class_a曲面在汽车车身外形设计上的应用-3

Class-A 曲面在汽车车身外形设计上的应用迅利科技有限公司 卢金火、张慧波、刘文龙AbstractThis paper introduces related concepts of Class-A surface modeling and the Class-A surface modeling methods provided in CATIA software. and the technical requirements and creation methods of Class-A surface are discussed. In the end, take the surface modeling of engine cover outer panel as an example to present a practical modeling methods of the Class-A surface.摘要本文介绍了与 Class-A 曲面建模有关的概念和 CATIA V5 软件 Class-A 曲面造型功能的使用方法，还论述了 Class-A 曲面的技术要求与生成方法，最后以某车型的发动机罩外板为例，提出了 Class-A 曲面的实际造型方法。Topic words: Auto-body, Shape design, Class-A surface, smooth关键词：车身，外形设计，Class-A 曲面，光顺1. 前言目前，我国的汽车工业，特别是轿车工业正以前所未有的速度发展。各汽车公司为了迅速地占领汽车市场，获得更大的市场份额，纷纷推出款式新颖、性能良好、价格适中、乘坐舒适的汽车产品，以满足广大汽车用户的需求。车身是汽车产品的外衣，它不仅影响汽车造型的外观质量，而且也影响汽车的乘坐舒适性和空气动力性等。一个外观质量良好的汽车产品，会给人一种赏心悦目的感受，会激发人们的购买欲。因此，汽车车身外形设计一直是各汽车公司产品开发的重点工程。本文将介绍采用 CATIA V5 Class-A 曲面功能进行汽车车身外表面设计的方法。2. 与 Class-A 曲面建模有关的概念在具体采用 Class-A 曲面功能进行汽车外形设计以前，有必要介绍与此相关的概念。2.1 曲面片曲面片是构造曲面的基本单元，它是由两个参数 u、v 来表示的。对曲面片而言，曲面的 u 向参数值从 0 到 1，v 向参数值也从 0 到 1。2.2 曲面的阶数曲面由两个参数 u、v 来表示，在曲面的两个方向上可以赋予不同的阶数，曲面 u 方向的阶数等于该曲面在 u 方向的控制点数，而曲面 v 方向的阶数等于曲面在 v 方向的控制点数。2.3 曲面的几何连续性曲面的几何连续性是指两曲面在边界处两曲面间的几何连续性。连续性包括点连续、切矢连续、曲率连续。2.4 光顺性光顺是一个工程上的概念，主要包括光滑与顺眼两个含义，它带有一定的主观色彩，并由设计工程师根据自身的经验作出判断。概括起来，包括以下几个内容：曲线、曲面具有二阶几何连续性，即光滑性；没有多余的拐点；曲率变化较均匀；符合设计师的主观感觉要求。3. CATIA 软件 Class-A 曲面造型功能介绍 3.1 曲面生成功能 3.1.1 简单曲面生成功能该功能可以利用两个点生成平面片，选取的两个点作为生成平面片的角点；也可以利用四个点生成简单曲面片，这些曲面 u、v 方向可赋予相应的阶值，它是曲面修改变形的基础。3.1.2 填充曲面该功能用于填充几何元素之间的空隙区域，其要求是参与填充的几个元素相互间只能有一个公共点。这些元素可以是曲线或曲面。用该功能可以填充以下类型的空隙区域：1) 由曲面构成的区域（见图 1 所示） 。2) 由曲线构成的区域（风图 2 所示） 。3) 两相交面构成的区域（见图 3 所示） 。图 1.三边域填充 图 2. 多边域填充 图 3. 开放域填充3.1.3 网格面该功能是一种基于曲线构造曲面的方法，它是由一组轮廓线和一组引导曲线插值所产生的曲面。3.1.4 扫描面该功能是一种基于曲线构造曲面的方法，它是由轮廓线沿引导曲线按一定的规律运动、变化所生成的曲面。3.1.5 桥接曲面该功能用于在两个已知曲面间生成满足给定几何连续条件的过渡曲面。桥接曲面与原始曲面之间有如下几种几何连续条件。1) 点连续：桥接曲面以两个已知曲面上的曲线为边界曲线来生成直纹面。2) 切矢连续：桥接曲面以已知曲面上的曲线为边界曲线，并与已知曲面相切来生成曲面。3) 曲率连续：桥接曲面以已知曲面上的曲线为边界曲线，并与已知曲面曲率连续来生成曲面。3.1.6 倒圆曲面在两个曲面之间生成给定连接条件的圆滑曲面。连接条件包括切矢连续和曲率连续。3.2 曲面修改功能 3.2.1 使用控制点编辑曲面这是一个功能非常强大的曲线、曲面编辑工具。根据曲线、曲面理论，任意曲线、曲面均可以采用特征多边形或特征网格来表示，修改特征控制点的位置可以引起曲线、曲面形状的变化。该工具提供了丰富的编辑控制点的方法，采用该工具可以完成如下编辑任务。1) 编辑曲线、曲面的形状；2) 光顺曲线、曲面的形状3) 编辑曲面的边界曲线。该功能由下列几个部分组成：3.2.1.1 控制点的移动方式控制点有如下几种移动方式1) 在平面内移动，控制点在与罗盘平面平行的平面内进行移动。2) 沿某一方向移动，控制点在指定的方向进行移动 。3) 沿网络线方向移动，控制点在网格线方向进行移动 。4) 沿局部的切矢方向移动，控制点沿切矢方向进行移动 。5) 沿局部的法矢方向移动，控制点沿曲面的法矢方向进行移动 。3.2.1.2 所选控制点的变化规律控制点的变化规律有如下几种方式1) 平行移动，所选控制点一起平行移动 。2) 线性移动，所选控制点线性移动 。3) 凹型规则移动，所选控制点按凹型规则移动。4) 凸型规则移动，所选控制点按凸型规则移动。5) S 型规则移动，所选控制点按 S 型规则进行移动。3.2.1.3 对称编辑功能在曲面编辑修改中，我们可以定义一个对称平面，使编辑的曲面具有对称性，这在汽车车身外形设计上是非常有用的。3.2.1.4 网格优化在曲面编辑修改中，经常会使曲面的网格变得很混乱，这样会使曲面产生扭曲变形。CATIA 的曲面编辑功能提供了网格优化功能，这样就确保生成的曲面具有良好的内在质量。3.2.1.5 曲线、曲面光顺在 CATIA 的曲面编辑功能中，提供了曲线、曲面的光顺处理功能，可以对整个曲线、曲面进行光顺处理，也可以对曲线或曲面的局部进行光顺处理，这样就为曲线、曲面的光顺提供了方便的手段。3.2.1.6 把控制点投影到平面上CATIA 的曲面编辑功能提供了把网格控制点投影到定义的平面上的功能，这一功能在汽车外覆盖件的 Class-A 曲面造型中是非常有用的。为了使曲面间有良好的几何连续性，最好的方法是先把曲面定义成矩形形状，然后把曲面的所有 u、v 方向网格线分别投影到不同平面上，使构成曲面的所有网格曲线具有均匀、整齐的分布。这样处理的优点是：避免曲面内部产生扭曲变形；曲面匹配处理后，匹配曲面间会产生很合理的曲面网格分布，确保造型质量；如在通过控制点投影到平面上的优化处理后的两个曲面之间，创建桥接曲面，这样能确保待生成的桥接曲面具有整洁的曲面网格分布。3.2.2 曲面匹配该功能用于将一个曲面的一个边界匹配到另一个参考曲面的指定边界上，使这两个曲面在匹配边界上满足一定的连续条件（点连续，切矢连续，曲率连续） 。曲面匹配是 Class-A 曲面创建过程中非常关键的步骤。因为汽车外表面件（如发动机罩外板）是由许多块曲面构成的，在各块曲面生成后，必须把相互连接的曲面，进行曲面匹配处理，以生成造型所需的曲面。如两曲面间要达到曲率连续，则就需要曲面间进行曲面曲率连续匹配处理。为了使曲面匹配达到较为理想的状态，必须对待匹配的曲面进行变阶数和网格优化处理。如在两曲面连接线的垂直方向，把它们的阶数定义为相同，而且在这个方向上两曲面的特征曲格线最好分布在同一平面上，这样就会使匹配后的曲面，不会产生扭曲变形，并具有整洁的曲面网格。3.2.3 拟合到几何体该功能可以把一条曲线或一个曲面按指定的条件拟合到点云数据上，我们可以指定曲线或曲面的阶数，以及指定曲线、曲面的张量系数和光顺系数，来拟合曲线和曲面。3.2.4 曲面整体变形该功能可以对一组曲面进行整体处理，并保持被变形曲面间的相互逻辑几何连接性关系，它是一个功能很强的曲面编辑功能，经常用于多个曲面的整体变形处理，并保持原有曲面的连接性关系。3.2.5 曲面延伸处理该功能用于改变曲线或曲面的长度或大小。曲线或曲面的延伸可以是按切矢或曲率延伸处理，以满足设计要求。3.3 几何操作功能3.3.1 修剪几何体该功能用于修剪曲线或曲面，它提供了两种修剪方式。一种是修剪后的曲线或曲面可以被恢复，它只是重新限制了曲线或曲面的范围。另一种是修剪后的曲线或曲面不可以恢复，它是对曲线、曲面重新进行参数化处理。3.3.2 恢复被修剪几何体该功能用于恢复被修剪几何体的原始状态。3.3.3 连接几何体该功能用于把多条曲线或多个曲面连接成一条曲线或一个曲面。3.4 几何分析功能我们可以利用 CATIA 的分析功能完成所有几何元素的各种分析和检查工作，以确保所生成的曲线或曲面满足设计者的要求。3.4.1 环境映像分析（Environment Mapping）该功能是通过样本环境图像投影到曲面上而得到的映像来分析曲面质量的一种分析方法。3.4.2 曲面斑马线分析检查（Isophotes Analysis）斑马线检查是指在被检查的曲面上生成黑白相间的条纹线来检查曲面质量的方法，它是一种检查曲面质量的最常见的方法之一。如在被检查的曲面上生成分布均匀的斑马线，则表明被检查的曲面是光顺的高品质曲面；如在被检查曲面上所生成的斑马线出现了旋涡，则表明被检查曲面在旋涡处，曲率变化不均匀或出现了拐点。如在两曲面相接处，斑马线分布均匀、合理，则表示两曲面在相接处，曲面具有良好的连续性，满足了曲面曲率均匀变化的要求；如在两曲面相接处，斑马线出现折线，则表示被检查的两曲面在相接处，曲率变化较大，不能满足曲面光顺性要求。3.4.3 曲面断面线分析该工具分析曲面品质的方法是用一组平面去切割要分析的曲面，分析这组平面与曲面的交线，即断面线的质量，来判断曲面的质量。该方法也是一种常见的曲面质量评价方法。为了较为准确地判断曲面的质量，我们可以合理地定义两相邻平面之间的间距，生成一组能反映被检查曲面特征的断面线，同时也可以把断面线的曲率分布图打开，以便详细地观察曲面在各个断面上的曲率分布情况，准确地判断曲面各处的曲率分布状况。3.4.4 几何连续性分析该工具用于分析两曲面间的几何连接性关系，可以分析两曲面在连接处的点连续、切矢连续、曲率连续等几何连续性的状况。这种方法是用于判断两曲面在相接处的几何连续性的主要方法。3.4.5 曲面反射性分析该工具是将给定数量和位置的氖灯光照射到被检查的曲面上，用户从一定的位置去观察曲面对灯光的反射效果，来分析曲面的质量。4. Class-A 曲面的技术要求和生成方法4.1 Class-A 曲面的技术要求Class-A 曲面的具体技术要求是：1) Class-A 曲面必须是光顺曲面；2) Class-A 曲面的特征网格线必须均匀合理地分布，最好在某一投影面上以矩形方式分布；3) Class-A 曲面的特征网格节点上表示曲面曲率方向的箭头最好指向一致；4) 两相邻曲面在与两曲面相接线的垂直方向，两曲面的阶数最好一致，这样在曲面匹配处理后，不会产生不必要的曲面扭曲变形。4.2 Class-A 曲面的生成方法Class-A 曲面的生成步骤是：1) 先用一个阶数较小的曲面进行拟合，一般是 4x4 阶曲面，这样就能较容易地调整出一个较为近似的曲面。该曲面的基本特征是拟合精度不是太高，但曲面光顺性良好。2) 如 4x4 阶曲面不能很好地拟合点云数据，则采用提高曲面阶数的方法，来提高曲面的拟合精度。但随着曲面阶数的增加，会给曲面的调整带来许多困难和增加许多调整曲面的工作量。一般的 Class-A 曲面的阶数是 6x6 阶，最多不超过 8x8 阶。理由是 6x6 阶的曲面一般能对曲面进行较好的拟合，可以满足曲面拟合精度要求，而且也不会对曲面调整带来许多困难与工作量。3) 曲面精细调整时，有必要把曲面上所有的横向、纵向网格线投影到不同平面上，以生成高质量的曲面。4) 单个曲面生成后，对相邻曲面进行匹配处理，以生成曲率连续的曲面组。5) 采用各种曲面质量检查工具，判断曲面的生成质量，以便做出相应的修改，来满足车身外形设计的技术要求。6) 对曲面进行修剪处理，以生成给定大小与范围的曲面形状与边界。5. 应用实例我们以某车型的发动机罩外板为例，来说明如何采用 CATIA V5 软件的 Class-A 曲面造型功能进行车身外形 Class-A 曲面的设计方法。5.1 点云数据处理在利用点云数据进行 Class-A 曲面造型以前，必须对点云数据进行处理，以生成创建Class-A 曲面所需的点云数据。5.1.1 点云数据的输入进行 CATIA V5 的点云处理模块 DSE（Digital Shape Editor） ，选择点云输入(Import a cloud point)图标，显示点云输入对话框，在指定的目录下选择发动机罩外板的点云数据。5.1.2 点云数据的过滤点云数据有如下两种方法进行过滤：1) 球过滤法为了对点云数据进行有效地过滤处理，可定义一个半径为 R 的球，在球体范围内的数据点只保留一个数据点，其它数据点将被过滤掉。2) 弦高过滤法弦高过滤法是指通过第一点和第三个点作一条直线，如中间点与直线之间的垂直距离小于指定的弦高偏差值，则中间点被过滤掉，这是一种高效的自适应点过滤方法。5.1.3 点云数据的删除为 Class-A 曲面造型提供良好的点云数据，有必要删除点云数据中的“坏点” 。我们知道，由于被扫描零件的表面状况，扫描时的电流、电压稳定性、周围环境的振动等原因，经常会在扫描数据点中出现跳点、跳行等不良数据点，这些数据点如不去除掉，势必会影响后续造型的精度，因此有必要把这些坏点从点云文件中删除。5.1.4 点云数据的色彩渲染为了提高点云数据的可视性，以提高曲面造型的效率，我们往往把点云数据处理成彩色渲染的图片，它是点云数据构成的三角片图像。5.1.5 点云数据的剖切点云数据的剖切是指利用平面去切割点云数据，生成一组剖面线的方法。点云数据的剖切有如下几个作用：为后续造型准备所需的断面形状；为生成零件上的特征曲线提供基准；为检查所生成的曲面与原点云数据之间的偏差分布规律提供基准。5.2 曲面分块与创建曲面分块是车身外表面 Class-A 曲面造型的核心，也是能否创建出理想的 Class-A 曲面的关键所在，而创建高质量的 Class 曲面也需要许多技巧与经验。5.2.1 曲面分块曲面分块必须根据被造型零件的形状特征、所选曲面的类型、曲面的阶数等方面来综合考虑。对发动机罩外板而言，具体的分块方法是：发动机罩外板的中间主体曲面一般由两块 6x6 阶的曲面来拟合，靠近挡风玻璃侧的曲面沿车身坐标系的 X 方向的长度较大；而靠近散热器面罩侧的另一块曲面沿车身坐标系的 X 方向的长度较短，而这两块曲面在 Y 方向的长度一致。这样处理的目的是：由于发动机罩外板头部的形状的变化较大，且曲率半径较小；而尾部的形状较为平坦，且曲率半径较大，因此，用这样两块曲面进行拟合，就能较好地解决曲面光顺和拟合精度的问题。发动机罩外板两侧的两块曲面一般由两块 6x4阶的曲面来拟合，曲面在 X 轴方向为 6 阶，且与发动机罩外板的中间主体曲面相一致，它们的边界曲线具有相同的 X 值，曲面在 Y 轴方向为 4 阶，因曲面在 Y 轴方向比较平坦，故 4 阶曲面就能很好地拟合点云数据。发动机罩外板两棱线处地曲面，可采用桥接曲面来拟合。5.2.2 曲面创建5.2.2.1 中间曲面的创建中间曲面的创建步骤如下：1) 以点云数据的剖切断面线为基准，利用四点生成简单曲面片功能，生成一个简单曲面，它是一个 4x4 阶的简单曲面。2) 使用控制点编辑功能，选择法向移动方式和凸型变化规律来调整，使曲面逼近点云数据，在移动控制点的过程中，可动态地计算点云数据与待生成曲面间的偏差值，并以图像方式显示出来，供设计者做出精度方面的判断。3) 当 4x4 阶曲面大约逼近点云数据时，我们把曲面的阶数升为 6x6 阶，这样就为曲面更逼近于点云数据提供了条件。当逼近精度基本上接近要求时，曲面进入精细调整阶段。4) 曲面的精细调整主要集中在曲面的特征网格的优化上，如采用网格优化功能，或把曲面的 u、v 向网格线投影到给定的平面上等编辑处理方法，使曲面的特征网格得到优化，从而提高了曲面的造型质量。通过精细调整后的曲面具有如下特征：曲面的所有 u、v 向特征网格线分布在不同的平面上，特征网格节点上表示曲面曲率方向的箭头指定一致。5.2.2.2 棱线处曲面的创建发动机罩外板两侧的曲面生成方法与中间曲面的生成方法类同，这里不再讨论。下面将讨论发动机罩外板棱线处曲面的生成方法。1) 根据点云数据，生成决定棱线曲面的两条边界曲线，这两条边界曲线必须具有保凸性和曲线光顺性，而且这两条曲线的阶数控制在 8 阶以内。2) 把这两条曲线分别投影到中间曲面或两侧曲面上，然后利用曲面修剪功能，对中间曲面和两侧曲面进行修剪处理，以生成所需的修剪曲面。3) 利用桥接曲