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Surface·Sheet Metal·Knowledgeware 实务指南

CATIA · GSD · Sheet Metal · Knowledgeware

概述

复杂曲面、钣金以及基于规则的自动化是仅靠 Part Design 无法解决的领域。

本页面以一条主线串联 Generative Shape Design（GSD）、FreeStyle·ICEM Shape Design（Class A）、Sheet Metal（GSM·ASL）、Weld/Structure Design，以及 Knowledgeware（Parameter·Formula·Rule·Check·Design Table）。

Part Design 基础请参考 02 页，Assembly 参考 03 页。

1. Generative Shape Design (GSD)

1.1 概述与容器

GSD 是以 Surface + Wireframe 为中心的自由形建模工作台。对汽车外板、家电外观、有机形状必不可少，与 Part Design 一样与 Body 共存于 .CATPart 中。

Tree 的容器有两种。

  • Geometrical Set — Curve/Surface 容器（无序）
  • Ordered Geometrical Set — 保留顺序（与 Part Design 相同的顺序）

提示： 大多数实务中优先选择 Ordered Geometrical Set。Feature 顺序追踪明确，Design Table 联动便捷。

1.2 Wireframe 基础

Point（坐标/On Curve/On Plane/On Surface/Extremum/Between）、Line（Point-Point/Point-Direction/Angle/Tangent/Normal/Bisecting）、Plane、Projection/Intersection、Circle/Corner、Connect Curve（G0/G1/G2）、Spline、Helix、Spiral、Spine、Isoparametric Curve、Boundary、Polyline。

提示： 曲面质量由基础 Wireframe 质量决定。将 Spline 的控制点数量削减到必要最小限度，并显式赋予 Tangent 条件，之后 Sweep/Loft 的 Class 质量会显著提升。

1.3 Surface 创建

  • Extrude / Revolute / Sphere / Cylinder / Offset
  • Sweep — Explicit（轮廓+引导线）、Line、Circle、Conic 四种
  • Multi-Sections Surface (Loft) — Section + Guide + Spine
  • Blend — 用 Continuity 控制连接两条曲线/曲面（G0~G3）
  • Fill — 以面填充封闭边界
  • Adaptive Sweep — 各位置改变轮廓的高级 Sweep
  • Bump / Shape Morphing / Wrap Surface — 变形

1.4 Operations

  • Join — 合并。Merge Distance、Check Connexity、Check Manifold
  • Heal — 强制填补小缝隙（注意精度损失）
  • Disassemble — Multi-cell → Single Cell 分解
  • Split / Trim — Split 只切一边，Trim 双方都切
  • Extract / Extrapolate / Fillet / Shape Fillet
  • Translate / Rotate / Symmetry / Scaling / Affinity / Axis To Axis

提示： Trim 会让两个 Surface 相互切割。若只想切一个 Surface 则用 Split。用途不同，不经意选 Trim 会意外编辑参考 Surface。

1.5 Continuity (G0~G3)

等级含义品质
G0Point 连续，仅相交有棱边
G1Tangent 连续，切线方向一致无棱边
G2Curvature 连续，曲率一致无反射畸变
G3曲率变化率也连续Class A 最高品质

Class A 通常要求 G2 以上，高反射面要求 G3。

1.6 Analysis 工具

  • Connect Checker — Gap/Tangency/Curvature 连续性检查
  • Feature Draft Analysis — 拔模角度（可脱模性）
  • Surface Curvature Analysis — 高斯/主曲率彩色图
  • Porcupine Curvature Analysis — 曲线曲率"刺猬图"
  • Distance Analysis — 两曲面间距离彩色图
  • Environment Mapping (Highlight) — 照明反射仿真

提示： 在 Environment Mapping 中观察虚拟荧光灯条纹是否平滑流动，是汽车外板 Class A 品质的核心验证法。

1.7 GSD 实务技巧

  • 先构建 Reference Element（Point/Line/Plane/Axis System），再按 Curve → Surface 顺序展开
  • Multi-Sections/Sweep 中 Spine 品质决定结果品质
  • 将 CV（Control Vertex）数量最小化可提升 Class 品质
  • 薄且均匀的厚度用 Shell，不均厚度用 Thick Surface
  • 缝隙用 Join（Merge Distance）处理，Heal 作为最后手段

2. FreeStyle·ICEM Shape Design (Class A)

2.1 FreeStyle Shaper

NURBS + Subdivision 混合工作台。用于初期概念·原型。

  • 3D Curve / Planar Curve
  • Styling Sweep / Match Curve
  • Net Surface（网格 Curve 生成面）
  • Styling Fillet / Blend
  • Global Deformation
  • 直接操作 Control Points

提示： FreeStyle 的品质通常视为 "Class B" 水平。用于研究·概念而非最终外板交付。

2.2 ICEM Shape Design / ICEM Surf

Class A 专用。是汽车 OEM（BMW/Audi/Mercedes/Hyundai-Kia 设计室）的标准。

  • Direct Modeling（直接操作 NURBS CV）
  • Feature-based Hybrid（Boolean、G3 Fillet）
  • Zebra/Highlight/Porcupine/Reflection 品质分析
  • G0~G3 Surface Matching
  • Constrained Deformation

ICM 是 CATIA 内部集成工作台，ICEM Surf 是独立运行应用。

实务流程通常是设计室用 ICEM Surf 设计 → 工程端导入 CATIA → 在 GSD 上叠加工程设计。

2.3 STRAK / Class A 作业流程

  1. 从设计工作室导入 Reference Surface
  2. Primary Surface — 大外板。四边片，Degree 5~7
  3. Tension Surface — 连接主面之间，G2 连续
  4. Fillet / Blend — 变 R 或 Conic
  5. Quality Analysis — 用 Zebra/Highlight 验证 G2 以上
  6. Data Exchange — STEP AP214 或原生格式交付工程端

注意： Class A 是 "几何精度 + 美学品质"的双重标准。面相连并不等于 Class A，反射条纹必须平滑流动。

3. Sheet Metal Design

3.1 Generative Sheet Metal Design (GSM)

用于一般行业（电子机柜、机械盖板）。

Sheet Metal Parameters 的初始设定是所有展开计算的前提。

  • Thickness — 板材厚度
  • Bend Radius — 默认折弯 R
  • K Factor — 中性层位置（0~0.5）

K Factor（DIN）近似公式：K = 0.65 + log₁₀(R/T) × 0.5 — R 是内径折弯半径，T 是厚度。

注意： K Factor 若与现场工艺不符，展开长度会偏差导致板材下料错误。设计定稿前务必与工艺负责人对齐。

3.2 Wall / Flange / Stamp

  • Wall — 基于 Sketch 或 Edge 的基本板。用 Wall on Edge 追加正交壁
  • Flange — Spine（边）+ Radius + Length + Angle。最常用的折弯
  • Hem — 180° 折边收尾
  • Tear Drop — 泪滴形卷边
  • User Flange — 任意轮廓法兰
  • Bend / Conical Bend / Bend from Flat
  • Stamping Features — Surface Stamp、Bead、Curve Stamp、Flanged Cutout、Louver、Bridge、Circular Stamp、Dowel、Half Pierce

提示： Stamp 可与 Design Table 联动，仅通过 Row 选择即可调出 DIN/ISO 标准尺寸。通过 Tools → Stamp Catalog 注册也可团队共享。

3.3 Folding / Unfolding

  • Unfold All / Fold — 全体展开/重新折叠
  • Unfold — 仅特定 Bend
  • View from Unfold / From Folded — 图纸中自动生成展开图

注意： 若存在 Stamp 或 User Flange，Unfold 可能出错。失败时勾选 Tools → Options → Sheet Metal → Ignore Stamps in unfolding 进行迂回。

3.4 Aerospace Sheet Metal Design (ASL)

航空特化。支持 Hydroforming·Break Form 工艺。

特化特征：Web（主板材）、Flange（Curved/Double Curved/Planar）、Flange Cutout/Hole/Slot、Joggle（阶梯状折弯）、Stiffening Bead/Rib、Hem/Tear Drop、Corner Relief。

提示： ASL 与 GSM 不同，支持曲面钣金（Double Curved Flange），是机身外板等曲率钣金的必备。

3.5 Sheet Metal 实务技巧

  • 将 Thickness/Radius 抽出为 Parameter可一次性反映板材变更
  • 公差默认 ±0.1mm，精密零件 ±0.05mm
  • 用 Annotation 标注 Grain Direction（纹理方向）
  • 图纸的 View 类型中选择 Unfolded View 可自动生成展开图

4. Weld Design·Structure Design

4.1 Structure Design

基于梁/柱的结构物建模。

  • Section Catalog — H 钢、I 钢、Angle、Channel、Tube、Pipe 等标准截面
  • Place Beam — 两个 Point/Axis 之间的梁
  • Place Plate — 连接板
  • End Cut — 将梁端切割配合对方梁
  • Trim — 梁修剪

提示： Structure Design 的 Beam 不是简单的 Extrude，而是包含截面·长度·连接部信息的 Beam Feature。稍后可用于钢材 BOM 自动提取。

4.2 Weld Design

  • Fillet Weld（角焊）/ Square·V·Bevel·U·J Butt（对接）
  • Spot Weld（点焊） — 汽车 BIW 中每辆车数千个
  • Plug / Seam / Slot Weld
  • Weld Feature — 3D 焊缝金属实体表现
  • Automatic Edge Trimming — 根据焊接类型自动清理边

提示： 通过 Weld Design 赋予的焊接符号在 Drafting 中作为 Annotation 自动显示。比手动注释更易质量管理。

4.3 汽车 Spot Weld

汽车 BIW 每一车体 3,000~5,000 个点焊。实务标准是结合 Weld Design + Macro 来批量生成 Pattern，并用 Knowledgeware Rule 沿边自动布置点焊（参见 06 页 Macro）。

5. Knowledgeware

5.1 Parameter

路径：Tools → Formula 或 f(x) 图标。

支持类型：Real、Integer、String、Boolean、Length、Angle、Mass、Volume、Time、Temperature、Force、Pressure、List、Point/Line/Plane/Body/Part 等。

提示： 不要依赖 Feature 名称，显式创建有意义的 Parameter 可方便 Design Table·Rule 联动。命名约定示例：Param_Length、Cfg_BoltDiameter、Ref_WallThickness。

5.2 Formula（公式）

Parameter 间的关系式。

PadLength = PartBody\Pad.1\FirstLimit\Length
          + PartBody\Pad.1\SecondLimit\Length
TotalVolume = Pi * Radius**2 * Height

函数库：sin()、cos()、log()、sqrt()、min()、max()、if()、isin() 等。

提示： 用 if (Length > 100mm, 10mm, 5mm) 形式设置条件尺寸。不附带单位会出现单位不一致错误。

5.3 Rule（规则）

在 Knowledge Advisor 工作台执行条件动作。

if (Wall_Thickness < 2mm)
{
    Message("Warning: thickness too low")
    Bolt_Diameter = 6mm
}
else
{
    Bolt_Diameter = 10mm
}

5.4 Check（检查）

违反条件时警告。用于自动验证。

Check: TransitionRatio = Transition / Depth
TransitionRatio >= 4
Message: "建议坡度比 4 以上（确保安全系数）"

可选择黄色警告（Warning）与红色阻断（Silent/Block）模式。

5.5 Design Table

基于 Excel/TXT 的 Configuration 管理。

  1. Tools → Formula → Design Table 图标
  2. Create a design table with current parameter values
  3. 选择 Parameter → 生成 .xls 文件
  4. 在 Excel 中增加 Row → 扩充 Configuration
  5. 在 CATIA 中选择 Row → 更新为对应尺寸

Use Case： 将 M4/M6/M8/M10/M12 螺栓系列在一个 .CATPart 中仅通过 Row 选择切换。与 Catalog 结合可拖放直接插入装配。

5.6 Power Copy 与 UDF

  • Power Copy — 可复用的 Feature 组。在其他 Part 中 Instantiate 输入要素
  • UDF (User-Defined Feature) — 与 Power Copy 类似但内部封装（不公开）
  • Document Template — Part/Product 模板化

Use Case： 将公司标准 "加强筋" 图案制作为 Power Copy 并分发给团队。在其他 Part 中仅需指定 2 条边 + 1 个尺寸即可生成相同加强筋。

实务检查清单

  • GSD 是否优先使用 Ordered Geometrical Set
  • 是否将 Spline 控制点最小化以确保 Class 品质
  • 是否为 Sweep/Loft 定义了合适的 Spine
  • 是否定期用 Connect Checker 检查 G1/G2 连续性
  • Class A 作业中是否通过 Zebra/Highlight 品质验证
  • 是否初期确定 Sheet Metal Parameter（Thickness、Bend R、K Factor）
  • K Factor 是否与现场工艺负责人达成一致
  • 是否事先确认含 Stamp 钣金的 Unfold 可行性
  • 是否用 Weld Design 构建 Annotation 自动传播
  • 是否在团队层面确定 Parameter 命名约定
  • 是否用 Design Table + Catalog 管理标准件系列
  • 重复图案是否用 Power Copy/UDF 模板化
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