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　　　法國達索飛機公司開發的CAD/CAM軟件。在中國由IBM公司代理銷售。CATIA軟件以其強大的功能在飛機、汽車、輪船等設計領域享有很高的聲譽。全球知名的汽車公司已經100％的切換為CATIA設計，并且國內一汽集團也在CATIA上投入將近一個億，可見大家對CATIA軟件的認同，北汽福田汽車公司于2003年引進CATIAV5，并當年就在其旗下的歐曼重卡體現出明顯的效益。CATIA軟件在汽車設計上的應用越來越廣泛，下文以轉向助力器支架的設計改進過程為例，簡介使用CATIA軟件的經驗和體會。

   一、故障的提出及分析

圖1 轉向助力器支架實物圖

    轉向助力器支架如（圖1-1）所示是用于固定轉向助力缸的零件，它的強度和質量直接關系到車輛的轉向性能，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，后果將不堪設想。當樣車生產出來后調試人員發現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、過去的傳統做法

    如果按傳統的設計方法，一般會對問題件進行加強，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行受力分析，但對于這種外形復雜的零件傳統力學的分析方法只能提供一個大致近似的結果，不能提供一個準確的答案。并且這種力學分析需要設計人員有較高的理論力學和材料力學的基礎，充裕的分析時間和豐富的設計經驗，而后者則是大多數剛接觸工作的設計人員所不具備的。目前階段國內也只有專門的研究機構能夠采用計算的方法，工廠一般很難開展。

三、引入CATIA

    現在引入CATIA來進行輔助設計，就可以模擬該件工作時的極限受力狀態找到應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我們分析得到的應力最大點如圖（A點）和實物相符，位移最大點也與我們當初的預期相吻合。

 

 

圖2 轉向助力器支架極限受力時的應力分析圖

 

表1 應力梯度表

 

 

圖3 轉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我們分析得到的應力最大點如圖（A點）和實物相符，位移最大點也與我們當初的預期相吻合。材料為235 MPa而最大應力集中點達到559MPa，差值達324MPa。為此首先把壁厚增加到8mm（圖4/B設計）最大應力從559MPa下降到393MPa下降了29%重量上升了5.6％，應力下降不太理想；然后在應力最大點處又添加了一條斜筋（圖4/C設計），再次進行GPS分析，應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筋，分析后發現收效甚微。最后將整個零部件填實，發現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是很難解決問題的，需要對零件的結構進行調整。最后借鑒并采用了另一種結構（圖4/D設計），這種結構受力性更好具體見（圖5及圖6）。

 

圖4 新設計的轉向助力器支架

 

    對（D）設計方案進行的GPS分析，結果如下：

 

 

圖5 新狀態轉向助力器支架極限受力應力分析圖

 

表3 應力梯度表

 

 

 

圖6 新狀態轉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

 

    基本滿足設計要求，對比上表新狀態和原始狀態重量和成本及投產工期上都有很大的增加，但為了達到設計強度的要求，著眼于降低市場故障率，減少三包費用等因素，并且維護客戶心目中的歐曼品牌形象。具有長遠的效益，但為了繼續提高零件可靠性，將零件材料Q235-A調整為優質碳素鋼將材料的強度極限從235 MPa 提高到315 MPa 使零件在極限受力時的安全系數從1.398提高到2至此完成改進計劃。

 

    五、結論、體會與目標

 

    首先，在改進過程中借助CATIA三維設計，節約了大量的人工計算時間，一目了然，可以對不同受力區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度問題盲目的加厚，加大的誤區。對比以往國外進口機械設備，就不難理解為什么他們的設備看上去又輕又薄，但卻能承受很大的力，而我們的設備看上去很粗壯，消耗了大量的材料，卻得不到很好的結果。關鍵在與他們的研發手段比我們要高明得多，并且效率極高，以轉向助力器支架為例，以一般的設計人員的熟練程度，建模需10分鐘左右GPS分析驗證2分種（惠普XW4100）最后得到分析結果，驗證一種方案總記也就15分鐘左右。

  其次，在改進過程中借助CATIA三維設計，節約的大量的人力，節約試制次數，在越大的總成設計時優越性越明顯，設計人員在使用CATIA設計過程中可以1:1的看到設計的最終結果，零部件的外形尺寸，各種參數表面的隱含的都一覽無遺，我們就可以進行空間層面上的三維校核，并及時進行調整。然而在過去兩維設計時，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計完畢，牽一發而動全身，各相關部分都要進行相應修改，隨之又要進行新一輪的試裝驗證，勢必造成設計資源和設計時間上的浪費，相反現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，設計人員完成設計，試裝驗證過程也就完成了，即在計算機上設計人員完成了以往試制車間的工作。

    再次，在改進過程中借助CATIA三維設計，能達到二維設計所不能達到的設計精度，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出來以后才能夠現場測量，并且現場諸多環境及人為因素都將造成誤差，而現在我們只需給出選用鋼板的密度和物料比重，計算機就可以根據數模計算出貨箱自重和承載重量，但我們也發現自重計算值比實際值平均高出4％，經分析主要原因為國內鋼板厚度一般取下差，標厚為2的鋼板，實際不到2。修正后我們認為計算值是可以可靠的反映真實情況的。

    回顧整個設計過程，發現使用CATIA三維設計已經顛覆了原有的兩維設計理念，必將帶來一場翻天覆地的大變革。而我們如果想與時代同步在研發手段上也必須跟上時代。