Proces konstrukcji panelu dachowego do samochodu z nadwoziem cabrio-coupe w systemie CATIA V5

Celem tego artykułu jest przedstawienie procesu konstrukcji elementu nadwozia samochodu osobowego, zgodnie z metodologią stosowaną w realizacji podobnych projektów w branży motoryzacyjnej.

Marcin Szcześniak

Chciałbym od razu na wstępie zaznaczyć, że w CATII istnieje wiele sposobów na osiągnięcie efektu końcowego w postaci sparametryzowanego modelu przestrzennego części. Nie jest moim zamiarem wywołanie polemiki na temat efektywności przyjętej metodologii, a jedynie zapoznanie Czytelników – szczególnie niezwiązanych z projektami motoryzacyjnymi - z wybraną drogą osiągnięcia celu i przy okazji przedstawienie różnorakich uwarunkowań, na jakie napotyka konstruktor nadwozi pojazdów, a których właściwe zidentyfikowanie i uwzględnienie w procesie konstrukcji w sposób decydujący wpływa na rezultat pracy, jakim staje się gotowy wyrób.
Chciałbym posłużyć się przykładem panelu dachowego do nowoprojektowanego samochodu z nadwoziem cabrio-coupe, wyposażonym w coraz częściej stosowany sztywny dach, składany automatycznie w przestrzeni za kabiną pasażerską. W tym miejscu Czytelnikom spoza branży należy się kilka zdań wprowadzenia w proces powstawania nowej konstrukcji samochodu. Wynikająca z uwarunkowań marketingowych decyzja producenta samochodów o wprowadzeniu na rynek nowego pojazdu rozpoczyna proces przygotowania szeregu wersji stylistycznych szkiców rysunkowych, mających wstępnie zobrazować nowy model o zadanym charakterze – czyli wstępnych gabarytach, rodzaju nadwozia (np. cabrio-coupe) dwu- lub więcej osobowego. Następstwem wyboru wersji przyjętej do dalszej realizacji jest powstanie pełnowymiarowego modelu pojazdu, wykonanego metodą ręcznego rzeźbienia w specjalnej plastelinie modelarskiej. Zaakceptowana przez stosowne gremium decyzyjne bryła przestrzenna nowego auta staje się kamieniem węgielnym, rozpoczynającym kilkuletni proces konstrukcji pojazdu. Na tym etapie rozpoczyna się cykl elektronicznego przetwarzania danych nowego projektu, trwający przez cały okres rozwoju konstrukcyjnego. Plastelinowa bryła modelu nowego pojazdu zostaje poddana procesowi dokładnego skanowania powierzchni za pomocą ultraprecyzyjnej aparatury pomiarowej, czego wynikiem jest numeryczny zapis współrzędnych chmury punktów, opisujących powierzchnię bryły. Dane te służą zespołowi konstruktorów do wygenerowania zapisu numerycznego kształtu geometrycznego bryły samochodu w postaci powierzchni. Realizacja tego zadania dokonywana jest praktycznie przy wykorzystaniu systemu ICEM-Surf - specjalistycznego oprogramowania CAD, służącego do sprawnego generowania powierzchni krzywokreślnych, z pełną kontrolą warunków brzegowych w obszarze granicznym, pomiędzy poszczególnymi, tworzonymi stopniowo jej fragmentami, zwanymi „patch’ami”. Wykonanie tej pracy stanowi niezwykle odpowiedzialną część procesu konstrukcyjnego, a dokładność odwzorowania plastelinowej bryły w zapisie numerycznym, w postaci powierzchni CAD, tak naprawdę decyduje o tym, jak ostatecznie będzie wyglądał wyprodukowany później samochód. Powierzchnie wygenerowane przy pomocy ICEM-Surf’a – zwane potocznie powierzchniami „dezajnerskimi” – nie mogą być w trakcie dalszej konstrukcji w żaden sposób zmieniane i stanowią materiał bazowy dla konstruktorów, których zadaniem jest stworzenie trójwymiarowego modelu CAD w pełni funkcjonalnej, gotowej części pojazdu. Należy pamiętać o tym, że powierzchnie „dezajnerskie” opisują jedynie zewnętrzny kształt bryły nadwozia, nie posiadają natomiast żadnych cech rzeczywistych części, z których składa się nadwozie, np. kołnierzy służących do zgrzewania lub skręcania blach, otworów montażowych itp.
Po tym wprowadzeniu, zajmijmy się zasadniczym tematem tego opracowania, czyli procesem konstrukcji części samochodu: panelu dachu. Założenia ekonomiczno-technologiczno-konstrukcyjne projektu sprecyzowały wymagania, które musi spełniać gotowy element. W efekcie analizy tych założeń zdecydowano, że konstrukcja panelu dachu będzie wykonana jako pojedynczy element z materiału kompozytowego o strukturze „sandwiczowej”. Celem zapewnienia funkcjonalności użytkowej części należało przewidzieć możliwość mocowania mechanizmu składania i rozkładania dachu wraz z ich tworzywowymi nakładkami maskującymi, oraz uszczelki dachu. Zdefiniowano niezbędne obszary podwyższonej wytrzymałości, jak również minimalną technologicznie grubość „sandwicza”. Wreszcie określono technologicznie wykonalny i efektywny funkcjonalnie kształt obszarów krawędzi panelu dachu.
Przystępując do konstrukcji CAD w systemie CATIA V5-16 korzystamy z przygotowanego zgodnie ze standardami zleceniodawcy „start-modelu”, zawierającego zdefiniowane obszary robocze drzewa strukturalnego CATII, czyli „drzewka”. Zasadnicze operacje wykonujemy w module modelowania powierzchniowego GSD.
W pierwszej fazie konstrukcji definiujemy gabaryty naszej konstrukcji wraz z charakterystyką obszarów krawędziowych. Usytuowanie całego pojazdu w siatce przestrzennej układu współrzędnych xyz nie jest przypadkowe. Z reguły, oś przednich kół pokrywa się z osią y układu współrzędnych (lub przebiega równolegle, w niewielkiej od niej odległości), podczas gdy przód samochodu skierowany jest przeciwnie do osi x. W konsekwencji tego, części nadwozia modelujemy w ich rzeczywistym położeniu w układzie współrzędnych. Zgodnie z wcześniejszymi wyjaśnieniami, importujemy do CATII dostępne nam, zewnętrzne powierzchnie „dezajnerskie” dachu samochodu, zachowując je jako referencyjne powierzchnie „martwe”. Powinny one znajdować się w przestrzeni zgodnie z podaną regułą. W tej fazie projektowania posłużą one nam do wygenerowania szeregu koncepcyjnych przekrojów głównych, określających zaplanowane rozwiązania istotnych węzłów konstrukcji. Przy projektowaniu samochodów konstrukcje nadwoziowe prowadzi się zwyczajowo w formie połówkowej, tworząc model lewej strony pojazdu. Ewentualne różnice pomiędzy lewą i prawą stroną uwzględnia się w dalszym procesie realizacji projektu. Podobnie postępujemy z tworzonymi po lewej stronie przekrojami. Podstawowy z nich, to przekrój pokazujący kształt przyszłego detalu w płaszczyźnie symetrii samochodu, czyli xz. Kolejne przekroje tworzymy w miejscach charakterystycznych konstrukcyjnie, np. poprzez punkty mocowania mechanizmów, uszczelek, czy też pokazujących istotne rozwiązania techniczne części. Bardzo ważne jest pokazanie na przekrojach tzw. „sąsiadów”, czyli części pojazdu leżących w bezpośredniej bliskości naszej konstrukcji. W przypadku panelu dachowego lub innych części tworzących kabinę pasażerską, należy uwzględnić założone kryteria zapewnienia swobody kierowcy i pasażerów. Ustalamy w ten sposób wzajemne relacje części, sposób ich współpracy, definiujemy ewentualne zagrożenia kolizją między nimi. Przy konstrukcji panelu dachu korzystamy z przekrojów usytuowanych w płaszczyznach równoległych do osi z układu współrzędnych. W praktyce używa się dwóch metod tworzenia przekrojów koncepcyjnych. Pierwsza z nich bazuje na wykorzystaniu funkcji szkicownika, druga – uaktywnienia funkcji 2D w przestrzeni trójwymiarowej. W obu metodach niezbędne jest zdefiniowanie odpowiedniej płaszczyzny roboczej, będącej jednocześnie płaszczyzną tworzonego przekroju. Elementem, do którego odnosimy generowaną geometrię projektowanej w przekroju konstrukcji jest oczywiście ślad naszej powierzchni „dezajnerskiej”. Tworząc geometrię przekroju, pamiętamy o przyporządkowaniu jej do odpowiedniego setu geometrycznego. Na zakończenie tej fazy konstrukcyjnej należy dokładnie sprawdzić kompatybilność stworzonych przekrojów. Chodzi tu o zapewnienie wykonalności późniejszych operacji tworzenia modelu powierzchniowego konstrukcji przestrzennej. W poprawnie skonstruowanych przekrojach, odnośne krzywe przecinają się wzajemnie, a ich przebieg i charakter umożliwia wykorzystanie w dalszym procesie parametryzacji konstrukcji.

Druga faza konstrukcji polega na wygenerowaniu powierzchni wewnętrznej „sandwicza” panelu dachowego, zgodnie z zaplanowanym położeniem, określonym w uprzednio skonstruowanych przekrojach. Jeśli – tak jak w przypadku opisywanego projektu – nie mamy bezpośrednio określonej, „dezajnerskiej” powierzchni wewnętrznej dachu, która definiowałaby jednoznacznie kształt „sandwicza” panelu, tworzymy geometrię powierzchni wewnętrznej, wykorzystując funkcje z palety narzędziowej Surfaces w CATII. W konkretnie opisywanym przypadku, zasadnicza, kompozytowa powierzchnia wewnętrzna panelu stanowiła jednocześnie bazę dla klejonego bezpośrednio do niej wyłożenia dekoracyjnego podsufitki, co uwzględniono wcześniej przy planowaniu przekrojów. Zdecydowanie bardziej pracochłonne okazało się modelowanie skrajnych powierzchni panelu dachu. W obszarach tych należało bardzo precyzyjnie zdefiniować niuanse kształtu, aby zapewnić prawidłowe funkcje dachu. Przednia część panelu musiała zapewniać możliwie wysoką sztywność poprzeczną, gwarantując jednocześnie bezbłędne przyleganie przedniej krawędzi dachu do gumowej uszczelki na zwieńczeniu ramy szyby przedniej, również przy bardzo wysokich prędkościach jazdy, gdy siły aerodynamiczne dążą do oderwania dachu od pojazdu. Podobne wymagania dotyczyły także tylnej części dachu, z tym, że wymagania sztywności nie były tak wysokie, za to jej krawędź musiała stanowić powierzchnię montażu rozbudowanego kształtem profilu gumowego, uszczelniającego naszą część z tylnym panelem dachu pojazdu. Bardziej skomplikowane zadanie czekało nas w części bocznej naszego panelu. Tutaj należało zamodelować powierzchnię, do której zamontowane zostaną mechanizmy składania dachu do pozycji cabrio i blokowania go do ramy szyby przedniej, w pozycji coupe – dach zamknięty. Dodatkowe utrudnienie, to uwzględnienie w generowaniu powierzchni tego obszaru stanów kinematycznych poszczególnych elementów mechanicznych, realizowane poprzez modelowanie pomocniczych brył, uwzględniających zakres ruchu poszczególnych części mechanizmów. Podobnie jak w przypadku części tylnej panelu, boczna, wewnętrzna krawędź dachu miała służyć do montażu gumowego profilu uszczelnienia z opuszczaną szybą w bezramkowych drzwiach bocznych. Technika tworzenia powierzchni w CATII była w zasadzie analogiczna, jak w przypadku centralnej, wewnętrznej części „sandwicza” panelu dachu. Wyjątek stanowiły jedynie kilku- lub kilkunastomilimetrowe obszary powierzchni przy krawędziach dachu, które z racji uwarunkowań technologicznych zostały utworzone jako równoległe powierzchnie, odsunięte o stały wymiar 4,5 mm funkcją Offset Surface. W przypadku skomplikowanych powierzchni wewnętrznych szczególnego znaczenia nabiera uwzględnienie wymaganych technologicznie kątów odformowania części. Dysponując modelem 3D, zawierającym zbiór wielu, niejednokrotnie przecinających się lub zachodzących na siebie powierzchni roboczych, trzeba zadbać o to, by były one dla nas, a także późniejszych dysponentów naszej konstrukcji, łatwo identyfikowalne. Kluczem jest tu sensowne i logiczne opisanie ich w „drzewku”.
W tym miejscu należałoby wprowadzić uwagę praktyczną. Mimo, że powierzchnie wewnętrzne powstają w oparciu o wygenerowane przekroje charakterystyczne, nie jest wskazane w ich tworzeniu wykorzystywanie elementów (punktów, linii, czy też krzywych) przynależących do przekrojów – w charakterze elementów pomocniczych. Wbrew pozorom, utrudnia to w przyszłości wprowadzanie ewentualnych zmian modelu. Decydując się w przyszłości na wykonanie zmiany, najpierw przeprowadzamy analizę jej efektów na bazie przekrojów 2D. To powoduje, że tym samym zmieniamy elementy przekrojów, często w sposób uniemożliwiający późniejszą regenerację modelu 3D. Zgoda, teoretycznie można starać się o powiązanie nowych elementów przekroju z elementami powierzchniowymi, np. poprzez zastępowanie starych funkcją replace, ale w praktyce najczęściej nie zdaje to egzaminu. Elementy pomocnicze powierzchni tworzymy, generując je jako całkiem nowe, niezależnie sparametryzowane, lecz w przestrzeni 3D zorientowane, w odniesieniu do położenia przekrojów, traktowanych jako elementy odniesienia.
Kolejnym etapem realizacji konstrukcji jest połączenie wygenerowanych powierzchni w jedną całość. Sięgamy przy tym najczęściej do palety narzędziowej Operations, przycinając powierzchnie i zaokrąglając ich krawędzie styku. Po satysfakcjonującym nas zaokrągleniu powierzchni wewnętrznych i dodaniu doń zewnętrznej powierzchni panelu, przystępujemy do stworzenia join’a, stanowiącego zamkniętą powierzchnię bryły konstruowanego panelu dachu.
W przypadku dużej ilości drobnych powierzchni, formujących szczególnie precyzyjnie ukształtowane obszary części, sięgamy do opcji tworzenia zaokrągleń z dodatkowym prowadzeniem powierzchni fileta za pomocą krzywej pomocniczej spine.

Mimo, że powierzchnie wewnętrzne powstają
w oparciu o wygenerowane przekroje charakterystyczne, przy ich tworzeniu nie jest wskazane wykorzystywanie elementów (punktów, linii, czy też krzywych) przynależących do przekrojów – w charakterze elementów pomocniczych. Wbrew pozorom, utrudnia to w przyszłości wprowadzanie ewentualnych zmian modelu.

Na tym etapie pracy staramy się grupować powierzchnie konstrukcyjne w ten sposób, by móc wprowadzić ich zaokrąglenie w jednej operacji, a następnie funkcją join tworzymy powierzchnię złożoną, którą będziemy się starali zaokrąglić względem innych, w podobny sposób uzyskanych join’ów. Zaokrąglanie krawędzi powierzchni w bardziej skomplikowanych kształtowo elementach jest operacją wymagającą sporego doświadczenia i cierpliwości, ale przemyślany sposób wykonania tego etapu pracy znacznie ułatwia późniejsze zmiany kształtu części.

Ostatni, końcowy etap konstrukcji wykonujemy na modelu bryłowym, popularnie zwanym solidem. W tym celu z dotychczasowego modułu GSD przechodzimy do Part Design. Dysponując prawidłowo zamkniętym modelem powierzchniowym w formie join’a, za pomocą funkcji Close Surface w grupie narzędziowej Surface-Based Features generujemy nasz solid.
Dalszą pracę kontynuujemy, modyfikując solid, ukrywszy przedtem funkcją hide wykorzystany do jego stworzenia model powierzchniowy. W modelu bryłowym modelujemy gniazda, w których zostaną zamontowane specjalne metalowe wkładki, zapewniające pewne połączenie naszego panelu dachowego z mechanizmem składania dachu, oraz przykręcenie profili nośnych uszczelnień panelu dachowego. Kształt gniazd jest powtarzalny, toteż wystarczy wykonać po jednym modelu bryłowym dla każdego rodzaju gniazda montażowego, a następnie rozmieścić gniazda w modelu bryłowym panelu dachowego w określonych miejscach.
Aby wykonać operację rozmieszczania wkładek montażowych w ich pozycjach w panelu dachowym, zamodelowano kształt gniazd montażowych i wkładek w postaci pojedynczych modeli solidowych w przestrzeni, wokół osi układu współrzędnych. Następnie, po chwilowym powrocie do modułu modelowania powierzchniowego GSD, funkcją Extract z palety Operations, uzyskano zamknięte modele powierzchniowe, dla wszystkich elementów gniazd i wkładek. Dalszym etapem działania było umieszczenie w przyszłych miejscach ich rozmieszczenia, pomocniczych układów współrzędnych Axis Systems z palety Tools. Orientacja pomocniczych układów współrzędnych powinna być tak skonfigurowana, aby po zastosowaniu funkcji Axis to Axis z palety Transformations, zorientowane oryginalnie w początku układu współrzędnych „wyekstraktowane” powierzchnie gniazd i wkładek znalazły się w pożądanej przez nas pozycji. Powróciwszy ponownie do modułu modelowania bryłowego, tworzymy z rozmieszczonych powierzchni funkcją Close Surface modele solidowe i ukrywamy niepotrzebne nam już powierzchnie.
Korzystając z palety Boolean Operations, wybieramy funkcję Remove, otrzymując w efekcie końcowy model bryłowy z gotowymi gniazdami, w których możemy zainstalować odpowiednie wkładki montażowe. Jeśli dysponujemy stosowną biblioteką, w której znajdziemy potrzebne nam wkładki, importujemy je do naszego modelu, a w przeciwnym wypadku modelujemy je podobnie jak uczyniliśmy to wcześniej z pomocniczymi modelami gniazd pod nasze wkładki. W ten sam sposób rozmieszczamy wkładki w modelu.
Na zakończenie pracy pozostaje nam szczegółowa kontrola poprawności naszej konstrukcji i uporządkowanie drzewka, które – jak wskazuje praktyka - często zawiera niewłaściwie rozmieszczone lub zbędne elementy konstrukcyjne. Dzięki przestrzeganiu zasad niezależnej parametryzacji modelu, oraz konsekwencji w porządkowaniu drzewka systemowego, możemy dysponować pełnowartościowym modelem części, a w razie potrzeby dokonania nieuniknionych w procesie rozwoju konstrukcji zmian, sięgając do odpowiednich obszarów drzewka, jesteśmy w stanie przeprowadzać je stosunkowo niewielkim nakładem czasu, w większości przypadków licząc na pełną regenerację modelu.

Marcin Szcześniak