一、引言
在進行汽車車身總布置設計時，需要經常使用人體模型，建立一個反映常用人體尺寸、可以方便快捷地進行關節角度調整的參數化人體模型就顯得十分重要。
為適應設計開發的需要，CATIA軟件集成了人體工程學設計與分析(Ergonomics Design＆Analysis)內容，人體模型(Human Builder)也是其中基礎性模塊，但沒有針對中國人體尺寸的人體模型設置選項，根據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、參數化模塊，結合汽車設計常用人體尺寸，建立了適用于汽車車身總布置的參數化人體模型，這一參數化模型可以應用于三維總布置設計及二維總布置圖等汽車總體設計工作中。
二、CATIA知識工程與參數化技術
知識工程具有極其廣闊的應用領域，最重要的應用之一就是與傳統的CAX系統相結合。基于知識工程的CAX系統起源于20世紀90年代初的美國，最初通過與CATIA和ICAD軟件相結合應用于波音公司的飛機沖壓件設計中。知識工程使得CAD設計融入了領域專家的知識和經驗，在不需要人工參與或很少參與的情況下，能快速、自動地根據用戶的要求改變或產生新的設計方案，提高了設計品質。如今，經過十幾年的發展，知識工程已成為CATIA軟件系統的核心技術之一。
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)、產品知識模板(Product Knowledge Template)、業務流程知識模板(Business Process Knowledge Template)、產品工程優化(Product Engineering Optimizer)、產品功能定義(Product Function Definition)和產品功能優化(Product Function Optirnization)7個子模塊。通過這些模塊，用戶可以方便地進行知識庫的創建、使用等應用工作。
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工具條內嵌到其他設計模塊中，設計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，就可以把產品設計的隱形知識轉化成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。
表1 CATIA知識工程基本工具
3.CATIA V5知識工程運用基本過程
在產品設計過程中，把與產品設計相關的所有信息收集起來，如行業標準、企業標準、設計規范、尺寸關聯、尺寸約束、特征關聯、設計經驗、材料要求、制造工藝和同類產品信息等，并加以分類、抽象和改進，組成一個產品設計的知識庫，通過定義體現產品特征知識之間依附關系和約束關系的知識規則，形成以知識驅動為基礎的產品設計，從而實現產品的參數化、智能化設計。
CATIA知識工程模塊是知識工程方法與CAD軟件結合的產物。在產品設計中，可以將專業領域的設計知識通過表1所示的工具及CATIA知識工程模塊，與CAD設計結合起來，實現產品設計的參數化、智能化。圖1是基于CATIA知識工程實現產品智能化設計的基本流程。
圖1 基于CATIA知識工程的產品設計流程
基于CATIA知識工程的產品設計完成后，可以將其作為設計模板在后續的產品設計時多次重復使用。使用時，通過修改產品特征樹(Specification)的產品參數值，就可以實時改變模型的尺寸和特征，通過知識工程模塊引入的設計知識會檢驗模型是否符合設計要求，并及時與設計人員對話，對于不符合設計要求的參數設置，給出適當的建議，讓設計人員對設計做出進一步調整，直到滿足要求，從而實現產品的智能化設計。
三、車身總布置用人體模型知識
1.車身總布置設計用人體模型尺寸
車身總布置設計與人體尺寸有著密切關系。在進行車身總布置設計時，遵循“大多數人”的設計原則，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)人體尺寸作為設計依據。根據設計車型目標市場的不同，車身總布置設計常用的人體模型主要包括國家標準、SAE標準等。因此，用于車身總布置設計的人體模型尺寸相對固定。
2.汽車人體坐姿關節角度及舒適性范圍
車身總布置設計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節角度關系密切。在車身總布置設計時，通常需要進行人體各關節角度的調整以獲得舒適的人體坐姿。
圖2 人體模型關節角度
圖2是人體模型關節角度示意圖，這些關節角度直接影響著人的乘坐舒適性。
舒適關節角度隨車型不同而有較大差別。對于關節角度，不同文獻給出的關節角度舒適值范圍存在一定差異。經綜合比較，轎車駕駛員推薦采用表2給出的人體關節角度舒適值范圍。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知識工程的參數化人體模型的建立
1.人體模型肢體層次結構
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、調整的只是人體的關節角度數值。因此，下面在建立人體模型時，主要針對影響車身總布置的人體各個關節角度，而人體尺寸不做參數化處理。
為實現人體各關節角度的參數化，首先將人體各部分拆分開來，以軀干作為根節點，手、足作為末端節點。圖3是拆解得到的人體模型肢體層次結構。
圖3 人體模型肢體層次結構
2.基于CATIA/GSD模塊的參數化人體模型
根據人體模型層次結構，通過CATIA軟件創成式曲面設計模塊(GSD：General Shape Design)中的旋轉(Rotate)命令，逐一定義相鄰關節之間的角度關系。這樣，借助CATIA軟件，參數化人體模型建立起來，如圖4。
圖4 關節角度可調的參數化人體模型
通過CATIA/GSD模塊中的旋轉(Rotate)命令建立的旋轉角度參數，就是用于調整人體姿態的關節角度。在進行人體姿態調整時，只要修改裝配模型中各旋轉( Rotate)命令的旋轉角度參數取值，便可完成對人體姿態的調整和控制。但這樣的參數化模型，沒有嵌入領域知識，還無法實現人體參數化智能化設計與控制。
3.基于CATIA知識工程的參數化人體模型
在已建立的人體參數化模型的基礎上，完成基于CATIA知識工程模塊的參數化人體模型的建立，具體過程如下。
(1)根據人體坐姿參數在模型中新建各關節角度參數，新建的參數將顯示在特征樹的參數(Parameters)中。
(2)通過公式(Formula)將新建的角度參數與肢體間的旋轉角度聯系起來，建立的公式顯示在特征樹的關系(Relations)中。
(3)使用產品知識模板(Product Knowledge Template)將人體模型特征及參數創建為用戶特征(User Feature)。
(4)將創建好的人體模型用戶特征進行實例化(Instantiate)處理，再將人體關節角度的舒適范圍(表2)定義為角度參數的取值范圍(Range)，實現對人體模型關節角度的知識工程控制。
表2 轎車舒適駕駛員人體關節角度
至此，基于CATIA知識工程的車身總布置參數化人體模型建立完成，如圖5。根據這一方法建立的模型，不僅實現了人體關節角度的參數化，同時由于引入了領域知識，對于不在關節角度舒適值范圍內的參數修改，模型將給出錯誤提示，實現了人體模型關節角度參數修改的智能化。
圖5 基于CATIA知識工程建立的參數化人體模型
圖5所示是使用以上方法建立的參數化二維人體模型。圖6是在進行參數修改時，模型由領域知識給出的報錯信息提示。模型初始的背角為25°，設計者預修改為31°，因31°不在內嵌的領域知識要求的范圍內(20°～30°)，系統給出了報錯提示，設計者當前的修改操作無效。
圖6 對關節角度舒適范圍的檢查報錯提示
五、應用舉例
在車身總布置設計時，將已建立好的參數化人體模型裝配到整車坐標系下，根據車身結構布置調整人體模型位置，并進行人體關節角度的調整，可以完成人體坐姿的布置設計。使用基于CATIA知識工程建立的車身總布置參數化人體模型可以使人體坐姿的布置設計更加快捷高效。
圖7是使用基于CATIA知識工程建立的三維參數化人體模型進行人體坐姿布置設計實例，由于事先參數化并嵌入了領域知識，設計者在使用時將更加快捷高效。
圖7 某車型駕駛座人體姿態及布置
圖8是建立的參數化模型應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注）。由于所建立的人體模型外形輪廓根據標準生成，布置設計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 二維參數化人體模型用于車身總布置圖
實際使用表明，基于CATIA知識工程建立的參數化人體模型可以滿足車身總布置設計中人體坐姿布置設計等的需要，由于模型中融入了人體坐姿舒適值范圍的專家知識，從而實現了關節角度參數修改的智能化。
六、結語
本文總結了使用CATIA軟件進行知識工程應用的基本方法，并使用此方法完成了車身總布置參數化人體模型的建立，并給出了其在車身總布置設計中的應用實例。由此建立的參數化人體模型完全可以滿足車身總布置設計的需要，同時大大提高了設計的效率和設計質量，在一定程度上實現了智能化設計。
以上用于知識工程智能化的參數來自于單個文件(Part)內部，屬于實體模型層(Part level)、特征層(Feature level)的參數。對于復雜產品設計，也可考慮使用裝配設計方法，通過在零部件之間建立約束等方法形成參數，對裝配模型層(Product level)的參數進行智能化實現。
文中闡述的基于CATIA知識工程的產品設計完全適用于其他產品的智能化設計。在傳統CAD軟件基礎上，引入知識工程理念，將專家知識融入產品設計，實現參數化、智能化設計，從而提高設計開發效率和質量，必將成為一種趨勢。
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