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.