖

 

表3 應(yīng)力梯度表

 

 

 

圖6 新狀態(tài)轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力變形圖

 

表4 變形量梯度表

 

 

    四、成本分析

 

 

表5 成本分析表

 

    基本滿足設(shè)計要求，對比上表新狀態(tài)和原始狀態(tài)重量和成本及投產(chǎn)工期上都有很大的增加，但為了達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的要求，著眼于降低市場故障率，減少三包費用等因素，并且維護(hù)客戶心目中的歐曼品牌形象。具有長遠(yuǎn)的效益，但為了繼續(xù)提高零件可靠性，將零件材料Q235-A調(diào)整為優(yōu)質(zhì)碳素鋼將材料的強(qiáng)度極限從235 MPa 提高到315 MPa 使零件在極限受力時的安全系數(shù)從1.398提高到2至此完成改進(jìn)計劃。

 

    五、結(jié)論、體會與目標(biāo)

 

    首先，在改進(jìn)過程中借助CATIA三維設(shè)計，節(jié)約了大量的人工計算時間，一目了然，可以對不同受力區(qū)域采取有針對性的不同對策，做到有的放矢，以免走入以前為解決強(qiáng)度問題盲目的加厚，加大的誤區(qū)。對比以往國外進(jìn)口機(jī)械設(shè)備，就不難理解為什么他們的設(shè)備看上去又輕又薄，但卻能承受很大的力，而我們的設(shè)備看上去很粗壯，消耗了大量的材料，卻得不到很好的結(jié)果。關(guān)鍵在與他們的研發(fā)手段比我們要高明得多，并且效率極高，以轉(zhuǎn)向助力器支架為例，以一般的設(shè)計人員的熟練程度，建模需10分鐘左右GPS分析驗證2分種（惠普XW4100）最后得到分析結(jié)果，驗證一種方案總記也就15分鐘左右。

  其次，在改進(jìn)過程中借助CATIA三維設(shè)計，節(jié)約的大量的人力，節(jié)約試制次數(shù)，在越大的總成設(shè)計時優(yōu)越性越明顯，設(shè)計人員在使用CATIA設(shè)計過程中可以1:1的看到設(shè)計的最終結(jié)果，零部件的外形尺寸，各種參數(shù)表面的隱含的都一覽無遺，我們就可以進(jìn)行空間層面上的三維校核，并及時進(jìn)行調(diào)整。然而在過去兩維設(shè)計時，我們只有等到把零件制造完成后試裝，這種問題才會暴露出來，那時各大總成均以設(shè)計完畢，牽一發(fā)而動全身，各相關(guān)部分都要進(jìn)行相應(yīng)修改，隨之又要進(jìn)行新一輪的試裝驗證，勢必造成設(shè)計資源和設(shè)計時間上的浪費，相反現(xiàn)在我們完成一次三維裝配后也就等于完成了一次試裝，從某種程度上講，設(shè)計人員完成設(shè)計，試裝驗證過程也就完成了，即在計算機(jī)上設(shè)計人員完成了以往試制車間的工作。

    再次，在改進(jìn)過程中借助CATIA三維設(shè)計，能達(dá)到二維設(shè)計所不能達(dá)到的設(shè)計精度，例如在貨箱自重和承載量的測量上，以前我們也是必須等到樣車生產(chǎn)出來以后才能夠現(xiàn)場測量，并且現(xiàn)場諸多環(huán)境及人為因素都將造成誤差，而現(xiàn)在我們只需給出選用鋼板的密度和物料比重，計算機(jī)就可以根據(jù)數(shù)模計算出貨箱自重和承載重量，但我們也發(fā)現(xiàn)自重計算值比實際值平均高出4％，經(jīng)分析主要原因為國內(nèi)鋼板厚度一般取下差，標(biāo)厚為2的鋼板，實際不到2。修正后我們認(rèn)為計算值是可以可靠的反映真實情況的。

    回顧整個設(shè)計過程，發(fā)現(xiàn)使用CATIA三維設(shè)計已經(jīng)顛覆了原有的兩維設(shè)計理念，必將帶來一場翻天覆地的大變革。而我們?nèi)绻肱c時代同步在研發(fā)手段上也必須跟上時代。