第一节 CATIA V5R21介绍

在第一节中，我们讲一讲有关CATIA V5R21软件的一些背景资料，这有助于同学们了解此软件有哪些新功能、作用及软件特点等。

一、CATIA在制造业和设计界的应用

CATIA V5R21软件具有12个模组上百个模块，各功能模块来实现计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助分析，利用不同的模块来实现不同的设计意图。CATIA V5R21的软件在制造业和设计界主要体现以下几个方面。

1.航空航天

CATIA源于航空航天工业，是业界无可争辩的领袖。以其精确安全，可靠性满足商业、防御和航空航天领域各种应用的需要。在航空航天业的多个项目中，CATIA被应用于开发虚拟的原型机，其中包括Boeing777和Boeing737，Dassault飞机公司（法国）的阵风、GlobalExpress公务机，以及Darkstar无人驾驶侦察机。如图1-1所示为CATIA在飞机设计中的应用。

2.汽车工业

CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（End-to-End）的解决方案。一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA上都可以作为数字化产品，如图1-2所示。

3.造船工业

CATIA为造船工业提供了优秀的解决方案，包括专门的船体产品和船载设备、机械解决方案。船体设计解决方案已被应用于众多船舶制造企业，涉及所有类型船舶的零件设计、制造、装配。参数化管理零件之间的相关性，相关零件的更改，可以影响船体的外型，如图1-3所示。

4.机械设计

CATIA V5R21机械设计工具提供超强的能力和全面的功能，更加灵活，更具效率，更具协同开发能力。如图1-4所示为利用CATIA建模模块来设计的机械产品。

5.工业设计和造型

CATIA V5R21提供了一整套灵活的造型、编辑及分析工具，构成集成在完整的数字化产品开发解决方案中的重要一环。如图1-5所示为利用CATIA创成式外形设计模块来设计的工业产品。

6.机械仿真

CATIA V5R21提供了业内最广泛的多学科领域仿真解决方案，通过全面高效的前后处理和解算器，充分发挥在模型准备、解析及后处理方面的强大功能。如图1-6所示为利用运动仿真模块对产品进行运动仿真范例。

7.工装模具和夹具设计

CATIA V5R21工装模具应用程序使设计效率延伸到制造，与产品模型建立动态关联，以准确地制造工装模具、注塑模、冲模及工件夹具。如图1-7所示为利用CATIA V5R21注塑模向导模块设计模具的范例。

8.机械加工

CATIA为机床编程提供了完整的解决方案，能够让最先进的机床实现最高的产量。通过实现常规任务的自动化，可节省多达90%的编程时间；通过捕获和重复使用经过验证的加工流程，实现更快的可重复NC编程。如图1-8所示为利用CATIA加工模块来加工零件的范例。

9.消费品

全球有各种规模的消费品公司信赖CATIA，其中部分原因是CATIA设计的产品的风格新颖，而且具有建模工具和高质量的渲染工具。CATIA已用于设计和制造如下多种产品：运动、餐具、计算机、厨房设备、电视和收音机及庭院设备。如图1-9所示为利用CATIA进行运动鞋设计。

二、CATIA与同类软件产品的比较

目前，常用的三维软件主要有CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks，其中CATIA和UG属于高端三维设计软件，Pro/E属于中端软件，而SolidWorks属于低端三维设计软件，各个软件各有千秋。Pro/E目前在中国用的人最多，资料教程最全，高手也最多，所以学起来比较容易，找工作也相对容易一些。SolidWorks简单易学，做机械设计足够，下面仅对CATIA与UG进行比较。

（1）在CATIA中特征建模都是基于草图Sketch的参数化建模。UG在一般的特征建模往往是直接生成的，比如直接生成长方体、圆柱、圆锥等。但两者在草图上，UG的智能捕捉功能没有CATIA的强，在CATIA中很多约束是自动识别的，而在UG中必须很精确的手工地定义每个元素的约束，而且相当不方便。

（2）CATIA在特征建模参数化关联比UG要强很多。一般的UG初学者在使用UG来建模时容易使用一些非关联的设计方法，比如进行各种逻辑操作等，使用一些非参数化的点和线来生成（如拉伸、旋转等）的实体，以后要修改这些设计是很费时而且很容易出错的。在UG中只有在Sketch中的点和线才有参数关联性，在实际的应用中很多用户会混杂大量的非关联的元素在其中，如果以后要修改很麻烦。而在CATIA中所有的点线和平面都是参数相关联的，所以生成的实体都是高度相关性的，易于以后的维护和修改。

（3）CATIA的曲面造型功能是CAD软件中公认的领导者，CATIA在曲面设计方面独步全球，无人能敌。在正身设计中，CATIA拥有自由曲面，创成式曲面设计，汽车A级曲面的设计等模块，能根据影像草图中导入参考图进行设计；在逆向造型方面，CATIA拥有强大的数字化编辑器，能对点云的筛选、去噪、激活进行很好地操作，很好地进行三角面参考曲面的生成、修补等专业的逆向操作；能很好地与正向设计模块无缝集成，进行G2级曲面以上的高级曲面的设计。这充分集成了工业设计专业软件（ALIAS、RHINO等）和工程软件的全部优点，是一个历史性的创新。

（4）CATIA的分析功能也非常强大，特别是在线性分析方面相当优秀。无论是创成式零件分析还是结构分析，都有良好的表现，在柔性耦合分析方面也能满足大部分企业的要求。

（5）CATIA的知识专家比UG高的也不是一个等级。CATIA有丰富的函数库，可以读取、计算大部分元素的数据，如点的位置、线的位置，计算实体的容积、质量，等等。而UG可以读取的数据有限。这在以后的PDM/PLM应用中无疑更具有优势。

（6）CATIA软件的CAM方面具有相当大的优势，特别是在曲面加工和五轴加工方面的编程能力在目前是遥遥领先的，因此相当部分的飞机及高端汽车企业的CAM软件都首选CATIA软件。总结起来，CATIA的参数关联性、曲面 、分析、知识专家、加工都是比UG高一个档次的。从CATIA设计的思路上看，是一个非常优秀的、面向对象程序设计的典范，必将是21世纪CAD设计的主流软件，选择CATIA是英明的。

三、CATIA V5概貌

CATIA是Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的缩写，是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位。为了使软件能够易学易用，Dassault System于1994年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM软件的一种全新风格。

CATIA源于航空航天业，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业。CATIA强大的功能来源于它具有13个模组100多个模块，简单介绍如下。

1.装配设计（ASS）

CATIA装配设计可以使设计师建立并管理基于3D零件机械装配件。装配件可以由多个主动或被动模型中的零件组成。零件间的接触自动地对连接进行定义，方便了CATIA运动机构产品进行早期分析。基于先前定义零件的辅助零件定义和依据其之间接触进行自动放置，可加快装配件的设计进度，后续应用可利用此模型进行进一步的设计、分析、制造等。

2.制图功能（DRA）

CATIA制图产品是2D线框和标注产品的一个扩展。CATIA绘图-空间（2D/3D）集成产品将2D和3D CATIA环境完全集成在一起。该产品使设计师和绘图员在建立2D图样时从3D几何中生成投影图和平面剖切图。通过用户控制模型间2D到3D相关性，系统可以自动地由3D数据生成图样和剖切面。

3.CATIA特征设计模块（FEA）

CATIA特征设计产品通过把系统本身提供的或客户自行开发的特征用同一个专用对话结合起来，从而增强了设计师建立棱柱件的能力。这个专用对话着重于一个类似于一族可重新使用的零件或用于制造的设计过程。

4.钣金设计（Sheetmetal Design）

CATIA钣金设计产品使设计和制造工程师可以定义、管理并分析基于实体的钣金件。采用工艺和参数化属性，设计师可以对几何元素增加像材料属性这样的智能，以获取设计意图并对后续应用提供必要的信息。

5.高级曲面设计（ASU）

CATIA高级曲面设计模块提供了可便于用户建立、修改和光顺零件设计所需曲面的一套工具。高级曲面设计产品的强项在于其生成几何的精确度和其处理理想外形而无须关心其复杂度的能力。无论是出于美观的原因还是技术原因，曲面的质量都是很重要的。

6.白车身设计（BWT）

白车身设计产品对设计类似于汽车内部车体面板和车体加强筋这样复杂的薄板零件提供了新的设计方法。可使设计人员定义并重新使用设计和制造规范，通过3D曲线对这些形状的扫掠，便可自动生成曲面，结果可生成高质量的曲面和表面，并避免了耗时的重复设计。该新产品同时是对CATIA-CADAM方案中已有的混合造型技术的补充。

7.CATIA逆向工程模块（CGO）

可使设计师将物理样机转换到CATIA Designs下并转变为字样机，并将测量设计数据转换为CATIA数据。该产品同时提供了一套有价值的工具来管理大量的点数据，以便进行过滤、采样、偏移、特征线提取、剖截面和体外点剔除等。由点数据云团到几何模型支持由CATIA曲线和曲线生成点数据云团。反过来，也可由点数据云团到CATIA曲线和曲面。

8.自由外形设计（FRF）

CATIA自由外形设计产品提供一系列工具，来实施风格或外形定义或复杂的曲线和曲面定义。对NURBS的支持使得曲面的建立和修改，以及与其他CAD系统的数据交换更加容易。

9.创成式外形建模（GSM）

创成式外形建模产品是曲面设计的一个工具，通过对设计方法和技术规范的捕捉和重新使用，可以加速设计过程，在曲面技术规范编辑器中对设计意图进行捕捉，使用户在设计周期中任何时候都方便、快速地实施重大设计更改。

10.曲面设计（SUD）

CATIA曲面设计模块使设计师能够快速、方便地建立并修改曲面几何。它也可作为曲面、面、表皮和闭合体建立和处理的基础。曲面设计产品有许多自动化功能，包括分析工具、加速分析工具、可加快曲面设计过程。

11.装配模拟（Fitting Simulation）

CATIA装配模拟产品可使用户定义零件装配或拆卸过程中的轨迹。使用动态模拟，系统可以确定并显示碰撞及是否超出最小间隙。用户可以重放零件运动轨迹，以确认设计更改的效果。

12.有限元模型生成器（FEM）

该产品同时具有自动化网格划分功能，可方便地生成有限元模型。有限元模型生成器具有开放式体系结构，可以同其他商品化或专用求解器进行接口。该产品同CATIA紧密地集成在一起，简化了CATIA客户的培训，有利于在一个CAD/CAM/CAE系统中完成整个有限元模型造型和分析。

13.多轴加工编程器（Multi-Axis Machining Programmer）

CATIA多轴加工编程器产品对CATIA制造产品系列提出新的多轴编程功能，并采用NCCS（数控计算机科学）的技术，以满足复杂5轴加工的需要。这些产品为从2.5轴到5轴铣加工和钻加工的复杂零件制造提供了解决方案。

14.STL快速样机（STL Rapid Prototyping）

STL快速样机是一个专用于STL（Stereolithographic）过程生成快速样机的CATIA产品。