（光学工程专业论文）基于catia的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析.pdf

摘要 本文应用人机工程学以及人体生理学的理论方法，结合参数化设计思想，通过对c a t i a v 5r 1 9 的二次开发，设计了基于人体尺寸驱动的轿车座椅参数化建模系统。该系统包括： 数据库尺寸查询模块、人体建模模块、模型关节自由度调节模块以及轿车参数化座椅建模 模块。 首先，本文参考g b l 0 0 0 0 8 8 中的人群数据，在a c c e s s2 0 0 3 中建立了人体尺寸数据库，并 通过v i s u a lb a s i c6 0 软件建立与a c c e s s2 0 0 3 之间的通信，完成了对人体尺寸数据库的访问和 查询，实现了查询过程的简单化以及查询结果的可视化；其次，通过v i s u a lb a s i c6 0 软件对 c a t i av 5r 1 9 的人体建模及人体模型姿态编辑模块进行了二次开发，设计了人体建模模块及 关节自由度调节模块，实现了人体模型的快速建模，以及模型各关节自由度的灵活调节，提 高了建模的效率，简化了调节过程；最后，通过对人体生理特性、坐姿舒适性以及轿车座椅 尺寸的分析和优化，确定了舒适的驾驶坐姿和驾驶座椅的结构尺寸，通过对人体尺寸与座椅 尺寸关系合理性及舒适性的分析，构建了人体尺寸与轿车座椅尺寸之间的函数关系，并通过 对人体尺寸的调用，以参数化理论中尺寸驱动的方法，确定了座椅建模的参数值，实现了轿 车座椅的参数化建模，缩短了建模周期。 另外，结合上述座椅参数化建模的结果，在c a t i av 5r 1 9 中对座椅骨架进行建模仿真， 并按照国家标准中制定的静强度分析要求，在h y p e r m e s h9 0 中对其结构进行静强度分析。通 过分析可知，座椅骨架结构能够满足静强度要求，保证了座椅结构的安全性。 通过对轿车座椅参数化建模系统的开发，实现了座椅的快速建模，提高了建模效率和质 量，缩短了建模周期，为座椅建模提供了一种高效的手段。 关键词：轿车座椅，c a t i a ，二次开发，人机关系，参数化设计 i i a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h e t h e o r i e so fe r g o n o m i c sa n dh u m a np h y s i o l o g y , t h ei d e ao fp a r a m e t r i c d e s i g nc o m b i n e d , as e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti sa p p l i e dt or e i n f o r c ec a t i av 5r 19 ，a n dt h e p a r a m e t r i cm o d e l i n gs y s t e mo fc a rs e a t i sd e s i g n e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h eh u m a n d i m e n s i o nd r i v e n t h i ss y s t e mi n c l u d e s ：h u m a nd i m e n s i o nq u e r ym o d u l e , m a n s i m u l a t o r m o d e l i n gm o d u l e ，m a n s i m u l a t o rj o i n td o fa d j u s t i n gm o d u l ea n dc a rs e a tp a r a m e t r i cm o d e l i n g m o d u l e f i r s t l y , w i t hr e f e r e n c et ot h eh u m a nd a t ao fg b 10 0 0 0 - 8 8 ，t h eh u m a nd i m e n s i o nd a t a b a s ei s e s t a b l i s h e di na c c e s s2 0 0 3 ；w i t ht h eh e l po ft h es o f t w a r ev i s u a lb a s i c6 0 ，t h ec o m m u n i c a t i o n 、历ma c c e s s2 0 0 3i sb u i l t ；a c c e s sa n dq u e r yt oh u m a nd i m e n s i o nd a t a b a s ea r ec o m p l e t e d ；a n dt h e s i m p l i f i c a t i o no fq u e r yp r o c e s sa n dv i s u a l i z a t i o no ft h eq u e r yr e s u l t sa r er e a l i z e d s e c o n d l y , w i t h t h ea i do ft h es o f t w a r ev i s u a lb a s i c6 0 ，m a i l s i m u l a t o rm o d e l i n gm o d u l ea n dp o s t u r ee d i t i n g m o d u l eo fc a t i av 5r 19a r er e d e v e l o p e d ；m a n - s i m u l a t o rm o d e l i n gm o d u l ea n dm a n - s i m u l a t o r a d j u s t i n gm o d u l eo f j o i n td o f a r ed e s i g n e d ；q u i c km o d e l i n ga n df l e x i b l ea d j u s t i n go fe a c hj o i n t d o fo ft h em o d e la r er e a l i z e d ；t h ee f f i c i e n c yo fm o d e l i n gi si m p r o v e d , a n dt h ep r o c e s so f a d j u s t i n gi ss i m p l i f i e d f i n a l l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fh u m a np h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，s e a tc o m f o r t , t h es i z eo fc a rs e a t , t h ec o m f o r t a b l ed r i v i n gp o s t u r ea n dt h es i z eo f d r i v i n gs e a ta r ed e t e r m i n e d ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h er a t i o n a l i t ya n ds e a tc o m f o r tb e t w e e n h u m a nd i m e n s i o na n ds e a ts i z e ，af u n c t i o nb e t w e e nh u m a nd i m e n s i o na n dt h es i z eo fc a rs e a ti s c o n s t r u c t e d ；t h eh u m a nd i m e n s i o ni n v o k e da n dt h em e t h o do fd i m e n s i o nd r i v e ni np a r a m e t r i c t h e o r yu s e d ，t h ep a r a m e t e r so fs e a tm o d e l i n ga r ed e t e r m i n e d ，p a r a m e t r i cm o d e l i n go ft h ec a rs e a t i sr e a l i z e da n dt h em o d e l i n gp e r i o di ss h o r t e n e d i na d d i t i o n , i nc o m b i n a t i o nw i t ht h er e s u l t so fs e a tm o d e l i n gm e n t i o n e da b o v e ，t h es k e l e t o n o fc a rs e a ti sm o d e l e da n ds i m u l a t e di nc a t i av 5r 19 ；a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r do f s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ，t h er e l e v a n ta n a l y s i si sc o n d u c t e di nh y p e r m e s h9 0 t h ea n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r eo fs e a ts k e l e t o nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es t a t i cs t r e n g t ha n d e n s u l et h es a f e t yo fs e a ts t r u c t u r e t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fs e a tp a r a m e t r i cm o d e l i n gs y s t e m ，t h eq u i c km o d e l i n go fs e a ti s r e a l i z e d ，b o t he f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fm o d e l i n ga r ei m p r o v e da n dt h ep e r i o do fm o d e l i n gi s s h o r t e n e d t h e r e f o r e ，ah i g h l ye f f i c i e n tm e a n so f m o d e l i n gt h ec a rs e a ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：c a rs e a t , c a t i a ，r e d e v e l o p m e n t , m a n - m a c h i n er e l a t i o n s h i p ，p a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 1 1 课题研究背景 第一章绪论 从18 世纪第一辆汽车诞生到2 0 世纪初期，设计师把主要精力都用在了汽车机械工程 学的发展和创新上。直至上世纪前页，设计者们开始着手从汽车外部造型上对汽车进行改 进，他们在汽车设计上相继引入了空气动力学、流体力学、人体工程学以及工业造型设计 等设计方法，争取让汽车能够从外形上适合于各个年龄段、各种社会阶层以及各种文化背 景的不同需求，使汽车成为真正的科学与艺术相结合的产品。汽车车身形式在不断地发展 过程中主要经历了马车型、箱型、甲壳虫型、船型、鱼型、楔形等形状l l 】。目前汽车的形 状也随着人们审美的需要在不断地改变，其目的也由单纯的满足功能性到满足舒适性方面 发展。 2 0 0 8 年我国汽车销售9 3 8 万辆，增长率达6 8 ，尽管较往年有所下降，但仍然是全 球少有的增长地区之一。2 0 0 9 年中国车市增长8 6 ，达到1 0 1 9 万辆。汽车座椅作为汽车 使用者的直接支承装置，在车厢部件中具有非常重要的作用。预计汽车座椅的需求量在“十 二五”期间将以1 1 左右的速度增长，到2 0 1 5 年有望达到5 2 2 6 万个左右。座椅对驾驶者 来说非常重要，它不仅关系到驾驶的舒适性，更关系到驾驶的安全性，而汽车驾驶座椅的 舒适性无疑是最受消费者关注的。座椅是与驾驶人接触面积最大也是最亲近的汽车部件之 一，它对驾驶者的驾驶疲劳程度和身体键康有很大影响。合理的驾驶座椅不仅能保证驾驶 员驾驶的安全性、视野的开阔性，还能保证驾驶员的脊柱保持良好状态【2 1 ，使驾驶员有较 高的舒适感。 汽车座椅主要由座垫、靠背、头枕和调节装置等组成，座椅除满足乘坐功能外，在发 生交通事故时还能起到最大限度地起到保护乘坐者的作用。因此，制造部门对乘用车座椅 有一套严格的安全检测标准。座椅整体舒适性取决于座椅组成部分的舒适感以及座椅整体 的散热排湿、减振性能等f 3 1 。座椅舒适性主要包括静态舒适性、动态舒适性两方面内容。 静态舒适性是指座椅在静态下提供给人体的舒适特性，主要与座椅尺寸参数、材质、调节 特性等有关；动态舒适性是指汽车在行驶状态下通过座椅骨架以及座垫将振动传递到人体 后给人的舒适度感觉。汽车座椅的安全性与座椅的相关尺寸，座椅的材质，骨架材料的刚 度等有很大的关系。 据统计，目前我国汽车的总量在不断地上升，驾驶员患上腰痛、背痛职业病的数量也 在不断地增 j i t 4 1 。不合理的驾驶姿势使司机无法集中精力驾驶汽车和关注道路，造成交通 事故频发。所以，如何设计出能满足驾驶舒适性和安全性的汽车座椅对驾驶者来说非常重 要。 2 扬州大学硕士学位论文 1 2 课题研究内容 本文拟通过对基于人体尺寸驱动的汽车驾驶室座椅的参数化设计系统的开发，完成汽 车驾驶室座椅的参数化设计，并在c a t i av 5r 1 9 中对座椅骨架进行结构仿真建模，在 h y p e r m e s h9 0 中对座椅骨架进行静强度分析。 主要工作为：建立了人体尺寸数据库，开发了人体数据库查询模块，创建了人体建模 模块及姿态编辑模块，开发了基于人体尺寸驱动的座椅参数化设计系统。其中人体建模模 块及姿态编辑模块的主要工作包括：在a c c e s s2 0 0 3 中建立人体尺寸数据库，通过v b6 0 建立与a c c e s s2 0 0 3 的通信，通过v b 程序实现对人体数据的查询，通过v b6 0 实现与 c a t i av 5r 19 的通信，通过尺寸驱动完成人体建模，通过动态赋值完成人体模型关节自 由度的调整，系统设计流程如图1 1 所示。座椅参数化设计系统的主要工作包括：建立v b 6 0 与c a t i a v 5r 1 9 的通信，构建人体尺寸与座椅尺寸之间的函数关系，通过v b 程序完 成对座椅参数的赋值，通过尺寸驱动实现对座椅建模，系统设计流程如图1 2 所示。图1 3 是系统人机界面及系统包含的功能模块。 访问 图1 - 1基于人体尺寸驱动建模系统设计流程 图l - 2 座椅参数化系统设计流程 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 3 图1 3 系统人机界面及其功能模块 图1 4 系统模块结构 4 扬州大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 目前，我国研发的具有参数化功能的系统主要有：北京软件工程研制中心开发的 p i c a d 2 d 、华中理工大学开发的开目c a d 等参数化系统、高华计算机公司开发的g h m d s 等【7 j 。但是目前国产参数化c a d 系统的参数化功能还有以下几个缺点： 1 灵活性较国外有一定差距，需进一步改进； 2 系统没有参数化建库和参数化图形管理功能； 3 目前对现有的非参数化系统的图形还难以有效利用； 4 效率相对较低，且对一些复杂的图形无法有效地操作。 国内有一些学校研究过汽车座椅。北航的李伟青对汽车座椅c a d 系统作过设计和研 究。虽然他对某类型座椅进行了曲面造型和运动仿真，但是对实现通用汽车座椅的设计来 说还有一定的困难。南京航空航天大学也采用u g 对汽车座椅进行过参数设计，但只能实 现座椅的参数化建模，对于建模后的座椅各部件的角度调节等则不能实现，设计系统的功 能单一。 在座椅的结构安全性方面，由于国内汽车产业起步较晚，很多的座椅结构设计都是照 搬国外先进的结构，而不是针对国人的身体姿态进行设计，另外座椅舒适性还没有引起我 国座椅生产厂家的足够重视，只是一味地追求产品的功能，而忽略了其质量的好坏对驾驶 者的影响哺j 。另外，在计算机上对座椅进行仿真设计并对其结构安全进行校核时，座椅的 结构仿真只是根据座椅的大致曲线进行设计，即建模的结构可能与实际产品的结构存在误 差，这样一来就导致分析的不准确性，最终导致设计偏差。 在二次开发方面，国内对各大工具软件的开发已经非常成熟。例如通过编程语言对 u g 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 以及c a t i a 等常用的大型软件的开发【9 】。目前对于这些软 件的二次开发主要集中在产品的建模、装配设计、样机分析、曲面设计等模块。特别是关 于c a t i a 人机工程模块的二次开发却相当少，而此模块又是工作研究、动作分析工作十分 有效的辅助工具，对此模块进行二次开发有着十分重要的意义。 1 3 2 国外研究现状 由于发达国家经济水平较高，其汽车的使用率也处在一个相对较高的水平。与此相适 应的汽车的零部件的发展历程也比较长，其设计制造的技术也非常成熟。在座椅的设计方 面，乘用车座椅的设计与检测有一套非常严密的流程，所以座椅的构造看似简单，但是要 满足与整车相配套实际上有很高的技术含量。正因为乘用车座椅的系统设计与制造具有一 定的困难，对于座椅生产来说，其行业进入壁垒相对较高【i o 】，在世界汽车行业最后能被各 大整车厂认可的乘用车座椅系统集成企业也只有美国的江森、李尔、英提尔，法国的佛吉 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 5 亚等几冢。 在参数化方面国外有较多的参数化设计软件比如：u g ( u n i g r a p h i c s ) 中优越的参数化 和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起。p r o e n g i n e e r 是美国参数技术 公司的机械设计自动化软件产品，它是第一个具有参数化功能的c a d 系统。 v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) 技术是美国s d r c 公司新近推出的一种叫做v g x 的新 型核心科技【1 1 】。这种技术的好处在于对基于构造过程的参数化方法进行改进，它使的先前 的参数化基于特征的实体模型在可编辑性及易编辑性方面得到了极大的改善和提高，另外 还有s o l i d w o r k s 等软件，国外的参数化技术较国内成熟，设计软件较多。 由于国外汽车技术的发展时间较长，其汽车部件的设计技术也较为成熟。在汽车工业 较为发达的国家如德国、美国以及日本等，其座椅有严格的设计标准和研发流程。在设计 座椅参数之前，针对设计人群的人体尺寸进行了详细的分析，并建立相应的人体尺寸数据 库。座椅的参数要根据设计人群的尺寸来设定。其常用的设计软件是s d e ( s e a td e s i g n e n v i r o n m e i l t ) 座椅护面设计开发软件。从产品设计初期到生产的过程中，s d e 用于定义座 椅外形c a d 主模型。使用这个主模型，工程师可以根据设计人群的人体数据和文件，对 座椅的模型进行详细设计，但参数化程度偏低。 在座椅的结构安全方面，早在2 0 世纪4 0 年代，国外学者就对座椅的结构安全性进行 分析，并取得了大量的研究成果。到现在国外的有限元分析技术已相当成熟，其中比较著 名的有限元分析软件有：a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 等，其中a d i n a 、a b a q u s 在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，a n s y s 、m s c 进入中国比较早，在国内的应用已十分广泛。另外，国外在对座椅结构进行分析时，同样 是对座椅的大致简化模型进行分析，与参数化后的有具体的尺寸的模型相比较在准确度上 还存在差距，是有待改进的地方。 1 4 课题研究意义 驾驶座椅是汽车重要的部件之一，而且驾驶座椅参数的合理与否对整车的舒适性与安 全性有重要的影响。驾驶座椅的基本功能要求包括安全性、舒适性、美观性等。所谓安全 性是指驾驶座椅在事故发生时降低汽车对驾驶员的伤害程度的能力。驾驶座椅的舒适性是 汽车舒适性的重要评价内容之一，它包括动态舒适性和静态舒适性两个方面【5 j 。动态舒适 性是指在驾驶汽车过程中，座椅提供的减震、缓冲冲击等方面的能力，静态舒适性是指驾 驶员在乘坐时，座椅提供的支撑的合理性，座椅的尺寸的合理性等。驾驶座椅的美观性则 是在满足安全性及舒适性要求的前提下，对座椅的外观进行设计，使其更加满足大众的审 美需求。 在驾驶座椅的设计中，如何改进座椅设计流程，提高驾驶舒适性，满足不断发展的用 户使用需求和健康需要，已成为驾驶座椅人性化设计发展重要的研究课题之一。在人性化 设计中，驾驶座椅与人的接触面积最大，接触时间最长【6 】，因此驾驶座椅设计是驾驶环境 6 扬州大学硕士学位论文 中最为重要的内容之一，驾驶座椅对驾驶员的身体健康及安全起着非常重要的作用，当前， 许多国家驾驶座椅功能尺寸的设计与评价标准依然存在以下缺点： 1 乘坐者背部、大腿、臀部等与椅面长时间接触，容易造成肌肉疲劳。因为评价模 型的不足，所以对驾驶座椅人机性能的评价有一定的难度。 2 座椅评价的标准较多，而且大部分是基于人体测量学的方法得到的，对于与人体 长期接触的座椅表面的形状及软硬度等因素难以确定。 本文结合人机工程和生理学的研究成果，通过对人体驾驶姿势的优化分析，利用参数 化设计思想的尺寸驱动原理对轿车驾驶座椅进行总体设计。通过构建座椅骨架总成，根据 g b l l 5 5 1 9 9 5 的有关规定对座椅结构进行了仿真分析，从而对座椅的舒适性及结构安全 性进行改进和提高。其意义为： 1 通过建立人体尺寸数据库，以及对人体尺寸数据的查询和调用，可以快速地完成 人体模型的建模及姿态调整，通过参数化思想的尺寸驱动原理对座椅建模，这样可以大幅 度提高座椅设计的效率，降低研发周期，提高设计精度； 2 通过对人体驾驶姿态的优化分析，并通过三次样条插值法对座椅靠背曲线进行优 化分析，构建人体与座椅之间的函数关系，使座椅能给驾驶员腰部及肩部提供更加合理的 支撑，座椅尺寸与驾驶员的身体尺寸更加匹配，从而满足驾驶员对舒适性的要求； 3 通过对座椅骨架结构进行分析，在c a t i a v 5r 1 9 中对其结构进行简化仿真建模， 然后在h y p e r m e s h9 0 中对其进行有限元分析，并对分析结果的不足提出改进意见，例如： 可通过改变座椅骨架的材料等方法来降低骨架的重量，使座椅骨架更轻且能匕f , 4 阴4 - - 足静强度要 求，座椅的设计更加完善。 1 5 论文结构 本课题通过对人体驾驶坐姿的分析，界定了驾驶姿态的舒适性范围；通过v b6 0 完成 了对c a t i av 5r 1 9 的二次开发，并通过尺寸驱动完成了人体的建模；通过三次样条曲线 插值法对座椅靠背曲线进行了优化设计，建立了人与座椅之间的函数关系，通过参数化理 论完成了对座椅的建模；在c a t i a v 5r 1 9 中完成了座椅骨架建模，并通过h y p e r m e s h9 0 对其静强度进行分析，并得出了一定的结论。论文具体结构如下： 第一章：绪论，介绍了本课题的研究背景、研究内容、意义以及国内外研究现状等； 第二章：参数化设计理论及方法，介绍了参数化理论的起源与发展及其实现方法； 第三章：人体尺寸数据库的创建与查询，介绍了人体尺寸数据库的创建过程，包括数 据的来源、v b6 0 与a c c e s s2 0 0 3 之间的通信以及对建立的数据库进行查询的实现等； 第四章：基于尺寸驱动的人体建模及姿态编辑，介绍了v b6 0 与c a t i a v 5r 1 9 之间 的通信，以及尺寸驱动人体建模的实现过程和对人体关节自由度进行编辑的实现过程； 第五章：轿车座椅的参数化设计，通过对人体生理曲线和坐姿舒适性的分析，用三次 样条插值法对座椅的靠背曲线进行优化，并建立了人体尺寸与座椅尺寸之间的函数关系， 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 7 利用调用的人体尺寸，通过参数化理论中的尺寸驱动方式完成了座椅的建模； 第六章：座椅骨架静强度分析，在c a t i av 5r 1 9 中对座椅骨架进行建模，并在 h y p e r m e s h9 0 中对其进行静强度分析，以验证其结构的合理性； 第七章：结论与展望，对本课题研究内容进行总结，对研究内容未来发展的方向提出 看法。 本文结构安排如图1 5 所示。 基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性 绪论 介绍本谍 题研究的 背景、内 容、意义 以及国内 外研究现 状等 参数化1 1 人体尺寸 设计理ll 数据库的 论及方il 创建与查 法fi调 介绍参数 化理论的 发展现状 以及参数 化的实现 方法 介绍人体 尺寸数据 库的创建 过程及翼 查询的实 现 副引引冀 驱动的人il 椅的多il 架静强ll 结论与 体建模及ll 数化设i l 度分析l i展望 姿态编辑ij计fii | ， 介绍基于 尺寸驱动 的人体建 模的实现 及人体模 型姿态编 辑的实现 对坐姿舒 适性及座 椅尺寸优 化分析， 介绍座椅 参数化的 实现过程 对座椅骨 架建模， 并对其进 行有限元 分析，以 验证结构 的合理性 总结本课 题研究的 内容与成 果，对未 来发展的 方向提出 看法 图1 5 论文结构图 8 扬州大学硕士学位论文 第二章参数化设计理论及方法 2 1 参数化技术 2 1 1 参数化理论简介 参数化技术是当前c a d 技术重要的研究领域之一。是指设计对象的结构形状固定， 可以用一组参数来约定尺寸之间的关系。参数与设计对象的控制尺寸有对应关系，如果修 改设计结果则会受尺寸驱动的影响，因此也称为参数化尺寸驱动。另外，这项技术以其草 图设计、尺寸驱动修改图形功能成为初始设计、产品建模、多方案比较、修改系列设计和 动态设计的常用方法。参数化驱动中约束的方法主要有以下几种【1 2 】： 1 基于几何推理的人工智能法 2 基于几何约束的变量几何法 3 基于构造过程的构造法 4 基于辅助线法 参数化造型的思想在理论上研究比较早，在2 0 世纪8 0 年代初期，研制b u i l d 系统的 h i l l y a r d 和g o s s a r d 对其进行了大量的研究，进而完善了变量几何法和几何推理法【1 3 1 。参数 化设计方法是c a d 技术中较先进的设计方法，是提高工作效率的有效手段。在汽车内饰 方面，它是针对各种内饰品的总体结构一般均具有较规范形式的特点，为各个部件的基本 尺寸建立相应的变量参数，在实际的几何和拓扑的基础上建立各部件要素间的相互关系。 当因部件结构不同而导致尺寸发生变化时，改变参数文件中有关变量的值，则与之相关的 部件中的相应尺寸标注值也就发生变化，通过尺寸驱动模块处理后即可生成产品的主要曲 线，进而生成整个曲面。 常规的实体造型系统所构造的集合体有确定的形状和尺寸。一旦建立，即使结构相似 但想改变某些形状的尺寸只能重新构造。而采用参数化造型( p a r a m e t r i cm o d e l i n g ) ，只要 通过修改其相应的造型参数就可方便地改变形体的尺寸和形状。 参数化造型通过调整相关参数来控制生成的几何形状，它的主要功能如下【1 4 】： 1 从几何参数化模型自动导出几何模型。即在参数化造型设计时，不需要在相应的 造型模块中输入精确的图形，只需输入一个标注了相关几何约束的草图，通过改变草图的 约束，就可以自动导出精确的几何模型。 2 通过修改局部参变量来达到自动修改并生成相应的几何模型的功能。比如，对于 一些形状类似的零件，只需要修改一下构成其形状特征的主要参数，便可产生新的零件， 从而大大提高了产品的设计效率。 在参数化造型的过程中，几何形体的修改经过几何约束、尺寸数据以及尺寸关系来实 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 9 现，而不是直接修改形体的几何元素来完成。因此，在进行造型设计时可以生成各种设计 方案而不必过多考虑几何元素的细节，从而将精力集中于功能设计与造型设计。 2 1 2 参数化技术的特点 参数化为产品模型的可变性、并行设计、可重用性等提供了手段，使用户可以方便地 对己有模型进行修改和重建，并得到与原设计意图相对应的各种类似产品模型，从而大大 提高设计效率。参数化设计改善了图形的修改手段，提高了设计柔性【l5 1 ，在概念设计、动 态设计、机构仿真、实体造型、公差分析与综合、装配、设计等领域发挥着越来越大的作 用，体现了很高的应用价值。 与传统的几何造型系统相比，参数化特征造型系统引入了两项重要技术：特征技术和 基于约束的设计技术。参数化造型的主要技术特点如下【1 6 j ： 1 尺寸驱动：尺寸驱动是指用户在选择一部分实体及相关尺寸后，系统将根据尺寸 建立实体间的拓扑关系，当用户改变某尺寸的数值时，相关实体及尺寸也将受到影响而发 生变化，但元素间的拓扑关系如相切、相接等保持不变。 2 全尺寸约束：约束是利用某些规则或限制条件来规定构成实体元素之间的关系， 可分为尺寸约束和几何拓扑约刺1 7 1 。前者是指对长度、直径、角度等具体数值进行约束， 后者则是指对各元素之间的几何关系进行约束。 3 基于特征的设计：把某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，然后将其所有 数据以可调参数的形式进行存储，以便形成实体模型，最后以这个实体为基础构造出相对 复杂的几何形体。 4 数据相关：数据相关是指对某一尺寸参数的修改，导致其它相关模块中的相关尺 寸得以更新。采用此计算的理由是：它解决了自由建模的无约束状态，其几何形状均以尺 寸的形式而牢固地控制。 2 2 参数化技术实现方法 参数化技术可分为直接式和非直接式两种【1 9 1 。前者是指设计者通过用户界面直接对图 形操作，而不必关心计算机内部的处理方式， 机交互法。非直接式参数化技术不同于前者， 体投影法。 2 2 1 直接式参数化方法 这是目前使用的最广泛的一种方法，也称人 其方法主要是编程法和基于三维参数化的形 人机交互法是目前参数化设计领域发展较快的一个方向，同时也是应用最广泛的一种 方法，这种方法目前已成为参数化设计的主要路线9 1 。从实现参数化的原理上分，人机交 互法主要有以下几种：基于尺寸变量的尺寸驱动法、基于几何约束的变量几何法、基于几 1 0 扬州大学硕士学位论文 何推理的人工智能法、基于图论的约束求解方法、基于生成历史的过程构造法。 1 基于尺寸变量的尺寸驱动法 所谓尺寸驱动技术，就是根据尺寸约束，通过某种计算自动将尺寸的变化转换成几何 形体的相应变化，且保证变化前后的结构约束保持不变【2 0 1 。计算的前提是熟悉各种尺寸之 间对应的函数关系，所以尺寸驱动的关键在于尺寸链的求解。 对于二维图形，通过尺寸标注线可以建立几何数据与其参数之间的对应关系。通常图 形系统都提供多种尺寸标注形式，一般有线性尺寸、半径尺寸、角度尺寸等【2 1 1 ，因此，每 一种尺寸标注都具有与其对应的参数驱动方式。在尺寸驱动的所有参数中，能够独立变化 的参数称之为主参数或主约束，其它约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关系， 称它们为次约束。这些约束不能独立存在，须存在于某两个或多个元素之间，这就使得共 用一种或几种约束的元素之间存在约束联动机制。约束联动主要包含如下两个方面【2 2 】： 图形特征联动：所谓图形特征联动就是保证在图形拓扑关系( 垂直、相切、平行等) 不变的情况下，对次约束的驱动。如图2 1 所示，图( a ) 中a b 段的长度为l ，当线段 a b 与线段b c 之间的的约束关系未限制时，改变l 的长度的同时也会改变图形的拓扑关 系，如图( b ) 所示。而当图( a ) 中线段a b 与线段b c 之间的约束关系被限定后，改变l 的长度并不会影响线段a b 与线段b c 之间的拓扑关系。 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 1 图形特征联动 b e 参数联动：所谓相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值与逻辑上的关系。在参 数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。如图2 2 所示，( a ) 中a 、b 和c 的长度是相互 独立的，当改变b 的长度值时，a 与c 的长度不会发生变化，其结果如( b ) 所示；当长度 c 与长度b 之间存在某种函数关系时，再次改变长度b 的值，便会影响长度c 的值，进而 使图形产生相应的变化。这就是通过函数关系式而确定的某种参数联动。 尺寸驱动法用于结构形状基本明确，可用一组参数来约束尺寸关系的设计对象。需要 修改某一尺寸时，则它会自动检索该尺寸在尺寸链中的位置，搜索它的起始几何元素和终 止几何元素，让这些几何元素按新尺寸值进行修正，直至得到新模型，然后检查模型中的 几何元素是否满足约束，假如这些元素不能满足，就让其拓扑约束保持不变，并依照尺寸 约束逐步修改几何模型，直至满足全部约束。 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 l l b 一 口 一 口 l i 一 ( a ) 口 ( c ) 图2 - 2 参数联动 2 基于几何约束的变量几何法 这是一种基于约束的数学方法，它将图形的几何模型划分为一系列节点，以这些点的 坐标为变量构成一个非线性方程组。假如约束发生变化，则采用牛顿一拉普逊迭代法求解 方程组，即可以得到这些特征点的变化后的坐标，进而生成新的图形。其中约束是对几何 元素大小、方向和位置的限制，分为尺寸约束和几何约束两类【2 3 1 。尺寸约束限制元素的大 小，并对元素的长度、半径和角度进行限制，几何约束限制元素的方向或相对位置关系。 常见的约束类型如图2 3 所示。 共线约柬 水平约束 重台约束 图2 - 3 常见的约束类型 变量几何法的数学模型如下： 首先将所有特征点的未知分量写成矢量： x = b y ，z l ，x 2 ，y 2 ，z 2 ，h ，y ，z 】r 其中为特征点个数，或者： x = i x l ，工2 ，屯，x 4 ，x 5 ，z 6 ，x n 一2 ，- l ，】r 1 2 扬州大学硕士学位论文 其中n = 3 n 表示形体的总自由度数。 然后将已知的尺寸标注约束方程的值也写成矢量： d = p d dd 。】r 于是变量几何就是求解下面这组非线性约束方程组的一个具体解： z ( 而，x 2 ，黾，以) = d 1 五( 而，x 2 ，x 3 ，工。) = d 2 以( x l ，石2 ，而，x n ) = d 。 或者写成一般形式： e ( x ，d ) = 0 待1 , 2 ，3 ，以 解非线性方程组的常用方法为牛顿迭代法，即： 工州- x n 一驴( x ”) 】- 1 f ( x 一) 或者： j a x = r 其中，j = z 。z ： 厶以： 以。无： z 。 i h 。 为雅可比矩阵， f = f = 1 , 2 ，3 ，n ；j = 1 , 2 ，3 ，z ； o x j a x = 【缸，缸，缸。r 表示各个自由度的位移量； 广= - 互，一e ，一e r 表示方程组的残余数。 牛顿一拉普逊迭代法的优点是如果迭代收敛，则其速度较快。它的缺陷是对迭代初始 值的选取要求较高，假如初始值与方程组的根有较大偏差，则迭代难以收敛；并且当约束 方程的数量与自变量数量不相等时，雅可比矩阵的逆不存在，最终导致牛顿一拉普逊迭代 法的失效。 3 基于几何推理的人工智能法 几何推理法又可根据在推理过程中所采用的方法的不同，将其分为基于专家系统的方 法和基于图和规则的方法两种【2 4 1 。基于专家系统的方法是a l d e f e l d 、s u z u k i 、v e r r o u s t 提出 的，是建立在专家系统的基础上，用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模 型2 5 1 。其基本思想是从现有的约束中派生出尽可能多的知识，因此每当得到一个新的约束 后，推理过程就启动，所有的规则将循环至没有新的事实产生为止。约束分2 个阶段处理， 王恒：基于c a t i a 的轿车库椅参数化设计及结构安全性分析 1 3 并结合变量几何法和约束传播法，在第1 阶段前向推理，以符号的方式传递用户所引入的 约束，并用来建立第2 阶段的计算方案；第2 阶段为推理史的输出重建步骤，把规则名译 成相对应的处理过程，形成构造计划，进而一步步执行，最终构造出整个几何体。 在推理过程中，利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，并将其存 储在事实库中。推理机将提取的规则应用在当前的事实集中，进而推出几何形体的详细内 容。整个过程最终输出的是一个几何形体的构造计划，因此，由在构造计划中依次求解的 规则决定了参数化的模型。此方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局部修改，但系 统庞大，对递归约束无法处理。 约柬 图2 - 4 基于几何推理的人工智能法流程图 基于图和规则的方法是用图来表示改善推理过程，通过搜索与匹配规则来求未知元 素。它将完全约束的设计模型和几何规则表示为图形，并在图中选取子图，从而到新的事 实，然后在规则图中查找子规则图用来与模型中的子图相互匹配【2 6 】。此方法将求解规则分 为两种类型：规则图中包含2 个己定义节点，1 个未定义节点，2 至3 个连接弧；规 则图中包含1 个部分定义节点和1 个未定义节点，1 条连接弧，或者1 个完全定义节点和 部分定义节点。 基于几何推理的人工智能法有很多优点，例如：它表达形式直观、简洁，而且能够避 免变量几何法的不稳定性循环。但它也有明显的缺点，如：它系统相对庞大，运行速度慢， 而且无法求解循环约束。 4 基于生成历史的过程构造法 这种方法在交互造型过程中的每一步操作，它利用参数化履历( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的 机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程那些程序化的过程，然后将记录下来的 定量数据作为变参数数据，当赋予变量参数的值有所改变时，系统便会更新模型生成的过 程，从而得到大小不同、形状有所差异的几何模型【2 1 7 1 。这种方法比较适合用于那些尺寸不 同但结构相同的零件设计。但是，由于这种方法需要严格遵守某种特定的构造图形的顺 序，所以使用时柔性和灵活性相对较差。 1 4 扬州大学硕士学位论文 2 2 2 非直接式参数化方法 非直接式参数化包括两种方法：编程法和基于三维参数化的投影法【2 8 】。其中编程法是 一种较早但最常用的方法，编程者须熟悉计算机语言及调试技能，通过对图形几何模型特 点的分析，确定图形的主参数以及各尺寸之间的函数关系，并将这种关系写入程序中。使 用时执行程序，然后输入需要的参数，由程序通过各个尺寸之间的关系确定其它相关元素 的尺寸值，进而确定了整个图形。基于三维参数化的投影法先进行三维参数化设计，然后 按不同的方向进行投影，以得n - - - 维参数化的结果，这种生成方法具有唯一解，但它受到 如下几个方面的制约：一是许多零件的造型本身相当复杂，如箱体类零件以及某些细小结 构的工艺结构；二是三维参数化设计是一个新的课题；三是为了进行符合国准的二维表达， 须对任一方向投影前的三维立体和投影后的二维视图进行大量的处理。 2 3 本章小结 本章简单介绍了参数化技术的起源及发展，列举了参数化设计的特点，详细介绍了参 数化技术的实现方法，并分析了每种实现方法的优缺点。参数化技术在不断地成熟与创新， 它将继续在产品设计领域发挥着重要作用。 王恒：基于c a t i a 的轿车座椅参数化设计及结构安全性分析 l5 第三章人体尺寸数据库的创建与查询 3 1 建立人体数据库 3 1 1a c c e s s 简介 m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 是。伍c e2 0 0 3 系列办公软件中的产品之一，是微软公司出品的 优秀的数据库管理和开发工具。它在原有版本的基础上进行了改进，增加了独特的数据窗 口、增强的安全功能、与s q ls e r v e r 协同工作等功能。另外，a c c e s s2 0 0 3 还提供了目录 式的管理并具有联合其它数据库的能力，这些功能通过以下几个方面来实现【2 9 】： 1 数据定义：a c c e s s 通过s q l 语句处理数据，可以方便地创建表、设置字段的类型、 定义主键以及建立字段的索引等。它还可以使用w i n d o w s 上的d d e ( d y n a m i cd a t e e x c h a n g e ) 和o l e ( o b j e c tl i n k i n ge m b e d i n g ) 功能，通过d d e ，a c c e s s 数据库可以很容 易地与其它软件交换数据。 2 数据操作：a c c e s s 提供了对数据完全的操作控制，允许同时搜索多个文件：支持 同时更新多条记录，用户只须在q u e r y 窗口设置好文件之间的关系型，以及同时操作的数 据属于哪些文件，a c c e s s 便自动管理包括输入、删除、更新和搜寻等数据操作的功能。 3 数据控制：在共享数据时，a c c