ClassA曲面在汽車車身外形設計上的應用3說課材料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ClassA曲面在汽車車身外形設計上的應用3-Class-A曲面在汽車車身外形設計上的應用迅利科技有限公司盧金火、張慧波、劉文龍AbstractThispaperintroducesrelatedconceptsofClass-AsurfacemodelingandtheClass-AsurfacemodelingmethodsprovidedinCATIAsoftware.andthetechnicalrequirementsandcreationmethodsofClass-Asurfaceared

2、iscussed.Intheend,takethesurfacemodelingofenginecoverouterpanelasanexampletopresentapracticalmodelingmethodsoftheClass-Asurface.摘要本文介紹了與Class-A曲面建模有關(guān)的概念和CATIAV5軟件Class-A曲面造型功能的使用方法，還論述了Class-A曲面的技術(shù)要求與生成方法，最后以某車型的發(fā)動機罩外板為例，提出了Class-A曲面的實際造型方法。Topicwords:Auto-body,Shapedesign,Class-Asurface,smooth關(guān)鍵詞：車

3、身，外形設計，Class-A曲面，光順前言目前，我國的汽車工業(yè)，特別是轎車工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展。各汽車公司為了迅速地占領汽車市場，獲得更大的市場份額，紛紛推出款式新穎、性能良好、價格適中、乘坐舒適的汽車產(chǎn)品，以滿足廣大汽車用戶的需求。車身是汽車產(chǎn)品的外衣，它不僅影響汽車造型的外觀質(zhì)量，而且也影響汽車的乘坐舒適性和空氣動力性等。一個外觀質(zhì)量良好的汽車產(chǎn)品，會給人一種賞心悅目的感受，會激發(fā)人們的購買欲。因此，汽車車身外形設計一直是各汽車公司產(chǎn)品開發(fā)的重點工程。本文將介紹采用CATIAV5Class-A曲面功能進行汽車車身外表面設計的方法。與Class-A曲面建模有關(guān)的概念在具體采用Class

4、-A曲面功能進行汽車外形設計以前，有必要介紹與此相關(guān)的概念。2.1曲面片曲面片是構(gòu)造曲面的基本單元，它是由兩個參數(shù)u、v來表示的。對曲面片而言，曲面的u向參數(shù)值從0到1，v向參數(shù)值也從0到1。2.2曲面的階數(shù)曲面由兩個參數(shù)u、v來表示，在曲面的兩個方向上可以賦予不同的階數(shù)，曲面u方向的階數(shù)等于該曲面在u方向的控制點數(shù)，而曲面v方向的階數(shù)等于曲面在v方向的控制點數(shù)。2.3曲面的幾何連續(xù)性曲面的幾何連續(xù)性是指兩曲面在邊界處兩曲面間的幾何連續(xù)性。連續(xù)性包括點連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)。2.4光順性光順是一個工程上的概念，主要包括光滑與順眼兩個含義，它帶有一定的主觀色彩，并由設計工程師根據(jù)自身的經(jīng)驗作出

5、判斷。概括起來，包括以下幾個內(nèi)容：曲線、曲面具有二階幾何連續(xù)性，即光滑性；沒有多余的拐點；曲率變化較均勻；符合設計師的主觀感覺要求。CATIA軟件Class-A曲面造型功能介紹曲面生成功能3.1.1簡單曲面生成功能該功能可以利用兩個點生成平面片，選取的兩個點作為生成平面片的角點；也可以利用四個點生成簡單曲面片，這些曲面u、v方向可賦予相應的階值，它是曲面修改變形的基礎。3.1.2填充曲面該功能用于填充幾何元素之間的空隙區(qū)域，其要求是參與填充的幾個元素相互間只能有一個公共點。這些元素可以是曲線或曲面。用該功能可以填充以下類型的空隙區(qū)域：由曲面構(gòu)成的區(qū)域（見圖1所示）。由曲線構(gòu)成的區(qū)域（風圖2所示

6、）。兩相交面構(gòu)成的區(qū)域（見圖3所示）。圖1.三邊域填充圖2.多邊域填充圖3.開放域填充3.1.3網(wǎng)格面該功能是一種基于曲線構(gòu)造曲面的方法，它是由一組輪廓線和一組引導曲線插值所產(chǎn)生的曲面。3.1.4掃描面該功能是一種基于曲線構(gòu)造曲面的方法，它是由輪廓線沿引導曲線按一定的規(guī)律運動、變化所生成的曲面。3.1.5橋接曲面該功能用于在兩個已知曲面間生成滿足給定幾何連續(xù)條件的過渡曲面。橋接曲面與原始曲面之間有如下幾種幾何連續(xù)條件。點連續(xù)：橋接曲面以兩個已知曲面上的曲線為邊界曲線來生成直紋面。切矢連續(xù)：橋接曲面以已知曲面上的曲線為邊界曲線，并與已知曲面相切來生成曲面。曲率連續(xù)：橋接曲面以已知曲面上的曲線為邊

7、界曲線，并與已知曲面曲率連續(xù)來生成曲面。3.1.6倒圓曲面在兩個曲面之間生成給定連接條件的圓滑曲面。連接條件包括切矢連續(xù)和曲率連續(xù)。3.2曲面修改功能3.2.1使用控制點編輯曲面這是一個功能非常強大的曲線、曲面編輯工具。根據(jù)曲線、曲面理論，任意曲線、曲面均可以采用特征多邊形或特征網(wǎng)格來表示，修改特征控制點的位置可以引起曲線、曲面形狀的變化。該工具提供了豐富的編輯控制點的方法，采用該工具可以完成如下編輯任務。編輯曲線、曲面的形狀；光順曲線、曲面的形狀編輯曲面的邊界曲線。該功能由下列幾個部分組成：控制點的移動方式控制點有如下幾種移動方式在平面內(nèi)移動，控制點在與羅盤平面平行的平面內(nèi)進行

8、移動。沿某一方向移動，控制點在指定的方向進行移動。沿網(wǎng)絡線方向移動，控制點在網(wǎng)格線方向進行移動。沿局部的切矢方向移動，控制點沿切矢方向進行移動。沿局部的法矢方向移動，控制點沿曲面的法矢方向進行移動。所選控制點的變化規(guī)律控制點的變化規(guī)律有如下幾種方式平行移動，所選控制點一起平行移動。線性移動，所選控制點線性移動。凹型規(guī)則移動，所選控制點按凹型規(guī)則移動。凸型規(guī)則移動，所選控制點按凸型規(guī)則移動。S型規(guī)則移動，所選控制點按S型規(guī)則進行移動。對稱編輯功能在曲面編輯修改中，我們可以定義一個對稱平面，使編輯的曲面具有對稱性，這在汽車車身外形設計上是非常有用的。網(wǎng)格優(yōu)

9、化在曲面編輯修改中，經(jīng)常會使曲面的網(wǎng)格變得很混亂，這樣會使曲面產(chǎn)生扭曲變形。CATIA的曲面編輯功能提供了網(wǎng)格優(yōu)化功能，這樣就確保生成的曲面具有良好的內(nèi)在質(zhì)量。曲線、曲面光順在CATIA的曲面編輯功能中，提供了曲線、曲面的光順處理功能，可以對整個曲線、曲面進行光順處理，也可以對曲線或曲面的局部進行光順處理，這樣就為曲線、曲面的光順提供了方便的手段。把控制點投影到平面上CATIA的曲面編輯功能提供了把網(wǎng)格控制點投影到定義的平面上的功能，這一功能在汽車外覆蓋件的Class-A曲面造型中是非常有用的。為了使曲面間有良好的幾何連續(xù)性，最好的方法是先把曲面定義成矩形形狀，然后

10、把曲面的所有u、v方向網(wǎng)格線分別投影到不同平面上，使構(gòu)成曲面的所有網(wǎng)格曲線具有均勻、整齊的分布。這樣處理的優(yōu)點是：避免曲面內(nèi)部產(chǎn)生扭曲變形；曲面匹配處理后，匹配曲面間會產(chǎn)生很合理的曲面網(wǎng)格分布，確保造型質(zhì)量；如在通過控制點投影到平面上的優(yōu)化處理后的兩個曲面之間，創(chuàng)建橋接曲面，這樣能確保待生成的橋接曲面具有整潔的曲面網(wǎng)格分布。3.2.2曲面匹配該功能用于將一個曲面的一個邊界匹配到另一個參考曲面的指定邊界上，使這兩個曲面在匹配邊界上滿足一定的連續(xù)條件（點連續(xù)，切矢連續(xù)，曲率連續(xù)）。曲面匹配是Class-A曲面創(chuàng)建過程中非常關(guān)鍵的步驟。因為汽車外表面件（如發(fā)動機罩外板）是由許多塊曲面構(gòu)成的，在各塊曲

11、面生成后，必須把相互連接的曲面，進行曲面匹配處理，以生成造型所需的曲面。如兩曲面間要達到曲率連續(xù)，則就需要曲面間進行曲面曲率連續(xù)匹配處理。為了使曲面匹配達到較為理想的狀態(tài)，必須對待匹配的曲面進行變階數(shù)和網(wǎng)格優(yōu)化處理。如在兩曲面連接線的垂直方向，把它們的階數(shù)定義為相同，而且在這個方向上兩曲面的特征曲格線最好分布在同一平面上，這樣就會使匹配后的曲面，不會產(chǎn)生扭曲變形，并具有整潔的曲面網(wǎng)格。3.2.3擬合到幾何體該功能可以把一條曲線或一個曲面按指定的條件擬合到點云數(shù)據(jù)上，我們可以指定曲線或曲面的階數(shù)，以及指定曲線、曲面的張量系數(shù)和光順系數(shù)，來擬合曲線和曲面。3.2.4曲面整體變形該功能可以對一組曲面

12、進行整體處理，并保持被變形曲面間的相互邏輯幾何連接性關(guān)系，它是一個功能很強的曲面編輯功能，經(jīng)常用于多個曲面的整體變形處理，并保持原有曲面的連接性關(guān)系。3.2.5曲面延伸處理該功能用于改變曲線或曲面的長度或大小。曲線或曲面的延伸可以是按切矢或曲率延伸處理，以滿足設計要求。3.3幾何操作功能3.3.1修剪幾何體該功能用于修剪曲線或曲面，它提供了兩種修剪方式。一種是修剪后的曲線或曲面可以被恢復，它只是重新限制了曲線或曲面的范圍。另一種是修剪后的曲線或曲面不可以恢復，它是對曲線、曲面重新進行參數(shù)化處理。3.3.2恢復被修剪幾何體該功能用于恢復被修剪幾何體的原始狀態(tài)。3.3.3連接幾何體該功能用于把多條

13、曲線或多個曲面連接成一條曲線或一個曲面。3.4幾何分析功能我們可以利用CATIA的分析功能完成所有幾何元素的各種分析和檢查工作，以確保所生成的曲線或曲面滿足設計者的要求。3.4.1環(huán)境映像分析（EnvironmentMapping）該功能是通過樣本環(huán)境圖像投影到曲面上而得到的映像來分析曲面質(zhì)量的一種分析方法。3.4.2曲面斑馬線分析檢查（IsophotesAnalysis）斑馬線檢查是指在被檢查的曲面上生成黑白相間的條紋線來檢查曲面質(zhì)量的方法，它是一種檢查曲面質(zhì)量的最常見的方法之一。如在被檢查的曲面上生成分布均勻的斑馬線，則表明被檢查的曲面是光順的高品質(zhì)曲面；如在被檢查曲面上所生成的斑馬線出現(xiàn)

14、了旋渦，則表明被檢查曲面在旋渦處，曲率變化不均勻或出現(xiàn)了拐點。如在兩曲面相接處，斑馬線分布均勻、合理，則表示兩曲面在相接處，曲面具有良好的連續(xù)性，滿足了曲面曲率均勻變化的要求；如在兩曲面相接處，斑馬線出現(xiàn)折線，則表示被檢查的兩曲面在相接處，曲率變化較大，不能滿足曲面光順性要求。3.4.3曲面斷面線分析該工具分析曲面品質(zhì)的方法是用一組平面去切割要分析的曲面，分析這組平面與曲面的交線，即斷面線的質(zhì)量，來判斷曲面的質(zhì)量。該方法也是一種常見的曲面質(zhì)量評價方法。為了較為準確地判斷曲面的質(zhì)量，我們可以合理地定義兩相鄰平面之間的間距，生成一組能反映被檢查曲面特征的斷面線，同時也可以把斷面線的曲率分布圖打開，

15、以便詳細地觀察曲面在各個斷面上的曲率分布情況，準確地判斷曲面各處的曲率分布狀況。3.4.4幾何連續(xù)性分析該工具用于分析兩曲面間的幾何連接性關(guān)系，可以分析兩曲面在連接處的點連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)等幾何連續(xù)性的狀況。這種方法是用于判斷兩曲面在相接處的幾何連續(xù)性的主要方法。3.4.5曲面反射性分析該工具是將給定數(shù)量和位置的氖燈光照射到被檢查的曲面上，用戶從一定的位置去觀察曲面對燈光的反射效果，來分析曲面的質(zhì)量。Class-A曲面的技術(shù)要求和生成方法4.1Class-A曲面的技術(shù)要求Class-A曲面的具體技術(shù)要求是：Class-A曲面必須是光順曲面；Class-A曲面的特征網(wǎng)格線必須均勻合理地分布

16、，最好在某一投影面上以矩形方式分布；Class-A曲面的特征網(wǎng)格節(jié)點上表示曲面曲率方向的箭頭最好指向一致；兩相鄰曲面在與兩曲面相接線的垂直方向，兩曲面的階數(shù)最好一致，這樣在曲面匹配處理后，不會產(chǎn)生不必要的曲面扭曲變形。4.2Class-A曲面的生成方法Class-A曲面的生成步驟是：先用一個階數(shù)較小的曲面進行擬合，一般是4x4階曲面，這樣就能較容易地調(diào)整出一個較為近似的曲面。該曲面的基本特征是擬合精度不是太高，但曲面光順性良好。如4x4階曲面不能很好地擬合點云數(shù)據(jù)，則采用提高曲面階數(shù)的方法，來提高曲面的擬合精度。但隨著曲面階數(shù)的增加，會給曲面的調(diào)整帶來許多困難和增加許多調(diào)整曲面的工作量。一般的

17、Class-A曲面的階數(shù)是6x6階，最多不超過8x8階。理由是6x6階的曲面一般能對曲面進行較好的擬合，可以滿足曲面擬合精度要求，而且也不會對曲面調(diào)整帶來許多困難與工作量。曲面精細調(diào)整時，有必要把曲面上所有的橫向、縱向網(wǎng)格線投影到不同平面上，以生成高質(zhì)量的曲面。單個曲面生成后，對相鄰曲面進行匹配處理，以生成曲率連續(xù)的曲面組。采用各種曲面質(zhì)量檢查工具，判斷曲面的生成質(zhì)量，以便做出相應的修改，來滿足車身外形設計的技術(shù)要求。對曲面進行修剪處理，以生成給定大小與范圍的曲面形狀與邊界。應用實例我們以某車型的發(fā)動機罩外板為例，來說明如何采用CATIAV5軟件的Class-A曲面造型功能進行車身外形Clas

18、s-A曲面的設計方法。5.1點云數(shù)據(jù)處理在利用點云數(shù)據(jù)進行Class-A曲面造型以前，必須對點云數(shù)據(jù)進行處理，以生成創(chuàng)建Class-A曲面所需的點云數(shù)據(jù)。5.1.1點云數(shù)據(jù)的輸入進行CATIAV5的點云處理模塊DSE（DigitalShapeEditor），選擇點云輸入(Importacloudpoint)圖標，顯示點云輸入對話框，在指定的目錄下選擇發(fā)動機罩外板的點云數(shù)據(jù)。5.1.2點云數(shù)據(jù)的過濾點云數(shù)據(jù)有如下兩種方法進行過濾：球過濾法為了對點云數(shù)據(jù)進行有效地過濾處理，可定義一個半徑為R的球，在球體范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點只保留一個數(shù)據(jù)點，其它數(shù)據(jù)點將被過濾掉。弦高過濾法弦高過濾法是指通過第一點和第三個

19、點作一條直線，如中間點與直線之間的垂直距離小于指定的弦高偏差值，則中間點被過濾掉，這是一種高效的自適應點過濾方法。5.1.3點云數(shù)據(jù)的刪除為Class-A曲面造型提供良好的點云數(shù)據(jù)，有必要刪除點云數(shù)據(jù)中的“壞點”。我們知道，由于被掃描零件的表面狀況，掃描時的電流、電壓穩(wěn)定性、周圍環(huán)境的振動等原因，經(jīng)常會在掃描數(shù)據(jù)點中出現(xiàn)跳點、跳行等不良數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點如不去除掉，勢必會影響后續(xù)造型的精度，因此有必要把這些壞點從點云文件中刪除。5.1.4點云數(shù)據(jù)的色彩渲染為了提高點云數(shù)據(jù)的可視性，以提高曲面造型的效率，我們往往把點云數(shù)據(jù)處理成彩色渲染的圖片，它是點云數(shù)據(jù)構(gòu)成的三角片圖像。5.1.5點云數(shù)據(jù)的剖

20、切點云數(shù)據(jù)的剖切是指利用平面去切割點云數(shù)據(jù)，生成一組剖面線的方法。點云數(shù)據(jù)的剖切有如下幾個作用：為后續(xù)造型準備所需的斷面形狀；為生成零件上的特征曲線提供基準；為檢查所生成的曲面與原點云數(shù)據(jù)之間的偏差分布規(guī)律提供基準。5.2曲面分塊與創(chuàng)建曲面分塊是車身外表面Class-A曲面造型的核心，也是能否創(chuàng)建出理想的Class-A曲面的關(guān)鍵所在，而創(chuàng)建高質(zhì)量的Class曲面也需要許多技巧與經(jīng)驗。5.2.1曲面分塊曲面分塊必須根據(jù)被造型零件的形狀特征、所選曲面的類型、曲面的階數(shù)等方面來綜合考慮。對發(fā)動機罩外板而言，具體的分塊方法是：發(fā)動機罩外板的中間主體曲面一般由兩塊6x6階的曲面來擬合，靠近擋風玻璃側(cè)的曲

21、面沿車身坐標系的X方向的長度較大；而靠近散熱器面罩側(cè)的另一塊曲面沿車身坐標系的X方向的長度較短，而這兩塊曲面在Y方向的長度一致。這樣處理的目的是：由于發(fā)動機罩外板頭部的形狀的變化較大，且曲率半徑較??；而尾部的形狀較為平坦，且曲率半徑較大，因此，用這樣兩塊曲面進行擬合，就能較好地解決曲面光順和擬合精度的問題。發(fā)動機罩外板兩側(cè)的兩塊曲面一般由兩塊6x4階的曲面來擬合，曲面在X軸方向為6階，且與發(fā)動機罩外板的中間主體曲面相一致，它們的邊界曲線具有相同的X值，曲面在Y軸方向為4階，因曲面在Y軸方向比較平坦，故4階曲面就能很好地擬合點云數(shù)據(jù)。發(fā)動機罩外板兩棱線處地曲面，可采用橋接曲面來擬合。5.2.2曲

22、面創(chuàng)建中間曲面的創(chuàng)建中間曲面的創(chuàng)建步驟如下：以點云數(shù)據(jù)的剖切斷面線為基準，利用四點生成簡單曲面片功能，生成一個簡單曲面，它是一個4x4階的簡單曲面。使用控制點編輯功能，選擇法向移動方式和凸型變化規(guī)律來調(diào)整，使曲面逼近點云數(shù)據(jù)，在移動控制點的過程中，可動態(tài)地計算點云數(shù)據(jù)與待生成曲面間的偏差值，并以圖像方式顯示出來，供設計者做出精度方面的判斷。當4x4階曲面大約逼近點云數(shù)據(jù)時，我們把曲面的階數(shù)升為6x6階，這樣就為曲面更逼近于點云數(shù)據(jù)提供了條件。當逼近精度基本上接近要求時，曲面進入精細調(diào)整階段。曲面的精細調(diào)整主要集中在曲面的特征網(wǎng)格的優(yōu)化上，如采用網(wǎng)格優(yōu)化功能，或把曲面的u、v向網(wǎng)格

23、線投影到給定的平面上等編輯處理方法，使曲面的特征網(wǎng)格得到優(yōu)化，從而提高了曲面的造型質(zhì)量。通過精細調(diào)整后的曲面具有如下特征：曲面的所有u、v向特征網(wǎng)格線分布在不同的平面上，特征網(wǎng)格節(jié)點上表示曲面曲率方向的箭頭指定一致。棱線處曲面的創(chuàng)建發(fā)動機罩外板兩側(cè)的曲面生成方法與中間曲面的生成方法類同，這里不再討論。下面將討論發(fā)動機罩外板棱線處曲面的生成方法。根據(jù)點云數(shù)據(jù)，生成決定棱線曲面的兩條邊界曲線，這兩條邊界曲線必須具有保凸性和曲線光順性，而且這兩條曲線的階數(shù)控制在8階以內(nèi)。把這兩條曲線分別投影到中間曲面或兩側(cè)曲面上，然后利用曲面修剪功能，對中間曲面和兩側(cè)曲面進行修剪處理，以生成所需的修剪曲面。利用橋接曲