造型曲线驱动的客车车身骨架参数化设计方法

    车身骨架是客车的一个重要组成部分，如何通过提高车身骨架设计效率降低企业的开发成本，已成为客车企业发展所需要解决的突出问题。近年来，应用Top-Down思想进行客车车身骨架参数化设计已成为有效提高设计效率的主要途径之一。

    目前国内外已经有许多专业人士涉足这一领域的研究。例如，Hussein和Harrich等通过Excel向Catia导入车身侧围、前围三维坐标数据点，用数据点拟合曲线生成Top-Down顶层骨架，并驱动装配的方法，完成对客车车身骨架参数化模型的搭建，但没有公开具体的方法步骤。Prasannapriya.Chinta 和Dr. L. V. Venugopal Rao以Creo为平台完成对承载式客车骨架模型的建立及有限元分析，但是其三维模型部分只是完成尺寸驱动的型，不能实现车身造型曲线几何参数与客车车身骨架的关联设计。朱瑶洁以已有车型作为参照，在Creo平台上创建中型客车车身骨架的参数化模型，实现尺寸驱动，但使用的是自底向上的装配方式而非Top-Down方式，不利于更改设计，更不能更改车型的几何外型。齐圆圆建立以客车基本结构参数作为输入条件来驱动的Top-Down参数化客车车身骨架三维模型，虽然实现了客车造型曲线不变情况下客车结构尺寸大小改变的改型设计，但是通过造型曲线几何形状变化驱动客车车身骨架变化的目的仍不能达到。因此，目前客车车身骨架参数化设计的首要难题是造型曲线的外部导入和几何替换问题。

    针对以上情况，提出基于造型曲线的客车车身骨架参数化设计方法，通过输入造型曲线及客车基本结构参数构造Top-Down顶层骨架，建立客车车身骨架参数化模型。并在此基础上详细地介绍造型曲线几何替换原理，避免客车企业前期改型设计的反复修改问题，提高设计修改的柔性，缩短开发周期的效果。

1 客车车身骨架参数化设计流程

    在已有车型的基础上，对承载式客车车身骨架进行参数化设计，以某公司新能源客车系列中的E12车型作为参照和基础，构建出参数化的客车车身骨架模型的原型。该客车属于大型客车，车长12 m、车高3.4 m、车宽2.5 m，布置双通道门、双应急门、双逃生天窗，采用全承载布置。

    考虑到左右侧围因乘客门、逃生门、逃生窗的布置导致二者结构不对称，将该客车车身骨架按结构分为，左侧围、右侧围、顶围、地板、前围和后围六大组成部分。客车车身骨架模型将上游的造型数据输入、总布置输入等数据通过参数形式转化进入Top-Down顶层骨架中；然后在装配顶层中做替换和修改且向下传播到子骨架；继而将子骨架关联到各子总成零件中，从而实现底层零件的快速修改更新。客车车身骨架参数化设计流程如图1所示。

    图1 客车车身骨架参数化设计流程

    Top-Down顶层骨架主要包括点、线、面以及主要参数，而客车车身骨架则是指三维实体模型。前面所述文献中车身骨架参数化建模只解决了单一造型车型间尺寸变化的问题，其原因在于顶层骨架的构建方式只能输入单一的造型曲线，不能调整车宽、车高的尺寸大小，更不能替换造型曲线。本文中在一般Top-Down 顶层骨架基础上增加了造型曲线的可变输入，弥补了Top-Down顶层骨架的缺陷，从而实现了通过造型曲线几何形状变化驱动客车车身骨架变化的目的，即外部造型曲线几何参数与客车车身骨架的关联设计。

2 车身骨架参数化建模

2.1 搭建TBS车身顶层骨架模型

2.1.1 确立主要参数

    依据汽车设计手册和客车标准GB/T 13053-2008、GB/T 23334- 2009、GB/T13055- 1991、GB/T17340-1998、GB/T 13053-1991、GB/T 12483-1990、GB/T 12482-1990等，及总布置、客车整体结构特征和人机工程特征，并参考E12系列车型的实际结构布置，确定顶层骨架中的主要参数（表1），通过改变参数值大小，实现车身骨架参数化设计目的。车高CZ、车宽CY、前围FW等由外部造型所确定。

    表1 部分主要参数

2.1.2 输入造型曲线

    由Top-Down 顶层骨架发布点、线、面驱动构成子骨架，子骨架驱动再生成子产品，这样就实现了Top-Down 顶层骨架与各级子零件实现参数关联、几何关联和逻辑关联。确立主要参数后，与造型部门发布的造型曲线协同搭建Top-Down 顶层骨架如图2所示。造型曲线包括龙门曲线、前围曲线、后围曲线，此三者的替换方式相类似，本文中以龙门曲线为例阐述造型曲线的替换过程。

    图2 Top-Down顶层骨架

2.1.3 非参龙门曲线直接驱动的局限性

    基于Catia知识工程模块，实现非参龙门曲线直接驱动车身骨架参数化设计，需运用几何参数Curve驱动造型曲线的替换，具体步骤如下：新建几何参数Curve，如图3所示；将非参龙门曲线赋值给几何参数Curve，使用Rule控制几何参数Curve与龙门曲线映射关系，如图4所示；当 f (x) =A时，输出Curve为龙门曲线1，f (x) =B 时，输出Curve为龙门曲线2。

    由此可见Catia几何参数Curve相当于一个空的指针函数，使用非参龙门曲线与几何参数映射关系的方式，可实现客车企业改型设计的目的，但缺陷有3点：1）运用几何参数Curve直接驱动龙门曲线将导致重复性建模。由于造型部门优先级高于工程设计部门，若造型部门发布新的龙门曲线，且工程设计部门依据造型曲线设计车身骨架，则产品设计工程师需将导入的非参龙门曲线再次赋值给几何参数Curve。2）无法实现替换龙门曲线驱动车身骨架改型设计的目的。因造型部门发布的新龙门曲线的参考坐标系可能由于某种原因，与参数化模型中的原型龙门曲线坐标系不一致，而造型曲线的替换需在同一坐标系下完成。3）当各龙门曲线坐标系一致时，龙门曲线无法实现y 向和z 向偏移变化，即无法实现在输入同一龙门曲线的情况下，车宽和车高尺寸变化的目的。

    故直接驱动的方式不符合客车企业要求实现替换非参龙门曲线，直接关联输出新的车身骨架三维数模的要求。造型曲线一般由造型部门通过工业设计软件获得，造型部门发布造型曲线给结构设计部门，再根据造型曲线建立参数化客车车身骨架模型。但造型部门导入到Top-Down 顶层骨架的龙门曲线非参，此非参曲线只可映射车长尺寸的变化，不能改变车高、车宽尺寸值。且参数化建模的核心在于参数驱动，Top-Down的核心在于信息传递，信息媒介即参数，因此，要实现龙门曲线的替换，必须将龙门曲线参数化。

2.2 替换TBS车身顶层骨架模型

2.2.1 龙门曲线参数化

    综上所述，非参龙门曲线直接参数化不可能实现。若要实现非参龙门曲线参数化，可改变其参数化思路，变直接为间接，即将非参龙门曲线离散成多个点。具体步骤如下：

    1）非参龙门曲线左右对称只需离散一半即可，非参离散点如图5所示。

    图5 非参离散点

    2）因极值点较稳定，测量非参龙门曲线沿y 向和z向极值作为离散处理的参考点。

    3）建立离散点与客车车身骨架主要参数的联系，将离散点的坐标值与车宽高建立关系，有矩阵方程，即非参离散点的参数化：

4）三次样条插值拟合参数化的离散点。离散点越多，拟合得到的参数化龙门曲线越是逼近原始输入龙门造型曲线，对此文献给出了理论依据。

    点的参数化拟合过程繁琐，而VB对Catia有很好的兼容性。可通过VB 6.0编程进行二次开发，采用程序代替大量重复性劳动。可提高建模效率和准确性，实现替换龙门曲线并驱动生成客车车身骨架的功能，其中部分源代码如下：

    此离散点参数化程序需注意2点：更改程序中函数.CreateInteger("N", 60)时，离散点个数N 可控制拟合参数化龙门曲线精度；VB 6.0 API 函数.AddNewPointCoord(0, 0, 0)只识别数值，不支持离散点直接参数化，对此可转变编程思路，间接实现离散点的参数化，通过运用API 函数.CreateFormula公式关联坐标.AddNewPointCoord(0, 0, 0)里各分量值的方式，实现离散点参数化的目的。

2.2.2 替换顶层骨架

    外部导入新的非参龙门曲线，运用“Replace”命令替换顶层骨架中已有的非参龙门曲线，输出新的TBS顶层骨架模型。

2.3 子骨架

    整车车身线架由左侧侧围子骨架、右侧侧围子骨架、地板子骨架、顶围子骨架、后围子骨架六大部分组成。各子骨架均由顶层骨架发布的点、线、面及相关子总成所需的参数构成。

    以右侧侧围子骨架为例阐述子骨架建模过程，右侧侧围子骨架及模型树如图6 所示。在Top-Down顶层骨架中发布轴距WB、侧窗高度SWH、侧舱高度LH、侧围高度SWLH等主要参数及龙门曲线至右侧侧围子骨架。右侧侧围子骨架模型树中External Reference（外部参考）与External Parameter（外部参数）即是子骨架与顶层骨架联系的纽带，External Reference即发布的龙门曲线，External Pa?rameter即发布的参数。

    图6 右侧侧围子骨架及模型树

2.4 装配客车车身骨架

    左侧侧围子骨架、地板子骨架、顶围子骨架、后围子骨架、前围子骨架与上述右侧侧围子骨架构建方法一致，装配各子骨架构成的整车车身线架如图7a所示。运用Catia V5 Structure Design结构设计模块构建实体，依据整车车身线架及客车国标GB6727-86、GB/T l7578-1998、GB 13094-2007等选择相应型材，若Catia自带型材库里面没有要求的型材，可依据GB自建型材库。整车车身线架驱动的整车车身骨架如图7b所示。

    图7 整车车身线架和骨架

3 测试

    参数化设计的方法原理以及参数化系统的建立是目前参数化设计中探讨的热点。无论对于一个完善的参数化系统还是一个合理的参数化模型，都必须进行参数测试，通过参数测试可以发现系统中存在的问题，全参模型只有测试成功，才能说明参数化系统功能正常。

    本文中研究的重点在于造型曲线的替换驱动问题，故把测试的重点放在替换龙门曲线对车身骨架参数化系统的影响上。龙门曲线替换前的客车车身骨架模型如图8a所示，龙门曲线替换后的客车车身骨架模型如图8b所示，替换后，客车车身骨架参数化系统功能正常，测试表明替换龙门曲线实现了参数化车身骨架的关联驱动。

    图8 龙门曲线替换前后的客车车身骨架

4 结束语

    以某款客车为研究对象，基于Catia V5 平台Top-Down参数化，建立了由造型曲线驱动的车身骨架参数化设计模型；详细介绍了基于造型曲线的客车车身骨架参数化设计思想，实现了替换客车龙门曲线、前围曲线、后围曲线而驱动的参数化车身骨架模型，提高了设计与分析的柔性、产品的系列化、通用化和标准化，最大限度地方便同平台车的改型设计，缩短了整车设计的开发周期，提高了效率，在实际工程使用中有很大的借鉴意义。