CATIA V5在汽車零部件強度設計上的應用

1、CATIA V5在汽車零部件強度設計上的應用北汽福田歐曼技術中心 熊仆 丁全CATIA是法國達索飛機公司開發(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

2、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(fā)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(tǒng)做法 如果按傳統(tǒng)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?？墒羌釉谀?？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(tǒng)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

3、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(tài)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

4、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(fā)現收效甚微。最后將整個零部件填實，發(fā)現受力情況反而因為自重增加而更加惡劣?？磥韱渭兊膶α慵訌娛呛茈y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/

5、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(tài)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(tài)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(tài)和原始狀態(tài)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(xù)提高零件可*性，將零件材料Q235-A調整為優(yōu)質碳素鋼將材料的強度極限從235 MPa 提高到315 MPa 使零件在

6、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(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度問題盲目的加厚，加大的誤區(qū)。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(fā)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

7、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(jié)約的大量的人力，節(jié)約試制次數，在越大的總成設計時優(yōu)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(fā)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(huán)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(fā)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