法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司開發(fā)的CAD/CAM軟件。在中國(guó)由IBM公司代理銷售。CATIA軟件以其強(qiáng)大的功能在飛機(jī)、汽車、輪船等設(shè)計(jì)領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)。全球知名的汽車公司已經(jīng)100％的切換為CATIA設(shè)計(jì)，并且國(guó)內(nèi)一汽集團(tuán)也在CATIA上投入將近一個(gè)億，可見(jiàn)大家對(duì)CATIA軟件的認(rèn)同，北汽福田汽車公司于2003年引進(jìn)CATIAV5，并當(dāng)年就在其旗下的歐曼重卡體現(xiàn)出明顯的效益。CATIA軟件在汽車設(shè)計(jì)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，下文以轉(zhuǎn)向助力器支架的設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程為例，簡(jiǎn)介使用CATIA軟件的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。
一、故障的提出及分析
圖1 轉(zhuǎn)向助力器支架實(shí)物圖
轉(zhuǎn)向助力器支架如（圖1-1）所示是用于固定轉(zhuǎn)向助力缸的零件，它的強(qiáng)度和質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的轉(zhuǎn)向性能，試想高速行駛的載重量超過(guò)20噸的重型卡車失去方向控制能力，后果將不堪設(shè)想。當(dāng)樣車生產(chǎn)出來(lái)后調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)在空載條件下助力器支架隨助力缸運(yùn)動(dòng)而扭動(dòng)，如果加上載荷則有被撕裂的趨勢(shì)。
二、過(guò)去的傳統(tǒng)做法
如果按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，一般會(huì)對(duì)問(wèn)題件進(jìn)行加強(qiáng)，比如加厚板厚、加重、提高材料的性能等。可是加在哪？加多少？則存在較大的盲目性。如果通過(guò)計(jì)算方法分析則需要對(duì)問(wèn)題件進(jìn)行受力分析，但對(duì)于這種外形復(fù)雜的零件傳統(tǒng)力學(xué)的分析方法只能提供一個(gè)大致近似的結(jié)果，不能提供一個(gè)準(zhǔn)確的答案。并且這種力學(xué)分析需要設(shè)計(jì)人員有較高的理論力學(xué)和材料力學(xué)的基礎(chǔ)，充裕的分析時(shí)間和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而后者則是大多數(shù)剛接觸工作的設(shè)計(jì)人員所不具備的。目前階段國(guó)內(nèi)也只有專門的研究機(jī)構(gòu)能夠采用計(jì)算的方法，工廠一般很難開展。
三、引入CATIA
現(xiàn)在引入CATIA來(lái)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，就可以模擬該件工作時(shí)的極限受力狀態(tài)找到應(yīng)力集中點(diǎn)及最大位移點(diǎn)，以便改善它的受力情況。
具體步驟見(jiàn)下流程圖：
如圖1-2我們分析得到的應(yīng)力最大點(diǎn)如圖（A點(diǎn)）和實(shí)物相符，位移最大點(diǎn)也與我們當(dāng)初的預(yù)期相吻合。
圖2 轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力時(shí)的應(yīng)力分析圖
表1 應(yīng)力梯度表
圖3 轉(zhuǎn)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(yīng)力最大點(diǎn)如圖（A點(diǎn)）和實(shí)物相符，位移最大點(diǎn)也與我們當(dāng)初的預(yù)期相吻合。材料為235 MPa而最大應(yīng)力集中點(diǎn)達(dá)到559MPa，差值達(dá)324MPa。為此首先把壁厚增加到8mm（圖4/B設(shè)計(jì)）最大應(yīng)力從559MPa下降到393MPa下降了29%重量上升了5.6％，應(yīng)力下降不太理想；然后在應(yīng)力最大點(diǎn)處又添加了一條斜筋（圖4/C設(shè)計(jì)），再次進(jìn)行GPS分析，應(yīng)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(qiáng)筋，分析后發(fā)現(xiàn)收效甚微。最后將整個(gè)零部件填實(shí)，發(fā)現(xiàn)受力情況反而因?yàn)樽灾卦黾佣訍毫印？磥?lái)單純的對(duì)零件加強(qiáng)是很難解決問(wèn)題的，需要對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。最后借鑒并采用了另一種結(jié)構(gòu)（圖4/D設(shè)計(jì)），這種結(jié)構(gòu)受力性更好具體見(jiàn)（圖5及圖6）。
圖4 新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向助力器支架
對(duì)（D）設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的GPS分析，結(jié)果如下：
圖5 新狀態(tài)轉(zhuǎn)向助力器支架極限受力應(yīng)力分析圖
表3 應(yīng)力梯度表
圖6 新狀態(tài)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求，對(duì)比上表新狀態(tài)和原始狀態(tài)重量和成本及投產(chǎn)工期上都有很大的增加，但為了達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求，著眼于降低市場(chǎng)故障率，減少三包費(fèi)用等因素，并且維護(hù)客戶心目中的歐曼品牌形象。具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的效益，但為了繼續(xù)提高零件可靠性，將零件材料Q235-A調(diào)整為優(yōu)質(zhì)碳素鋼將材料的強(qiáng)度極限從235 MPa 提高到315 MPa 使零件在極限受力時(shí)的安全系數(shù)從1.398提高到2至此完成改進(jìn)計(jì)劃。
五、結(jié)論、體會(huì)與目標(biāo)
首先，在改進(jìn)過(guò)程中借助CATIA三維設(shè)計(jì)，節(jié)約了大量的人工計(jì)算時(shí)間，一目了然，可以對(duì)不同受力區(qū)域采取有針對(duì)性的不同對(duì)策，做到有的放矢，以免走入以前為解決強(qiáng)度問(wèn)題盲目的加厚，加大的誤區(qū)。對(duì)比以往國(guó)外進(jìn)口機(jī)械設(shè)備，就不難理解為什么他們的設(shè)備看上去又輕又薄，但卻能承受很大的力，而我們的設(shè)備看上去很粗壯，消耗了大量的材料，卻得不到很好的結(jié)果。關(guān)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(zhuǎn)向助力器支架為例，以一般的設(shè)計(jì)人員的熟練程度，建模需10分鐘左右GPS分析驗(yàn)證2分種（惠普XW4100）最后得到分析結(jié)果，驗(yàn)證一種方案總記也就15分鐘左右。
其次，在改進(jìn)過(guò)程中借助CATIA三維設(shè)計(jì)，節(jié)約的大量的人力，節(jié)約試制次數(shù)，在越大的總成設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)越性越明顯，設(shè)計(jì)人員在使用CATIA設(shè)計(jì)過(guò)程中可以1:1的看到設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，零部件的外形尺寸，各種參數(shù)表面的隱含的都一覽無(wú)遺，我們就可以進(jìn)行空間層面上的三維校核，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。然而在過(guò)去兩維設(shè)計(jì)時(shí)，我們只有等到把零件制造完成后試裝，這種問(wèn)題才會(huì)暴露出來(lái)，那時(shí)各大總成均以設(shè)計(jì)完畢，牽一發(fā)而動(dòng)全身，各相關(guān)部分都要進(jìn)行相應(yīng)修改，隨之又要進(jìn)行新一輪的試裝驗(yàn)證，勢(shì)必造成設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)時(shí)間上的浪費(fèi)，相反現(xiàn)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(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)，試裝驗(yàn)證過(guò)程也就完成了，即在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)人員完成了以往試制車間的工作。
再次，在改進(jìn)過(guò)程中借助CATIA三維設(shè)計(jì)，能達(dá)到二維設(shè)計(jì)所不能達(dá)到的設(shè)計(jì)精度，例如在貨箱自重和承載量的測(cè)量上，以前我們也是必須等到樣車生產(chǎn)出來(lái)以后才能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并且現(xiàn)場(chǎng)諸多環(huán)境及人為因素都將造成誤差，而現(xiàn)在我們只需給出選用鋼板的密度和物料比重，計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)數(shù)模計(jì)算出貨箱自重和承載重量，但我們也發(fā)現(xiàn)自重計(jì)算值比實(shí)際值平均高出4％，經(jīng)分析主要原因?yàn)閲?guó)內(nèi)鋼板厚度一般取下差，標(biāo)厚為2的鋼板，實(shí)際不到2。修正后我們認(rèn)為計(jì)算值是可以可靠的反映真實(shí)情況的。
回顧整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)使用CATIA三維設(shè)計(jì)已經(jīng)顛覆了原有的兩維設(shè)計(jì)理念，必將帶來(lái)一場(chǎng)翻天覆地的大變革。而我們?nèi)绻肱c時(shí)代同步在研發(fā)手段上也必須跟上時(shí)代。
