一、引言
在進(jìn)行汽車車身總布置設(shè)計(jì)時(shí),需要經(jīng)常使用人體模型,建立一個(gè)反映常用人體尺寸、可以方便快捷地進(jìn)行關(guān)節(jié)角度調(diào)整的參數(shù)化人體模型就顯得十分重要。
為適應(yīng)設(shè)計(jì)開發(fā)的需要,CATIA軟件集成了人體工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析(Ergonomics Design&Analysis)內(nèi)容,人體模型(Human Builder)也是其中基礎(chǔ)性模塊,但沒有針對中國人體尺寸的人體模型設(shè)置選項(xiàng),根據(jù)其中的三維人體模型直接生成二維圖也存在一定的困難。
本文使用CATIA知識工程、參數(shù)化模塊,結(jié)合汽車設(shè)計(jì)常用人體尺寸,建立了適用于汽車車身總布置的參數(shù)化人體模型,這一參數(shù)化模型可以應(yīng)用于三維總布置設(shè)計(jì)及二維總布置圖等汽車總體設(shè)計(jì)工作中。
二、CATIA知識工程與參數(shù)化技術(shù)
知識工程具有極其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,最重要的應(yīng)用之一就是與傳統(tǒng)的CAX系統(tǒng)相結(jié)合;谥R工程的CAX系統(tǒng)起源于20世紀(jì)90年代初的美國,最初通過與CATIA和ICAD軟件相結(jié)合應(yīng)用于波音公司的飛機(jī)沖壓件設(shè)計(jì)中。知識工程使得CAD設(shè)計(jì)融入了領(lǐng)域?qū)<业闹R和經(jīng)驗(yàn),在不需要人工參與或很少參與的情況下,能快速、自動(dòng)地根據(jù)用戶的要求改變或產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)方案,提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)。如今,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,知識工程已成為CATIA軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。
1.CATIA V5知識工程模塊
CATIA V5軟件知識工程模塊包括知識工程顧問(Knowledge Advisor)、知識工程專家(Knowledge Expert)、產(chǎn)品知識模板(Product Knowledge Template)、業(yè)務(wù)流程知識模板(Business Process Knowledge Template)、產(chǎn)品工程優(yōu)化(Product Engineering Optimizer)、產(chǎn)品功能定義(Product Function Definition)和產(chǎn)品功能優(yōu)化(Product Function Optirnization)7個(gè)子模塊。通過這些模塊,用戶可以方便地進(jìn)行知識庫的創(chuàng)建、使用等應(yīng)用工作。
2.CATIA V5知識工程基本工具
表1是CATIA軟件知識工程基本工具列表。這些基本工具包含在Knowledge、Reactive Features等工具條中,其中Knowledge工具條內(nèi)嵌到其他設(shè)計(jì)模塊中,設(shè)計(jì)人員不必切換到專門的知識工程模塊即可直接使用。通過這些工具,就可以把產(chǎn)品設(shè)計(jì)的隱形知識轉(zhuǎn)化成CATIA軟件中知識工程模塊可識別的顯性知識,從而為知識工程模塊使用這些知識打下了基礎(chǔ)。
表1 CATIA知識工程基本工具
3.CATIA V5知識工程運(yùn)用基本過程
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,把與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的所有信息收集起來,如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、尺寸關(guān)聯(lián)、尺寸約束、特征關(guān)聯(lián)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、材料要求、制造工藝和同類產(chǎn)品信息等,并加以分類、抽象和改進(jìn),組成一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的知識庫,通過定義體現(xiàn)產(chǎn)品特征知識之間依附關(guān)系和約束關(guān)系的知識規(guī)則,形成以知識驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化、智能化設(shè)計(jì)。
CATIA知識工程模塊是知識工程方法與CAD軟件結(jié)合的產(chǎn)物。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,可以將專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識通過表1所示的工具及CATIA知識工程模塊,與CAD設(shè)計(jì)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參數(shù)化、智能化。圖1是基于CATIA知識工程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)的基本流程。
圖1 基于CATIA知識工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程
基于CATIA知識工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后,可以將其作為設(shè)計(jì)模板在后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)多次重復(fù)使用。使用時(shí),通過修改產(chǎn)品特征樹(Specification)的產(chǎn)品參數(shù)值,就可以實(shí)時(shí)改變模型的尺寸和特征,通過知識工程模塊引入的設(shè)計(jì)知識會檢驗(yàn)?zāi)P褪欠穹显O(shè)計(jì)要求,并及時(shí)與設(shè)計(jì)人員對話,對于不符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)設(shè)置,給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh,讓設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)做出進(jìn)一步調(diào)整,直到滿足要求,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)。
三、車身總布置用人體模型知識
1.車身總布置設(shè)計(jì)用人體模型尺寸
車身總布置設(shè)計(jì)與人體尺寸有著密切關(guān)系。在進(jìn)行車身總布置設(shè)計(jì)時(shí),遵循“大多數(shù)人”的設(shè)計(jì)原則,以普通男子第95百分位(P95)人體尺寸和普通女子第5百分位(P5)人體尺寸作為設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)車型目標(biāo)市場的不同,車身總布置設(shè)計(jì)常用的人體模型主要包括國家標(biāo)準(zhǔn)、SAE標(biāo)準(zhǔn)等。因此,用于車身總布置設(shè)計(jì)的人體模型尺寸相對固定。
2.汽車人體坐姿關(guān)節(jié)角度及舒適性范圍
車身總布置設(shè)計(jì)必須考慮乘員的乘坐舒適性。人體乘坐的舒適和疲勞程度與坐姿關(guān)節(jié)角度關(guān)系密切。在車身總布置設(shè)計(jì)時(shí),通常需要進(jìn)行人體各關(guān)節(jié)角度的調(diào)整以獲得舒適的人體坐姿。
圖2 人體模型關(guān)節(jié)角度
圖2是人體模型關(guān)節(jié)角度示意圖,這些關(guān)節(jié)角度直接影響著人的乘坐舒適性。
舒適關(guān)節(jié)角度隨車型不同而有較大差別。對于關(guān)節(jié)角度,不同文獻(xiàn)給出的關(guān)節(jié)角度舒適值范圍存在一定差異。經(jīng)綜合比較,轎車駕駛員推薦采用表2給出的人體關(guān)節(jié)角度舒適值范圍。需要說明的是,對于不需要操縱車輛的其他乘員,乘員的舒適坐姿范圍與駕駛員坐姿也存在一定差別。
四、基于CATIA知識工程的參數(shù)化人體模型的建立
1.人體模型肢體層次結(jié)構(gòu)
由于車身總布置中使用的人體模型尺寸相對固定,而需要頻繁改變、調(diào)整的只是人體的關(guān)節(jié)角度數(shù)值。因此,下面在建立人體模型時(shí),主要針對影響車身總布置的人體各個(gè)關(guān)節(jié)角度,而人體尺寸不做參數(shù)化處理。
為實(shí)現(xiàn)人體各關(guān)節(jié)角度的參數(shù)化,首先將人體各部分拆分開來,以軀干作為根節(jié)點(diǎn),手、足作為末端節(jié)點(diǎn)。圖3是拆解得到的人體模型肢體層次結(jié)構(gòu)。
圖3 人體模型肢體層次結(jié)構(gòu)
2.基于CATIA/GSD模塊的參數(shù)化人體模型
根據(jù)人體模型層次結(jié)構(gòu),通過CATIA軟件創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊(GSD:General Shape Design)中的旋轉(zhuǎn)(Rotate)命令,逐一定義相鄰關(guān)節(jié)之間的角度關(guān)系。這樣,借助CATIA軟件,參數(shù)化人體模型建立起來,如圖4。
圖4 關(guān)節(jié)角度可調(diào)的參數(shù)化人體模型
通過CATIA/GSD模塊中的旋轉(zhuǎn)(Rotate)命令建立的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù),就是用于調(diào)整人體姿態(tài)的關(guān)節(jié)角度。在進(jìn)行人體姿態(tài)調(diào)整時(shí),只要修改裝配模型中各旋轉(zhuǎn)( Rotate)命令的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)取值,便可完成對人體姿態(tài)的調(diào)整和控制。但這樣的參數(shù)化模型,沒有嵌入領(lǐng)域知識,還無法實(shí)現(xiàn)人體參數(shù)化智能化設(shè)計(jì)與控制。
3.基于CATIA知識工程的參數(shù)化人體模型
在已建立的人體參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,完成基于CATIA知識工程模塊的參數(shù)化人體模型的建立,具體過程如下。
(1)根據(jù)人體坐姿參數(shù)在模型中新建各關(guān)節(jié)角度參數(shù),新建的參數(shù)將顯示在特征樹的參數(shù)(Parameters)中。
(2)通過公式(Formula)將新建的角度參數(shù)與肢體間的旋轉(zhuǎn)角度聯(lián)系起來,建立的公式顯示在特征樹的關(guān)系(Relations)中。
(3)使用產(chǎn)品知識模板(Product Knowledge Template)將人體模型特征及參數(shù)創(chuàng)建為用戶特征(User Feature)。
(4)將創(chuàng)建好的人體模型用戶特征進(jìn)行實(shí)例化(Instantiate)處理,再將人體關(guān)節(jié)角度的舒適范圍(表2)定義為角度參數(shù)的取值范圍(Range),實(shí)現(xiàn)對人體模型關(guān)節(jié)角度的知識工程控制。
表2 轎車舒適駕駛員人體關(guān)節(jié)角度
至此,基于CATIA知識工程的車身總布置參數(shù)化人體模型建立完成,如圖5。根據(jù)這一方法建立的模型,不僅實(shí)現(xiàn)了人體關(guān)節(jié)角度的參數(shù)化,同時(shí)由于引入了領(lǐng)域知識,對于不在關(guān)節(jié)角度舒適值范圍內(nèi)的參數(shù)修改,模型將給出錯(cuò)誤提示,實(shí)現(xiàn)了人體模型關(guān)節(jié)角度參數(shù)修改的智能化。
圖5 基于CATIA知識工程建立的參數(shù)化人體模型
圖5所示是使用以上方法建立的參數(shù)化二維人體模型。圖6是在進(jìn)行參數(shù)修改時(shí),模型由領(lǐng)域知識給出的報(bào)錯(cuò)信息提示。模型初始的背角為25°,設(shè)計(jì)者預(yù)修改為31°,因31°不在內(nèi)嵌的領(lǐng)域知識要求的范圍內(nèi)(20°~30°),系統(tǒng)給出了報(bào)錯(cuò)提示,設(shè)計(jì)者當(dāng)前的修改操作無效。
圖6 對關(guān)節(jié)角度舒適范圍的檢查報(bào)錯(cuò)提示
五、應(yīng)用舉例
在車身總布置設(shè)計(jì)時(shí),將已建立好的參數(shù)化人體模型裝配到整車坐標(biāo)系下,根據(jù)車身結(jié)構(gòu)布置調(diào)整人體模型位置,并進(jìn)行人體關(guān)節(jié)角度的調(diào)整,可以完成人體坐姿的布置設(shè)計(jì)。使用基于CATIA知識工程建立的車身總布置參數(shù)化人體模型可以使人體坐姿的布置設(shè)計(jì)更加快捷高效。
圖7是使用基于CATIA知識工程建立的三維參數(shù)化人體模型進(jìn)行人體坐姿布置設(shè)計(jì)實(shí)例,由于事先參數(shù)化并嵌入了領(lǐng)域知識,設(shè)計(jì)者在使用時(shí)將更加快捷高效。
圖7 某車型駕駛座人體姿態(tài)及布置
圖8是建立的參數(shù)化模型應(yīng)用于車身總布置二維圖中的情況(為清晰起見省去了尺寸標(biāo)注)。由于所建立的人體模型外形輪廓根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生成,布置設(shè)計(jì)完成后的二維人體模型可直接用于生成車身總布置二維圖,避免了通過建模生成人體模型用于二維圖不夠美觀的弊端。
圖8 二維參數(shù)化人體模型用于車身總布置圖
實(shí)際使用表明,基于CATIA知識工程建立的參數(shù)化人體模型可以滿足車身總布置設(shè)計(jì)中人體坐姿布置設(shè)計(jì)等的需要,由于模型中融入了人體坐姿舒適值范圍的專家知識,從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)角度參數(shù)修改的智能化。
六、結(jié)語
本文總結(jié)了使用CATIA軟件進(jìn)行知識工程應(yīng)用的基本方法,并使用此方法完成了車身總布置參數(shù)化人體模型的建立,并給出了其在車身總布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例。由此建立的參數(shù)化人體模型完全可以滿足車身總布置設(shè)計(jì)的需要,同時(shí)大大提高了設(shè)計(jì)的效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)計(jì)。
以上用于知識工程智能化的參數(shù)來自于單個(gè)文件(Part)內(nèi)部,屬于實(shí)體模型層(Part level)、特征層(Feature level)的參數(shù)。對于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì),也可考慮使用裝配設(shè)計(jì)方法,通過在零部件之間建立約束等方法形成參數(shù),對裝配模型層(Product level)的參數(shù)進(jìn)行智能化實(shí)現(xiàn)。
文中闡述的基于CATIA知識工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)完全適用于其他產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)CAD軟件基礎(chǔ)上,引入知識工程理念,將專家知識融入產(chǎn)品設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、智能化設(shè)計(jì),從而提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率和質(zhì)量,必將成為一種趨勢。
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