#車身A級曲面模型的構(gòu)造

1、車身A級(Class A)曲面模型的構(gòu)造Class A 曲面是由 CATIA 軟件開發(fā)商 Dassault System 公司提出的新概念，主要是指車身零件中對外觀和 形狀要求極高的曲面。 本文從車身開發(fā)的角度， 通過大量實(shí)例描述了車身 Class A 曲面模型的定義及創(chuàng)建 方法，而車身曲面模型的光順是車身開發(fā)人員一直追求的目標(biāo)，本文提出了一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。一、前言車身設(shè)計(jì)方法從無到有， 以及現(xiàn)在千姿百態(tài)的車身樣式， 都應(yīng)當(dāng)歸功于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)展。 從設(shè)計(jì) 理念上而言，車身開發(fā)的基本思路并未發(fā)生根本性變化，依然是概念設(shè)計(jì)-總布置設(shè)計(jì)-詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)T試驗(yàn)驗(yàn)證T產(chǎn)品”這樣一個(gè)流程。然而

2、由于現(xiàn)代技術(shù)的介入，使車身的開發(fā)周期大大縮短，車身的設(shè)計(jì) 質(zhì)量大大提高。車身外形的變化也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的演化過程， 即箱式 -船形-楔形-光滑曲面過渡的外凸形， 這一 過程也得益于各種先進(jìn)技術(shù)的大量應(yīng)用，如三維圖形技術(shù)以及空氣動力學(xué)仿真技術(shù)等。現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)， 尤其是外觀零件的設(shè)計(jì)， 已經(jīng)完全擯棄了由二維轉(zhuǎn)三維的階段， 而是直接由虛擬三維到實(shí) 際三維。正是借助于先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具， 車身開發(fā)周期才能由原來的 4到 5年縮短至目前的 2到3年， 甚至更短的時(shí)間。Class A 曲面設(shè)計(jì)，即完全在計(jì)算機(jī)三維虛擬環(huán)境下構(gòu)造合格的車身曲面的一種方法，是數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)圖 形學(xué)相結(jié)合的典型應(yīng)用，它不同于

3、圖板工作模式，使設(shè)計(jì)更加靈活，編輯起來更加方便快捷。隨著逆向設(shè) 計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、 基于分析的設(shè)計(jì)以及面向制造的設(shè)計(jì)等新方法涌入車身設(shè)計(jì)過程，基于三維的車身曲面模型設(shè)計(jì)越來越重要，在整個(gè)產(chǎn)品鏈中的地位也日益提高。二、Class A 曲面的定義Class A 一詞最初是由法國 Dassault System 公司在開發(fā)大型 CAD/CAM 軟件包 CATIA 時(shí)提出并付諸應(yīng)用 的，常譯作 A 級曲面，專指車身模型中對曲面質(zhì)量有較高要求或特殊要求的一類曲面，如外形曲面、儀 表板和內(nèi)飾件的表面等。從 CATIA V5版本開始，軟件中新增加了 ACA(Automotive Class A)模塊，專門 用于

4、 Class A 曲面的設(shè)計(jì)。Class A曲面與通常所說的光順曲面有相似之處，只不過Class A特指汽車車身上的一部分曲面。依次類推，對于車身內(nèi)覆蓋件，如內(nèi)板件，其曲面稱為Class B、Class C等。Class A 曲面是既滿足幾何光滑要求，又滿足審美需求的曲面。對于光滑曲面已經(jīng)有很多的研究結(jié)論， 參照施法中和朱心雄的定義可歸納如下： 1)曲面片滿足 G2 連續(xù)；2) 沒有多余的拐點(diǎn)； 3)曲率分布均勻； 4)應(yīng)變能最小。光順則包含光滑和順眼兩層含義，上面歸納的定義是對光滑的數(shù)學(xué)描述，而對順眼的衡量則是仁者見仁， 智者見智，沒有統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)。曲面模型設(shè)計(jì)從始至今已有了四十多年的歷史

5、，取得了很大的進(jìn)展，尤 其體現(xiàn)在大型CAD應(yīng)用軟件包上，出現(xiàn)了很多曲面建模系統(tǒng)，如基于NURBS的、基于Bezier的、基于B樣條的以及混合建模系統(tǒng)等，不一而足。而由Dassault System提出的Class A曲面，為業(yè)界所承認(rèn)并得到了廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠浜啙嵜髁送ㄟ^參閱一些資料，并且做了大量曲面和零件的設(shè)計(jì)工作，對Class A曲面的要求總結(jié)如下:曲面片由B樣條方法（包括NURBS和Bezier方法）描述，節(jié)點(diǎn)向量采用累加弦長參數(shù)化法；（2）曲面在u, v方向上次數(shù)在三次（四階）至七次（八階）之間，最高不要大于九次（十階）；（3）相鄰曲面片滿足 G2連續(xù)（曲率過渡均勻，至少滿足G1,

6、特殊要求滿足 G3）;（4）大的曲面片為全凸的（法方向指向曲面同側(cè)）。自由形狀描述理論在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)論述，現(xiàn)在總結(jié)的對車身曲面模型的更高要求，就是建立在這些理論的基礎(chǔ)上。現(xiàn)在大多數(shù) CAD系統(tǒng)和曲面建模系統(tǒng)都是以 B樣條作為自由曲線曲面的表達(dá)方法，而且 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已將 NURBS采納為產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述的標(biāo)準(zhǔn)格式。NURBS方法是B樣條方法更一般化的表達(dá)形式，公式（1）是直角坐標(biāo)系下的B樣條曲線表達(dá)式，如下所示。工：疔¥皿"小嗎）川州）(1)在許多關(guān)于曲線曲面的文獻(xiàn)中，尤其是關(guān)于CAGD方面的文章中，都將三次作為自由曲線和曲面的標(biāo)準(zhǔn)形式。但是，在車身設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用中會發(fā)

7、現(xiàn)明顯的不足， 要求后。對于低于三次的曲線曲面，很容易看出其是不 順約束條件可知，僅為三次的曲線曲面不可能滿足與相鄰 界上進(jìn)行拼接）曲線曲面拼接時(shí)的幾何二階連續(xù)性的要求。目前，在通用和專用的曲面建模系統(tǒng)中生成曲線的次數(shù)可達(dá) 還能更高，但并不實(shí)用，而且高次曲面還存在以下不足： 利于存儲；（3）不利于數(shù)據(jù)交換。尤其是涉及到上文中提出的對曲線曲面的光順自由”的，故在此不再贅述。由上述對曲面片的光（設(shè)曲線在兩個(gè)端點(diǎn)拼接，四邊域曲面在四條邊21次，而若由用戶自定義，生成曲線的次數(shù)（1）導(dǎo)致曲面形狀易波動；（2）增大文件容量，不Class A曲面標(biāo)準(zhǔn)的第三條是對邊界連續(xù)性提出要求，同時(shí)也是許多光順準(zhǔn)則的第

8、一條要求，如圖1所示。圖1連續(xù)性問題的提岀源于歷史原因，目前的 CAD和多數(shù)曲面建模軟件的曲面生成方法均以四邊域?yàn)榛A(chǔ)，因此在曲面片與相 鄰曲面片拼接時(shí)，就需要同時(shí)滿足多條邊界的連續(xù)性要求。在機(jī)械CAD方面，簡單的曲面拼接要求切向連續(xù)即可，但對于汽車車身這樣對外形有特殊要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說，切向連續(xù)是最低的要求，G2是對多數(shù)曲面片拼接的要求，對于有些結(jié)構(gòu)和位置，要求滿足G3連續(xù)。G2連續(xù)又稱為曲率連續(xù)，多維參數(shù)曲線的曲率計(jì)算公式如公式(2)所示。(2)三、車身Class A曲面模型的描述車身曲面模型分為內(nèi)、外覆蓋件，而外形曲面對質(zhì)量的要求尤其嚴(yán)格，直接影響下面各項(xiàng)操作的順利進(jìn)行， 如數(shù)控加工、模

9、具沖壓以及裝配等。在設(shè)計(jì)階段，車身外形曲面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能以整體來進(jìn)行， 先不考慮具體的零部件分塊。將整個(gè)車身外形曲 面視為一組互相連續(xù)的曲面片構(gòu)成的凸殼，在保證各曲面片及拼接關(guān)系滿足上述Class A要求的情況下，再進(jìn)行分塊處理，詳細(xì)考慮零部件縫隙和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。曲面片劃分的準(zhǔn)則如下。(1) 在曲面曲率變化較小或比較均勻的地方，曲面片可以劃分得少一些。有些曲面雖然較大，因其曲率變 化均勻，可將其視為一張曲面去造型。(2) 在曲面曲率變化較大或曲率變化不均勻的地方，尤其對曲率急劇變化的部位(如圓弧與直線的連接部 分)，應(yīng)將曲面分解為幾個(gè)曲面片分別造型，然后再進(jìn)行拼接，否則易形成皺紋面，這在車身造型中是

10、不 允許的。(3) 使劃分后的曲面片型值點(diǎn)越少越好，但前提是要保證型值點(diǎn)能夠控制曲面的形狀。使劃分后的曲面片盡量為四邊形域曲面，減少三邊封閉的退化曲面。車身曲面模型的設(shè)計(jì)是一個(gè)逐漸細(xì)化的過程，往往要經(jīng)過許多反復(fù)，不能一蹴而就。車身外形曲面構(gòu)建Class A模型的步驟，如圖2所示。iW臺面混合不淆主或車勇ClassAS® wg圖2車身Class A曲面設(shè)計(jì)流程發(fā)動機(jī)罩的高光線檢查效果，如圖3所示。圖3發(fā)動機(jī)罩的高光線模型對于大面積的車身零件，用一張曲面片來描述很難滿足光順要求，圖3中所示零件為對稱件，由13張大小曲面片拼接而成，細(xì)實(shí)線為曲面片邊界。由圖3可以看出，曲面片之間邊界過渡處的

11、高光線過渡均勻，每條高光線粗細(xì)比較一致，能達(dá)到曲率變化均勻的要求。在車身Class A曲面模型設(shè)計(jì)的流程圖中，提到了細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，尤其是特征線和圓角的處理方法。曲面上過 渡特征的處理實(shí)例，如圖 4所示。先由基本曲線幾何邊界生成初始曲面，圖4中(a)由3個(gè)曲面片組成；(b)為光線檢查效果，可以看出在公共邊界處是不連續(xù)的，然后用曲率過渡的方法連接左右兩個(gè)大曲面，要求沿公共邊界嚴(yán)格曲率連續(xù)；圖(c)為光線檢查效果；(d)為著色渲染效果，可見特征線處曲面過渡光順、自然。(a)初始邊界(b)簡單曲面(c)光順過渡(d)曲面渲染圖4曲面特征線的處理四、車身Class A曲面模型實(shí)例車身外形曲面的曲率變化大，對

12、光照效果要求高。在建模時(shí)，應(yīng)以先大曲面后小曲面為原則，盡量用大面積的曲面來達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。對每一個(gè)大曲面，要仔細(xì)檢查其邊界線曲率的分布，曲率梳的排列應(yīng)合乎設(shè)計(jì)要求。例如頂蓋，如圖 5所示。圖5頂蓋曲面模型（圖5-1為高光線檢查效果）橫向看，中間曲率最小，兩側(cè)曲率大；縱向看，從前到后則曲率變化趨勢是大T小T大，中間部分曲率達(dá)到最小。如圖6所示，高光線呈對應(yīng)分布，且左右對稱，這樣得到的曲面模型才是合格的圖6行李箱蓋曲面模型（圖6-1為高光線檢查效果）因?yàn)楦髑嫫肂樣條方法表示，且次數(shù)在 3到7之間，故內(nèi)部各小曲面片之間的光滑拼接沒有問題。 需費(fèi)時(shí)的是由大曲面片拼接而成的零件曲面模型，在曲面片的四條邊界上（如有拼接要求）都應(yīng)滿足光滑拼接。對于小的過渡區(qū)域，則利用曲面混合技術(shù)進(jìn)行拼接，但也要保證光滑過渡，從而使零件的曲面模型不 但拼接光