CATIAV5软件在汽车零部件强度设计上的应用

    CATIA是法国达索飞机公司开发的CAD/CAM软件。在中国由IBM公司代理销售。CATIA软件以其强大的功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。全球知名的汽车公司已经100％的切换为CATIA设计，并且国内一汽集团也在CATIA上投入将近一个亿，可见大家对CATIA软件的认同，北汽福田汽车公司于2003年引进CATIAV5，并当年就在其旗下的欧曼重卡体现出明显的效益。CATIA软件在汽车设计上的应用越来越广泛，下文以转向助力器支架的设计改进过程为例，简介使用CATIA软件的经验和体会。

    一、故障的提出及分析

图1 转向助力器支架实物图

    转向助力器支架如（图1-1）所示是用于固定转向助力缸的零件，它的强度和质量直接关系到车辆的转向性能，试想高速行驶的载重量超过20吨的重型卡车失去方向控制能力，后果将不堪设想。当样车生产出来后调试人员发现在空载条件下助力器支架随助力缸运动而扭动，如果加上载荷则有被撕裂的趋势。

    二、过去的传统做法

    如果按传统的设计方法，一般会对问题件进行加强，比如加厚板厚、加重、提高材料的性能等。可是加在哪？加多少？则存在较大的盲目性。如果通过计算方法分析则需要对问题件进行受力分析，但对于这种外形复杂的零件传统力学的分析方法只能提供一个大致近似的结果，不能提供一个准确的答案。并且这种力学分析需要设计人员有较高的理论力学和材料力学的基础，充裕的分析时间和丰富的设计经验，而后者则是大多数刚接触工作的设计人员所不具备的。目前阶段国内也只有专门的研究机构能够采用计算的方法，工厂一般很难开展。

    三、引入CATIA

    现在引入CATIA来进行辅助设计，就可以模拟该件工作时的极限受力状态找到应力集中点及最大位移点，以便改善它的受力情况。

    具体步骤见下流程图：

    如图1-2我们分析得到的应力最大点如图（A点）和实物相符，位移最大点也与我们当初的预期相吻合。

图2 转向助力器支架极限受力时的应力分析图

表1 应力梯度表

图3 转向助力器支架极限受力变形图

表2 变形量梯度表

     如图1-2我们分析得到的应力最大点如图（A点）和实物相符，位移最大点也与我们当初的预期相吻合。材料为235 MPa而最大应力集中点达到559MPa，差值达324MPa。为此首先把壁厚增加到8mm（图4/B设计）最大应力从559MPa下降到393MPa下降了29%重量上升了5.6％，应力下降不太理想；然后在应力最大点处又添加了一条斜筋（图4/C设计），再次进行GPS分析，应力和变形量最大值下降了59%但自重提高了44％。然后又尝试在其他的地方填加加强筋，分析后发现收效甚微。最后将整个零部件填实，发现受力情况反而因为自重增加而更加恶劣。看来单纯的对零件加强是很难解决问题的，需要对零件的结构进行调整。最后借鉴并采用了另一种结构（图4/D设计），这种结构受力性更好具体见（图5及图6）。

图4 新设计的转向助力器支架

    对（D）设计方案进行的GPS分析，结果如下：

图5 新状态转向助力器支架极限受力应力分析图

表3 应力梯度表

图6 新状态转向助力器支架极限受力变形图

表4 变形量梯度表

    四、成本分析

表5 成本分析表

    基本满足设计要求，对比上表新状态和原始状态重量和成本及投产工期上都有很大的增加，但为了达到设计强度的要求，着眼于降低市场故障率，减少三包费用等因素，并且维护客户心目中的欧曼品牌形象。具有长远的效益，但为了继续提高零件可靠性，将零件材料Q235-A调整为优质碳素钢将材料的强度极限从235 MPa 提高到315 MPa 使零件在极限受力时的安全系数从1.398提高到2至此完成改进计划。

    五、结论、体会与目标

    首先，在改进过程中借助CATIA三维设计，节约了大量的人工计算时间，一目了然，可以对不同受力区域采取有针对性的不同对策，做到有的放矢，以免走入以前为解决强度问题盲目的加厚，加大的误区。对比以往国外进口机械设备，就不难理解为什么他们的设备看上去又轻又薄，但却能承受很大的力，而我们的设备看上去很粗壮，消耗了大量的材料，却得不到很好的结果。关键在与他们的研发手段比我们要高明得多，并且效率极高，以转向助力器支架为例，以一般的设计人员的熟练程度，建模需10分钟左右GPS分析验证2分种（惠普XW4100）最后得到分析结果，验证一种方案总记也就15分钟左右。

    其次，在改进过程中借助CATIA三维设计，节约的大量的人力，节约试制次数，在越大的总成设计时优越性越明显，设计人员在使用CATIA设计过程中可以1:1的看到设计的最终结果，零部件的外形尺寸，各种参数表面的隐含的都一览无遗，我们就可以进行空间层面上的三维校核，并及时进行调整。然而在过去两维设计时，我们只有等到把零件制造完成后试装，这种问题才会暴露出来，那时各大总成均以设计完毕，牵一发而动全身，各相关部分都要进行相应修改，随之又要进行新一轮的试装验证，势必造成设计资源和设计时间上的浪费，相反现在我们完成一次三维装配后也就等于完成了一次试装，从某种程度上讲，设计人员完成设计，试装验证过程也就完成了，即在计算机上设计人员完成了以往试制车间的工作。

    再次，在改进过程中借助CATIA三维设计，能达到二维设计所不能达到的设计精度，例如在货箱自重和承载量的测量上，以前我们也是必须等到样车生产出来以后才能够现场测量，并且现场诸多环境及人为因素都将造成误差，而现在我们只需给出选用钢板的密度和物料比重，计算机就可以根据数模计算出货箱自重和承载重量，但我们也发现自重计算值比实际值平均高出4％，经分析主要原因为国内钢板厚度一般取下差，标厚为2的钢板，实际不到2。修正后我们认为计算值是可以可靠的反映真实情况的。

    回顾整个设计过程，发现使用CATIA三维设计已经颠覆了原有的两维设计理念，必将带来一场翻天覆地的大变革。而我们如果想与时代同步在研发手段上也必须跟上时代。