[摘要] 一、引言 随着我国国民经济的发展，各行各业在设计技术方面的投入已有相当的基础，计算机三维设计技术在中国企业中的应用也非常广泛
一、引言
随着我国国民经济的发展，各行各业在设计技术方面的投入已有相当的基础，计算机三维设计技术在中国企业中的应用也非常广泛。CATIA作为三维设计软件之一，广泛应用于轨道交通行业车辆研发中。城市轨道交通车辆，如地铁、轻轨和磁悬浮车辆等，整个产品的三维模型较为庞大，当装配零、部件数量达到一定数量级时，仅仅是打开三维模型，就使得一般32位计算机系统的内存达到满负荷，甚至无法再进行其他任何操作，这使得三维设计的效率大打折扣。因此，为了更好地满足设计工作的要求，本文笔者在CATIA应用方法论和具体解决措施方面做了一些探索，取得了较好的应用效果。
二、大型系统三维设计的特点
如果产品数模较小，不论是三维建模、二维出图，还是进行仿真分析等，都能够高效率地应用CATIA进行三维设计。但是，当产品的数模达到一定量级，或者是需要进行远程多地多成员协同设计时，由于受到硬件条件的限制，无论是对设计数据的高效管理，还是对实际应用过程中模型修改和借用，都会存在影响应用效率的问题，处理速度就是一个较为突出的瓶颈问题。
例如，在工作站进行测试，仅仅是打开一个总数据量约为386MB、零件数共3296个的三维模型(中等量级的数模)，花费的时间就达到8分钟，打开后占据了64.9%内存;再对该模型进行二维图投图、模型更新等操作时就无法进行，而且模型的装配约束的数量、模型的关联关系等因素的复杂程度会进一步影响处理速度，大型数模的操作效率成为了设计师不能忍受之痛。
三、自顶向下的设计方法
由负责总体设计的人员定义车辆的装配结构，创建总装配和下一级的子装配的基本结构，并创建骨架文件，分发给子系统的设计人员。这时的文件可以是空的，是一种逻辑上的关系，并未包含数据。子系统的设计人员可以应用同样的方法，定义这个子装配下属的装配件和零件，也可以有这个子系统的骨架(重要部件)。由子系统的设计人员或零件设计人员建模。其产品的设计流程如图1所示。
图1设计流程图
(1)首先需要从合同或者技术规格书中得到该产品的总体技术指标。
(2)按照技术指标进行总体的规划，参照相应标准及借鉴以往成熟产品进行总骨架设计，如果借用以往产品中的元素，必须断参。
(3)各个系统以总骨架为基准，进行子骨架的设计，仅能以总骨架作为设计参考。
(4)进行具体零件的设计，仅允许与该系统子骨架保持外部关联，其余来源的参考元素可以使用，但是必须断参。
(5)将设计好的零件调入到装配中组成虚拟产品，并进行分析检查工作，进一步完善设计。
(6)按照三维零件与组件投影二维工程图，并标注尺寸，添加标题栏及文字注释等。
四、骨架设计
骨架是CATIA设计的源头，它控制着整车或整个系统的布局。骨架包含了整个车辆结构中最主要的几何架构和参数要求，是控制和支撑整个设计过程、整个车辆总成的基础。骨架用一个CATPart文件(即CATIA的零件文件)表示，由负责总体设计的人创建和修改。骨架文件包含车辆的基准平面(包括轨面、纵向中心面、车辆定距平面、地板布平面、铝地板平面和车顶平面等)、车体外轮廓线、车体外轮廓曲面和空调参考曲线等大部分设计人员要参照的几何元素。并且针对车辆的每一个子系统(车窗、车门、空调机组平台、受电弓平台、车下设备限界、车辆限界和转向架)创建一个几何元素集，包含设计这个子系统时必须遵循和需要参考的一些几何元素，例如轮廓曲线、定位平面等。骨架还包括重要的全局参数，如车辆长度、车顶高度、铝地板高度和转向架中心距等。另外，在整个设计结构比较复杂的情况下，可以把对于某个子系统比较重要、但是不影响这个子系统以外结构的元素组成子系统的骨架，控制和驱动这个子系统。
骨架可以按其作用范围分为总骨架和子骨架两大类。总骨架包括车体总骨架和转向架总骨架。例如，车体子骨架的内容如图2所示。
图2二级子骨架的分类
1.骨架模板
图3是一个骨架文件的几何元素图片。骨架设计模板的结构如图4所示。
图3骨架的几何元素
图4骨架设计模板的结构
骨架模板的特征树中有四个意义明确的几何图形集，用以存放各种元素。其中零件坐标系用以存放起始坐标，并可复制，可移动位置;设计输入用以存放外部引用信息，如子骨架从总骨架中引用的信息;设计过程用以存放所有结果及其求解过程;设计发布用以存放需要发布的结果，存到不同几何图形集中(名称与设计过程相同)，并保持相应的连接，以便于设计人员对元素的选择。
2.骨架的引用和关联设计
负责每一个子系统的设计人员把骨架文件作为参考，打开骨架文件，拷贝所需的几何元素，用带关联的方式粘贴到自己的文件中。这样不但得到需要的几何元素，而且保持和骨架的关联。当设计中一些重要的参数或轮廓外形需要调整和改变时，负责总体设计的人员只要在骨架文件中加以修改，子系统中相关的结构会随之自动刷新，所有引用的定位关系保证和总骨架文件一致。
为了维护这种关联，得到最好的可修改性，在总体工程师创建和修改骨架的过程中，在设计工程师引用骨架中公用元素的过程中，要遵循正确的方法，保持正确的关联。在关联出错的情况下，可以断开关联，这时骨架不能继续施加影响。也可以在断开关联之后重新拷贝、粘贴和替换，重新建立关联，保留已经做好的造型工作。CATIA文件的关联在SmarTeam系统中得以保持。
3.使用骨架的注意事项
(1)使用子骨架，建议仅使用到二级骨架，减少骨架层次。骨架信息的关联方式，采用从总骨架到子骨架、再到零件的逐级传递的方式，如图5所示。
图5骨架文件的关联关系
(2)在引用骨架文件的参考信息时，容易犯以下几种错误。
◎尽量避免从总骨架引用信息，如图6所示。
图6总骨架的错误引用
◎尽量避免直接从其他零件中直接引用参考信息，如果必须使用，则结果必须断参，如图7所示。
图7零件间的错误引用
◎不能将骨架文件直接插入到装配文件下，如图8所示。而是应该把骨架中的信息通过CCP-Link拷贝到零件文件中使用。
图8分骨架的错误引用
五、起始模板的建立
根据不同设计要求共设计5种起始模板文档，分别为骨架设计模板、零件设计模板、复合材料设计模板、外来部件模板和装配设计模板。设计人员从起始模板开始设计工作，有助于规范工程师的操作方法，同时提高工作效率。
以普通零件起始模板为例，按照实体零件结构及特征的特点，创建以布尔运算为核心的零件起始模板文档(*.part)，并在文档中加入密度函数与重量中心统计函数，如图9所示。
图9零件设计模板
该模板特征树中有意义明确的几何体集合、一个默认为空的最终模型集合、一个参数的集合、两个几何图形集以及一个函数关系的集合。
结构树中各项的存储内容如下。
(1)外部输入元素：存储从骨架文件中拷贝过来的信息，辅助几何元素图形集中存储的是在建模过程中创建的参考信息。
(2)Parameters：存储各类参数，如密度、重量、材料信息以及其他参数，这里的材料信息是通过下拉菜单来选择，并自动计算密度、重量及重心信息。
(3)Relations：在该几何集中，除了普通的数值函数关系外，还存储了质量、材料的条件判断函数。
(4)最终模型：存储实体特征布尔运算的结果。
(5)主特征基准、主特征添加、主特征切除、辅助特征添加以及辅助特征切除，这五个几何体用以存储局部特征的创建过程。各个分特征和布尔运算结果间保持CCP-Link。
六、大装配的处理方法
由于文件的数据量大，各种关联比较多，造成了大装配文件在打开、投二维工程图时比较慢，即使在打开后，作检查和分析时的速度也不理想。解决办法如下。
(1)启用高速缓存，在快速打开浏览模型的同时，不影响测量与分析。
(2)应用AssociatedPart功能解决大装配投影工程图做背景速度慢的问题。当装配件中零件发生更改，或装配件中新增、删除零件时，关联的AssociatedPart会同步更新。
(3)选择性载入文档：大装配打开时，所有内容都不载入，设计师有选择地载入所需要的模型;设计师局部修改时，只需要载入局部数模，修改完成后，载入Associated Part进行同步更新。
1.AssociatedPart的生成与应用
打开文件后载入文档，并切换到设计模式下，利用CATIA中Associativity命令就可以把当前激活的装配生成一个多几何体的零件，如图10所示。
图10Associativity命令的结果
所有的几何体都与相应的Part文件保持外部关联，并可以随时在当前的装配中更新;当装配中的子零件发生变化时，可以通过更新当前的装配来同步生成AssociatedPart，并可以随时在当前的装配中更新。AssociatedPart可以用来投影二维工程图，也可以用作其他装配文档的背景信息。
2.大装配二维制图方法
工程出图时，选择AssociatedPart进行投影图操作(图
11)。与传统方式相比，AssociatedPart方式制作的工程图数据量小，操作速度有大幅提升。
图11利用AssociatedPart生成工程图
七、工程图标准化
为了达到工程图标准化的目的，制定标准的工程图制图规范，以便符合公司的工程图制图要求。通过完成CATIA中Standard、GVS(generativeviewstyle)的设置，实现工程图标准化，定制出适合本公司需求的工程图环境。
Standard主要完成包括图幅(大小/视角)、尺寸(尺寸值/尺寸线/箭头)、视图(视图标注/视图轮廓)、文本(字体类型/大小)以及公差等二维图中的相关信息。
GVS的设置主要实现轴线、中心线、圆角、隐藏线、螺纹、三维点和三维线框等信息的显示/隐藏;各种视图(剖视图、打断视图和详视图等)的线型、线宽及颜色等要素的设定。
八、管路设计中TubingDesign模块的应用
1.TubingDesign与传统设计方式对比
为了更方便、快捷地进行管路设计，引进了CATIA中的TubingDesign模块。传统的设计方式是根据背景及定位，先利用PartDesign菜单中的sketch命令画出管路的骨架，利用rib命令生成管路，之后再利用AssemblyDesign将库中的附件调入模型中，利用装配命令将其约束于所需位置，数据量大，设计繁琐及修改不便。
而利用TubingDesign模块，可根据图样布置管路走向，利用placetubingpart命令调用库中附件，放于指定位置，之后再附加管路材质(TubeWithBends)，如图12所示。
图12生成管路
用该模块设计的管路模型不仅数据量小，并且设计方法简单，修改方便，符合工程师的设计习惯。在HD2模型里，管路中的附件是由约束来定位的，修改骨架之后约束不变，需重新修改。而Tubing所建模型中管路与附件是相关联的，修改模型中的管路走向，附件会跟着移动(图13);或者移动接头的位置，管路也会跟着发生变化。
图13管路或附件的修改
使用Tubing Design设计管路的优势总结如下。
(1)设计过程简单，无需利用sketch构建骨架，可直接构建管路。
(2)附件可直接利用placetubingpart命令从库中调入模型，并置于指定位置，无需利用约束来完成。
(3)可自定义管路的编号规则。
(4)管路分类，并在设置环境时将属性添加到各分类之下，设计时直接调用即可。
(5)后期修改快捷方便。
(6)二维和三维很好的集成。
(7)可以自动生成Report，方便统计管路及附件的种类、数量等。
(8)模型量小，操作快捷。
2.管路标准件库在Smarteam中的管理与调用
在服务器上将环境中的TubingPartsCatalog解析并保存到SmarTeam后，Release并保留本地库文件。此时工程师调用管理标准件是通过网络共享文件的形式访问，而非直接访问电子仓库。这样既提高了设计效率，又使得管路标准件记录了SmarTeam属性信息，便于PDM系统管理。
九、结语
经过一段时间的普及应用，相比应用上述措施前，三维设计应用效率和水平有了大幅的提高，上海国产化A型地铁目前已经完成十万公里载客运营试验，各项技术指标都达到了设计的要求。A型地铁能够在两年的时间内顺利研制和试验成功，得益于采用了先进的设计手段，得益于交通委员会城市轨道交通分会和上海市各级政府部门整合“产、学、研、用”以及社会各方面的优势资源，得益于敢于首先突破国产核心技术在重大项目中的实际应用。我们公司在充分调查和了解用户实际需求的基础上进行自主创新研发，在重大装备设计和制造方面走出了一条新路，对城市轨道交通行业的健康发展具有积极的意义。
作者：上海轨道交通设备发展有限公司陈文红严晓明周红 上海江达科技发展有限公司陆广霖
来源：CAD/CAM与制造业信息化
