（光学工程专业论文）基于ug轻型货车车身造型元素参数化设计.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 参数化是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心技术之一。在新产品的开发制 造与实际设计过程中，产品结构基本拓扑形式在大部分的情况下不会有太大的改变， 用参数化造型技术可以很快开发出系列新产品。对于不同车型的车身而言，尽管有各 种各样的区别，但都是在一定形状的基础上，对结构局部和零件局部进行修改，其整 车车身基本上是类似的。基于这种情况，汽车车身的参数化设计就有很大的实用性和 必要性。一方面可以大大减少建立各种车型装配模型的工作量：另一方面可以方便、 快捷地在已有车身的基础上作出修改，得到新车身。缩短新车型的开发周期，提高产 品的市场竞争力。 论文以北汽福田轻型货车车身模型为例，在深入学习车身外型曲线曲面数学模型 基础上，确定了车身及造型元素参数化的基本思路，以点的参数化来实现b 样条曲线 的参数化，再以参数化的曲线来驱动参数化的曲面，并以曲面的变化来带动整个模型 的变化，得到整个参数化的车身。并在整车参数化的基础上，完成相关造型元素的参 数化设计。 最后运用u g 的二次开发功能以及v c + + 6 0 的相关技术，开发可视化的参数化模 块，实现车身及各造型元素等的参数化修改。 关键词：汽车车身，造型元素，参数化，u g ，二次开发 a b s t r a c t t h ep a r a m e t r i z a t i o ni so n eo ft h en e wg e n e r a t i o ni n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，i n t e g r a t e dc a d s y s t e mc o r et e c t m o l o 百e s i nt h en e wp r o d u c td e v e l o p p i n ga n dd e s i g n n i n gp r o c e s s ，t h e p r o d u c ts t r u c t u r eb a s i ca n a l y s i ss i m sf o r mw i l ln o th a v eb i gc h a n g ei nm a j o r i t y n e wp r o d u c t s m a yq u i c k l yd e v e l o p p e dw i t ht h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gt e c h n o l o g y t h o u g hd i f f e r e n tv e h i c l e b o d y sa r ev a r i o u sd i f f e r e n t ，a l lb a s ei nt h ec e r t a i ns h a p ef o u n d a t i o n b a s e do nt h i s ，t h eb o d v p a r a m e t r i cd e s i g nh a st h ev e r yb i gu s a b i l i t ya n dn e c e s s i t y ，f i r s ti tm a yr e d u c eg r e a t l yw o r ko f a s s e m b l ym o d e l ；s e c o n di tm a yc o n v e n i e n tg e tt h en e wb o d yb ys i m p l ec h a n g e t h i sh a st h e v i t a ls i g n i f i c a n c eo nr e d u c i n gn o wv e h i c l et y p ed e v e l o p m e n tc y c l ea n d e n h a n c i n gt h ep r o d u c t m a r k e tc o m p e t i t i v e b a s e do nd e e p l ys t u d y i n gbs p l i n ec u r v ea n dt h ep a r a m e t r i cf u n c t i o no fu g ，w ed e c i d e t h ef u n d a m e n t a lt h o u g h to fr e a l i z i n g b o d yp a r a m e t e r i z a t i o n t h a ti s ，w eu s ep o i n t s p a r a m e t e r i z a t i o nt or e a l i z ebs p l i n ec u r v e s p a r a m e t e r i z a t i o n ，t h e nh s ep a r a m e l r i cc u r v e st o d r i v ep a r m l l e l r i es u r f a c e , a n dm a k et h ew h o l em o d e lc h a n g eb ys u r f a c e sc h a n g e f i n a l l y ，w ed e v e l o pv i s u a lm o d u l ew i t hp a r a n l e t r i cf u n c t i o nb yu s i n gt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n tf u n c t i o no f u ga n dr e l a t i v et e c h n i q u eo f v ( 1 斗+ 6 0 k e yw o r d s ：v e h i c l e b o d y ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，m o d e l i n g u n i t ，u g ，f u r t h e r d e v e l o p m e n t i i 山东理工夫学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 研究生签名协似习l 1 帆p 1 年b 月泸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 髋雌氢锄弋别稚铄淋彳帅帅w 山东理工人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 汽车工业代表着一个国家制造、i k 发展的水平。世界经济大国的经济发展无一不与汽 车工业有着极为密切的关系。当今国内汽车t 业在引进、消化、吸收国外先进技术进行 创新设计时，如何快速、高效、准确的构造出汽车外形的主模型是现代设计方法的关键。 随着汽车产量的大幅度提升和保有量的相对固定，导致竞争加剧，使得每辆汽车的利润 大幅度下滑。如何在提高质量的前提下，在产品开发的每一个环节上降低成本，成为汽 车制造商孜孜以求的目标。而竞争的加剧，则更要求汽车制造商要更快地将高质量的新 车型推向市场。 然而，传统的设计及基本的计算机辅助绘图并不能满足快速创新设计和快速定制设 计的新要求。尤其是汽车产品，那些相关标准的零部件产品比较易于实现标准化、系列 化，但涉及具有复杂曲线曲面的汽车车身却非常困难。对于汽车而言，一个车型的改变， 往往在很大程度上就是车身的改变。车身作为汽车的四大总成之一，其开发设计的费用及 时间占据了整车开发费用和时间的约7 0 ，并在很大程度上决定了新车型的开发周期。因 此快速开发出新车型并缩短新车的上市周期，对于提高企业的竞争力具有重要意义。 作为汽车产品开发中的重要环节，汽车车身的设计在全新车型开发中的造型设计需 经过绘制产品构思图、绘制总布置设计图、绘制效果图、制作1 ：1 油泥模型、三维坐标 测量、建立数学模型等多个工序，工作量大，用时多，在整车开发过程中占有很大的比 例“1 。而在汽车改进型设计时，如果仍然按照上述方法进行造型设计，势必重复大量不必 要的工作，针对改进型设计的特点，如何提高汽车造型设计阶段的效率，寻找一种快速 设计的方法，是业内人士研究的课题。目前，各大汽车公司在车身的研究和开发领域作 了很多的努力，并且都采用了先进的c a d c a e c a m 等技术，如p r o e ，u g ，c a t i a ， m s c p a t r a n ，a n s y s 等先进的c a d 建模以及有限元分析软件，以谋求快速地开发外型美观、 款式新颖的汽车车身产品”1 。 本文基于u g 的轻型货车车身造型元素的参数化设计即是以先进的c a d c a e c a m 软件u g 作为二次开发平台，并以汽车车身设计理论和曲线曲面生成的几何造型理论为基 础，研究探索出一种计算机上的汽车车身自动设计和快速生成的参数化方法。 1 2 课题研究目的及意义 参数化造型设计对提高我国汽车工业的自行开发能力，缩短整车开发周期和增强最 1 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 终产品的竞争力有决定性的意义。 首先，有利于新产品的开发，减少产品开发工程师工作量，并在一定程度上降低企 业的丌发成本。三维几何造型技术的广泛应用，给产品开发带来了全新的模式。而与此同 时，大量的计算机建模工作，加大了工程人员的劳动强度，也在一定程度上束缚了他们的 创新能力。如果产品发生改型，重新对所有的产品零部件进行三维建模，不仅是企业现有 的人力资源浪费，也是企业现有产品资源的极大浪费。而运用参数化造型技术，通过更 改参数以得到不同系列和不同结构的产品的模型，避免了对原有产品模型重新进行三维 建模。这就使得企业能够在满足企业生产及产品开发能力的基础上，最大限度地减少设 计人员，从而降低了成本。 其次，能够方便、快捷地修改现有产品，得到新产品。在实际设计过程中，产品结构 基本拓扑形式在大部分的情况下不会有太大的改变，这样就可以运用参数化造型技术， 方便、快捷地开发出不同系列和不同结构的新产品。比如：不同车型的车身，尽管有各种 各样的区别，但都是在一定形状的基础上，对结构局部和零件局部进行修改，其整车车身 基本上是类似的，这就为汽车车身的参数化设计提供了可能。 再次，有利于缩短产品的开发周期。激烈市场竞争要求企业缩短产品的开发周期快 速向市场投放新的产品，以赢得竞争优势。同时消费者喜好的多样化，也要求企业新产 品的开发能够迅速及时，而这恰恰是参数化造型设计所能为企业带来的好处。运用参数 化造型技术，加快了新产品的开发，缩短了产品开发周期。 本论文参数化设计方法正是在这个背景下，利用目前最先进的c a d c a e c a m 等计算机 辅助技术，并以汽车车身设计理论和曲线曲面生成的几何造型理论为基础，研究和探讨计 算机上的汽车车身自动设计和快速生成的方法，为现代汽车设计提供一种最先进和最可 靠的手段，以缩短新车型的开发周期。这对于提高企业的竞争力具有重要意义。1 。 1 3 参数化技术介绍 1 3 1 参数化技术概述 参数化设计主要是通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相 关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、 尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模与修改、系列设计、多方案比较和动 态设计的有效手段，是提高三维模型设计效率的最好方法之一。“。 参数化是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心技术之一。在新产品的开发与制造 过程中，三维几何造型技术已得到广泛应用，但计算机建模的工作量很大，如果遇到要修 改结构的情况，对每个零件的c a d 造型需要从头开始进行，造成资源的极大浪费。为能解 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 决这个问题，产生了产品造型参数化技术，依据实际需要，对设计造型模型进行加工处理， 建立起可以通过更改参数以得到不同系列和不同结构的产品的模型，从而不必人工卟 个重新进行c a d 造型。在实际设计过程中，产品结构基本拓扑形式在大部分的情况下不会 有太人的改变，用参数化造型技术可以很快开发出系列新产品“”1 。 参数化设计是设计师普遍采用的设计思想和有效的方法，可以有效地提高设计的自 动化水平，很好地促进和支持新产品的创新设计和快速设计，并能综合地解决企业产品 知识在获取、存储、积累、管理和再利用等环节中存在的问题，必将成为三维参数化设 计技术发展的一个飞跃点。该技术经过扩展还可以实现由用户需求驱动，快速得到相似 产品参数化模型及其关键参数，基于关键参数设计出参数组，再对产品参数化模型进行 参数化驱动，即可以得到符合用户需求的新产品实例的所有设计资料，从而填补了产品 概念设计与详细设计之间存在的断层。在定单及大批量定制生产和要求创新的市场环境 下，该技术对于企业的生存、竞争和发展具有格外重要的意义”“”“。 1 3 2 参数化实现方法 参数化的实现方式可分为：基于尺寸标准的参数化，变量及变量关系的参数化，基 于几何驱动的参数化，混合参数化方法等。而从参数化技术的实施机理来看，可分为编 程参数化和人工交互参数化两大类型“”1 。 人工交互参数化又可分为变量几何法，人工智能法，基于辅助线的参数化方法，基 于构造过程的参数化方法，基于图形的参数化方法等。人工交互参数化化中的各种参数 化实现方法各有特点和不足。 参数化设计也可以可以通过编程的方式来实现。通过分析模型的特点，确定样板尺 寸之间的数字关系，给定输入参数，然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统 中加以实现，使三维模型实现完全驱动。如u g 中运用u g o p e l la p i 或u g o p e ng r i p 等 编程来实现参数化。当然，涉及用编程来实现模型的参数化，不可避免的需要进行大量 的工作，且开发效率低，常常具有一定适用范围。但就车身言，其曲线曲面较复杂，本 文采用编程与几何尺寸驱动相结合的方法，为进步的设计与研究打下基础。 1 3 3 主要的参数化三维c a d 系统 自从p r r c 公司于1 9 8 8 年推出参数化造型系统p r o e n g i n e e r 以来，各大c a d c a m 公 司纷纷推出自己的参数化造型模块，他们分别采用不同的技术，各有所长，展开了激烈 的竞争。目前，比较著名的三维c a d 软件有：p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p 公司的 p r o e n g i n e e r ，s d r c 公司的i d e a s m a s t e rs e r i e s ，法国d a s s a u l ts y s t e m 公司的c a t i a ， u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的s o l i de d g e ，以及s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 等。 3 山东理工大学硕士学位论文 第一章结论 所有这些软件都提供了零件模型的参数化能力，基本都有白带的或二：次开发的零件库系 统，也大都提供了全局变量的参数化能力，少数系统有基于全局变量的部件库。虽然这 些三维软件在r 二三维参数化的功能和技术细节上各有特点和不足，但毫无疑问，参数化 功能已绎成为各三维c a d 系统功能的主要性能指标之一一。 ( 1 ) u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u gn x 系统。u g 是u n i g r a p h i c ss o lu t j o i q s 公司 推出的集c a d c a e c a m 为一体的全三维参数 t o t 械设计平台，也是当今世界广泛应用的 计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车和造船等领域。 它提供了基于草图，基于特征，基于装配的三种参数化造型模式。u g 不仅具有强大的实 体造型、曲面造型、实体装配和工程图设计等功能，还提供了u g o p 矾g r i p 和u g o p e na p i 程序设计模块、u g 0 p e nm e n u s c r i p 和u g o p e nu i s t y l e 两个辅助开发模块；同时具有良 好的高级语言接口，使u g 的造型功能和计算功能有机结合起来，便于用户开发符合自己 要求的c a d 系统“”1 。 ( 2 ) p t c 公司的p r o e n g i n e e r 是一个全参数化的三维c a d 软件，它在三维建模，组件 装配，工程图生成等方面都是相互关联的，这种数据关联的能力，能使设计的修改自动 地更新到绘图、分析、制造以及其他c a d c a m 领域。p r o e n g i n e e r 的参数化造型功能贯 穿于整个产品，包括特征、曲线、曲面以及线框模型等。p r o f _ 蝤n e e r 主要通过记录设计 历史来捕捉设计意图，设计历史的操作顺序可以被修改。但是，p r o e n g i n e e r 在曲线曲面 的造型方面相对不足，其在曲线曲面的参数化功能方面还有待进一步完善。 ( 3 ) d a s s a u t s y s t e m s 公司的c a r l a 系统。c a r l a 系统内部的一个机构设计软件能够快速 的创建、修改和分析装配草图，设计结果动态的显示在屏幕上，可以进行非常快速的概 念分析。c a r l a 能对现有的实体和模型施加约束，而模型不必被完全约束。除了参数化造 型能力，还提供了布尔操作等其他造型手段。 ( 4 ) s i ) r c 公司的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 系统。它是变量化技术的代表，支持所有类型 的约束造型功能，包括支持特征、曲线、曲面等。它还支持3 d 约束以及装配体中零件间 的约束。系统允许创建欠约束的草图，还支持布尔操作和其他一些造型手段。数值和几 何约束通过尺i r 和符号的形式在屏幕上做出标记，这就很容易的判断当前的约束状态。 i - d e a s 在技术上是独特而先进的，尤其是v g x ( 超变量化几何技术) 的出现，必将会在设 计领域引起一场技术的变革。 基于u g 在曲线、曲面、实体造型等方面的优异表现，以及强大的参数化设计和二 次开发功能，本课题选用u gn x 作为轻型货车车身参数化设计研究的平台。 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章结论 1 4 车身设计方法及国内外研究现状 1 4 1 传统的车身设计方法 汽车车身是汽车的四大总成( 发动机、底盘、车身和电器1 之。车身外形是由多个形 状复杂的大型覆盖件组成的。用一般的机械制图方法难以将它完整地表现出来，需要借 助立体模型，因此要求有一套复杂的设计程序。作为一项技术和艺术相结台的工作，汽 车车身造型设计是车身设计的最初步骤，也是整车设计最初阶段的一一项综合构思。传统 的车身外形设计可分为初步设计和技术设计，可用图1 1 的框图来表示。 1 初步设计 在初步设计中，为了减轻绘制车身布置图和制作模型过程中反复修改的工作量，常 常采用缩小的比例( 使用公制长度单位的国家多用1 ：5 或1 ：1 0 的比例，采用英制长度 单位的国家多用3 ：8 ：1 的比例) 。首先，根据整车的初步控制尺寸( 如汽车的总长、总 宽、总高、轴距、轮距等) 和总布置方案，绘制1 ：5 车身布置图。在此图中，应初步确 定车身的主要控制尺寸。其次，绘制彩色效果图。该图以车身布置图为基础，绘制出多 方案的彩色效果图。在绘制效果图过程中，出于审美的要求，往往需要对上述车身布置 图的线型作相应的修改，并可广泛征求意见，再从中初步选定种满意的方案。然后， 即可着手雕塑l ：5 的油泥模型。在雕塑模型的过程中，同样出于审美实感的需要，还可 能要对l ：5 车身布置图和彩色效果图作某些相应的非原则性的补充和小修改“。 补 充 修 改 外 彤 轮 廓 初步设计 绘制1 ：5 车身布置图 缩小比例彩色效果圉 雕塑1 ：5 油泥模型 技术设计 绘制1 ：l 线型围 二二 雕塑1 ：1 油掘模型 二二 制作1 ：1 内部模型 绘制车身主圉扳 绘制车身内外疆羲件图 制作车身主模型 取样报 交付生产 图1 1 传统的车身外形设计过程 2 技术设计 技术设计所进行的工作主要包括，一、绘制1 ：1 线型图，以发现和修正前阶段 初步设计中小模型上所暴露的问题；二、制作和制作1 ：l 油泥模型和内部模型，可以确 定车身表面和车身的结构、门窗位置以及钣金零件的分块等；三、绘制车身主图板，这 5 是车身技术中最关键的一环，要反映车身上的主要轮廓线，各零件的装配关系、结构截 面以及进行可动件的运动轨迹校核等；四、绘制车身零件图，制图工作约占整个工作量 的5 0 o 。在传统的车身设计过程中，可以说绝大部分时问都是在从事这种繁琐的、 重复性的工作；血、样车试制和试验，目的主要在于通过实践来具体检验车身外形和结 构设计的合理性，考核其性能、强度和寿命，以及预先了解制造上的关键等；六、制造 车身主模型，是根据主图片，车身零件图和样板等制造的l ：1 实例模型，是重要的设计 资料之，同时也是作为制造冲模、胎具、装焊夹具、检验样架的主要依据，它还是大 批量生产汽车车身时不可缺少依据。 传统的车身设计制造方法的主要特点，实际上是对复杂的空间曲面外形所采取的一 整套特殊的实物模拟和“移形”，尽管传统方法有其直观、严格、可以长期保存等优点， 但正因为利用实物来传递尺寸和外形，给设计和生产准备工作带来了很大的工作量，例 如：雕塑1 ：1 油泥模型、绘制主图片和车身零件图、制作主模型等，都需要耗费大量 的手工劳动和时间，致使设计和生产周期加长，影响产品的换代更新。 1 4 2 现代车身设计方法 伴随着科学技术的突飞猛进，汽车车身的设计也随之发生了显著的变化，出现了计 算机辅助车身设计，也称仿形法，其设计流程如图1 2 所示“1 。 制定设计任务书雕瓤：5 ；e 目泥模型模其设计及制造 ii i 总布置冒三坐标测量或激光扫描生产准备 ii 1 ：嗽影效果图计算机造型及绘图 il 图1 2 计算机辅助车身设计过程 与传统的车身设计方法相比较，这种方法避免了传统设计方法中制作车身主图板、 车身主模型及车身表面取样板等工作，可直接在计算机内进行车身建模，不用手工制作 软材料模型，因此可以节约大量的模型制作和图形手工绘制时间，缩短了设计周期，同 时也节省了大量的费用。提高了设计精度，克服了这些工作带给车身设计的累积误差， 使产品设计人员和生产工艺人员共享统一的数据资源。比汽车车身的传统设计方法有了 明显的进步“”“”。 虽然仿形法使汽车车身设计发生了深刻的变化，但仍要进行1 ：5 油泥模型的建立， 这一步仍然是很费工费时。随着计算机功能越来越强大，c a d c a m 技术日益标准化、集成 化、智能化。计算机辅助车身设计的发展也进一步深化与完善，省去车身设计过程中的 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 油泥模型制作，进行无实物、无图纸设计便成为可能。近年来开始应用c a s 技术，从概 念草图生成、_ 二维渲染到三维表面生成、修改、渲染、检测等都在计算机上完成，从而 将逐步代替费时费力的油泥模型制作。以下是无实物设计流程，如图1 3 所示”3 。 1 4 3 国内外研究现状 图1 3 无实物模型设计流程 虽然计算机辅助几何设计为汽车车身设计带来全新的变革，但设计人员仍需要在三 维数据模型的建立和完善上耗费大量的时间和精力。面对日趋激烈的汽车市场竞争，必 然要求进一步缩短产品设计的周期，同时，许多标准或定型的快速设计的实现，促使国 内外各汽车厂家开始了新的思考：汽车车身的设计能不能像其他标准或定型的零部件一 样，实现汽车车身的快速设计? 在德国，早在上个世纪8 0 年代就提出了一个用于轿车方案设计阶段的车身自动设计 模型，但受当时计算机发展水平所限，此研究更多地注重于方法探索。近十年来，参数 化建模技术的实现，使得c a d 模型易于修改，减少了工程设计变化带来的人力、物力和 时间上的消耗，提高了原有设计的重复利用率。1 9 9 9 年u g s 公司又推出全新的总体参数 化设计技术w a v e ，实现了参数化造型技术和系统工程设计的有机结合。这些新型技术 依托于大型的三维c a d c a m 软件，在汽车行业得到广泛应用，推动了自动设计系统的 进一步发展“”。 目前，一些世界级的汽车生产厂家，如通用、雷诺和德国b m w 公司和b e n z 公司 等都具有自己的车身自动设计系统。有关资料表明，只要根据市场和产品规划部门提出 7 一系列要求，通用公司就能在1 0 个星期内，用一个参数计算的数学模型来表示概念，一 旦有了控制结构或合适的关键参数，通用公司设计中心的工程设计就可同步展开，在1 5 分钟内便可提供新的原型样机进行评估。德国b m w 公司也正积极从事这方面的，以期 实现车身件之间相关几何元素的自动修改，从而达到“牵一发而动全身”的效果“。 对于我国目前的情况来说，无论在车身设计还是汽车造型设计方面，都与国外知名 汽车制造公司和汽车设计公司存在一定的差距，在很长_ 段时间里面，我们所谓的设计 很大程度上是在模仿人家成熟的车型，然后做一些适当的修改，成为自己的产品，真正 意义上的自主开发是风毛麟角。参数化技术在国内在这方面的研究还较少，并且往往局限 于标准或定型的零配件的设计，或在产品的局部实现设计修改的自动化。l 鲴内同济大学 在轿车车身总布置及结构设计方面作过一些研究，以探讨车身快速设计的问题；但是并 没有开发出一个完整的车身设计系统，也没有一个成熟的车身快速开发的理念和方法。 具体到货车车身的参数化设计研究，则更是很少涉及到1 。 1 5 研究内容及章节安排 奉课题的主要研究内容：1 、根据现有轻型货车车身模型，利用现有的轻型货车的车 身造型数据，进行车身形状的相关性数据的分析和研究，寻找一种针对轻型货车车身造 型的参数化设计方法；2 、初步建立货车车身的三维参数化模型，再在整车模型框架下， 寻找具体部件的特征点或特征线，建立具体造型元素的参数化模型；3 、运用u g 的二次 开发工具及v c + + 6 0 的相关技术进行软件设计与开发，为参数化造型设计适当的界面， 实现人机交互功能。 根据课题的实际研究内容和进度，章节安排如下： 第一章为绪论，介绍课题的来源、背景、参数化设计的概念、意义及国内外研究现 状，并介绍了传统车身设计方法和现代设计方法。 第二章介绍c a g d 中贝齐尔曲线和b 样条理论及曲线曲面造型的数学基础知识，即 用数学方法来描述汽车车身外形。 第三章主要介绍u gn x 系统功能及参数化功能实现方法。 第四章以u gn x 为工具，建立轻型货车车身的参数化基本模型及其他造型元素的参 数化实现。 第五章以v c + + 6 , 0 及u g n x 的二次开发相结合，开发参数化模块，实现完整的车 身及其造型元素的参数化设计。 第六章，对本课题的研究及论文工作的总结与展望。 8 山东理工大学硕士学位论文 第二章车身外形曲线曲面数学模型 第二章车身外形曲线曲面数学模型 汽车车身的外形表面比较复杂，多数是由自由曲面组成的。因此在研究车身造型设 计的时候就离不开曲线和曲面的处理，车身造型设计最终表现为车身在曲线、曲面下的 数学模型。日前，b 样条理论已成为国内外流行的三维软件自由曲面造型的基础，也是进 行车身造型的基础。”1 。 2 1b 样条曲线概念 b 样条方法是在保留b 6 z i e r 方法的优点，同时克服其由于整体性表示带来不具有 局部性质的缺点，及解决在描述复杂形状时带来的连接问题下提出来的。b 样条曲线 方程可按控制顶点方式定义如下： p ( “) = 函n ( “) ( 2 1 ) 其中，d ，( f = o ，l ，n ) 为控制顶点。又称为d e b o o r 点，顺序连成得折线称为b 样 条控制多边形，又常简称为控制多边形。( “) ( f _ o ，l ，n ) 称为k 次规范b 样条基 函数，其中的每一个基函数称为规范b 样条，简称b 样条，它也有多种等价定义。下 面是作为标准算法的德布尔和考克斯( d eb o o r - c o x ) 的递推定义，即德布尔考克斯递推 公式： = 豁“t m ，。( “) = 二生f ，。( “) + 世芷f 扎h ( “) “r “一坼m + + l 一+ l 规定旦：0 0 ( 2 2 ) n ，。( “) 双下标中的第二下标k 表示次数，第一下标i 表示序号。该递推公式表明， 欲确定第i 个k 次b 样条肚( ”) ，需要用到“。“t 2 。+ k + l 共k + 2 个节点称区间 “，甜。+ 】 称区间为，。( “) 的支撑区间。n ，。( “) 的第一下标等于其支撑区间左端节点的下标。即表 示该b 样条在参数u 轴上的位置。曲线方程中相应n + 1 个控制顶点d 。( i = 0 ，l ，哪) ，要 用到n + 1 个k 次b 样条基函数，。( “) ，它们每个都是k 次b 样条。 2 1 1 b 样条曲线的性质 1 局部性质：t 次b 样条曲线上参数为u “。“。 的一点p ( u ) 至多与k + 1 个控制顶 点d ，( ，= i - k ，f k + l ，i ) 有关，与其它控制顶点无关；移动该曲线的第i 个控制 顶点d ，至多将影响到定义在区间 q ，u i + 。 上那部分曲线的形状，对曲线的其余部 9 山东理工大学硕士学位论苎第一二章车身外形曲线曲面数学模型 分不发生影响。它是对b 样条曲线行为占支配地位的重要性质之一。 2 可微性：b 样条曲线在每一曲线段内部是无限次可微的，即是c ”的，在对应节点 的曲线段端点处是女一r 次可微的，即是c “7 ( 其中r 是该节点的重复度) ，或者说 具有 一r 阶参数连续性。 3 凸包性：b 样条曲线的凸包是定义各曲线段的控制顶点的凸包的并集。其凸包区 域比同一组顶点定义贝齐尔曲线的凸包区域要小，至多相同。b 样条曲线恒位于 它的凸包内。 4 变差减少性质：又称v d 性质，即任一平面与b 样条曲线的交点数不会超过它与 控制多边形的交点数不会超过它与控制多边形的交点数，但包含整个控制多边形 的平面除外。 5 磨光性质：除共线顶点外，次数越，b 样条随线距离定义它的控制多边形越远。 同一组控制顶点定义的b 样条曲线，随着次数k 升高，越来越光滑。 6 几何不变性：b 样条曲线表示的几何不变性是指它们不依赖于坐标系的选择或者 说在旋转与平移变换下不变的性质。应用几何不变性就可视需要与方便任意选取 合适的坐标系而保证获得不变的形状。 b 样条曲线区别于b 6 z i e r 曲线的最重要的优点就是它具有局部性质。b 样条曲线 的局部性来源于b 样条基的局部支承性。b 样条基从。( “) 的支承区间包含的节点区 间数( 含零长度区间) 与次数k 有关。k 次b 样条的支承区间包含k + 1 个节点区间。 于是在参数u 轴上任一点处，就至多只有k + 1 个非零的k 次b 样条n ，。( u )( j 爿- k ， i - k + l i ) 其他k 次b 样条该处均为零。 2 1 2 b 样条曲线的分类 b 样条曲线按节点矢量中节点的分布情况不同，可划分为如下四种类型： 1 均匀b 样条曲线( u n i f o r mb s p l i n tc u c ) 节点矢量中节点为沿参数轴均匀或等距分布，所有节点区间长度i = i l h l u 产常数 0 ， i = 0 1 n + 。这样的节点矢量定义了均匀b 样条基。 2 准均匀b 样条曲线( q u a s i - u n i f o r mb s p l i n ec u r v e ) 其节点矢量中两端节点具有重复度k + 1 ，所有内节点均匀分布，具有重复度1 。内 节点区间长度为大于0 的常数。其与均匀b 样条曲线定义域节点分布相同，差别仅在于 两端节点。这样的节点矢量定义了准均匀b 样条基。 3 分段贝齐尔曲线( p i e e e w i s e b d z i e r c u r v e ) 其节点矢量中两端节点重复度与类型准均匀b 样条曲线相同，为k + 1 所不同的是， 所有内节点重复度为k ，即有： r。 一j 常数 0 ， i = 3 k ，a = l ，2 ，； 1 0 ，i = a 七+ j ，= l 2 。k 一1 1 0 t h 东理工大学硕上学位论文 第二章车身外形曲线曲面数学模型 选用该类型有个限制条件，控制顶点数减1 必须等于次数的正整数倍，即n k = f 整数。 这样的节点定义了分段伯恩斯坦基。 4 非均匀b 样条曲线( n o n - u n i f o r mb s p l i n ec u r v e ) 在这种类型里，任意分布的节点矢量u = t u 。，嵋，址。1 ，只要在数学上成立( 其中节 点序列非递减，两端节点重复度k 十l ，内节点重复度 ) 都可选取。这样的节点矢量定 义了一般非均匀b 样条基。对于开曲线包括非周期闭曲线，通常为使其具有同次贝齐尔 曲线的端点几何性质，两端节点取成重复度k + l 。 从上述分类及其定义可以看出，均匀、准均匀与分段贝齐尔三种类型都可看成一般非 均匀类型的特例。在形状描述实践中，较经常出现的也是非均匀类型。 b 样条方法在表示与设计自由型曲线曲面形状时显示了强大的威力。它日前己成为关 于工业产品几何定义国际标准的有理b 样条方法的基础。 2 2b 样条曲面 假如给定( m + 1 ) ( n + 1 ) 个控制顶点d 。( f = o 1 一m ；j = 0 ，l ，h ) 的阵列，构成一张控制 网格。并且分别给定参数u 与v 的次数k 与l ，和两个节点矢量u = 【u o ，坼，。l 】以及 v = 【v o ，v l ， 。1 】。这样就定义了一张七，次张量积b 样条曲面。其方程为： p ( u , v ) = d u j ( “) 川( v ) 蚝“。+ l ，v ，v v ( 2 3 ) i = 0 卢0 其中，b 样条基f ，。( “) ( f = o 1 ) 与j ，( v ) ( ，= o ，l ，1 ) 分别由节点矢量u 与v 按德布 尔一考克斯递推公式决定。b 样条曲线的局部性质可以推广到曲面。除变差减少性质外，b 样条曲线的其他性质都可推广到b 样条曲面。 2 2 1 有理b 样条曲面 2 2 1 1 有理b 样条方法的提出及表示形式 对于进行自由型曲线曲面形状的表示与设计工作，b 样条方法已经足够了。但为了 统一表示二次曲线弧与二次曲面，同时又能保留b 样条方法描述自由型形状的长处，人 们进一步将非均匀b 样条扩展成了非均匀有理b 样条( n o n - u n i f o r mr a t i o m db s p l i n e ) 方 法，简称n u r b s 方法。b 样条方法中，n u r b s 最具有一般性，它既涵盖了多项式的也 涵盖了非均匀的和有理的b 样条方法。 一 一条k 次n u r b s 曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数 1 】 土 油码( 叻 “l 审= 鼍_ 一( 2 4 ) 芝翔川，。( 曲 l = 0 其中c o ( i = 0 1 ) 称为权或权因子( w e i 曲t s ) 。首未因予，q 0 ，其余q o ，以防 止分母为0 ，保留凸包性质及曲线不致因权因子而退化为一点。此外，n u r b s 曲线还可 表示成有理基函数形式和齐次坐标形式，如下所示： 有理基函数表示： p ( “) = e , t ，r 。o ) ， 齐次坐标表示 p ( “) 日 窆d f ( u ) l 扛oj 其中r ，。： 盟( 2 5 ) 翰 j = o ( 2 6 ) 其中d ，= h d 。q 】为所给控制顶点4 ( i = o ，1 ，n ) 的带权控制点( 或齐次坐标) 。 从有理基函数形式可清楚也了解n i j r b s 曲线的性质；而齐次坐标给出了n u r b s 曲线的几 何意义和生成的几何原理，n u r b s 曲线是高一维空间里它的控制顶点的齐次坐标或带权控 制顶点所定义的非有理b 样条曲线在f d = l 超平面上的投影。 2 , 2 1 2n u r b s 曲面方程及其性质 类似于n u r b s 曲线，一张kxf 次n i 瓜b s 曲面也有三种等价表示，下面是有理基函 数的表示形式和齐次坐标表示形式。 1 有理基函数表示 p ( u ，v ) = d t , j r i 川( 州) 扛o j = 0 这里的旯。( “，v ) 是双变量有理基函数 川( 刚) ：0 掣丛堕丛堕一 q ，n r ( “) m ，。( v ) ，如s = 0 2 齐次坐标表示： r 。1 p ( u ，v ) = 日 d j 。 ，。( v ) l f = 0 伸j 其中d ，j = q ，d 叫略， 称为控制顶点d “的带权控制顶点。带权控制顶点在高一维空间 里定义了一张量积的非有理b 样条曲面p ( “，v ) 。 1 2 山东理工大学硕士学位论文 第二章车身外形曲线曲面数学模型 2 3 曲线曲面造型的基础 2 3 1 曲线曲面的基本概念 1 节点：欲唯一地决定一条插值于n + 1 个点参数插值曲线或逼近曲线，必需先给数 据点赋予相应的参数值“，使其形成一个严格递增的序列：u 。 “。 u n 则其中的每个 参数值称为节点。贝齐尔曲线的节点矢量u 值在l 之间变化，b s p l i n e 的节点u 可 在0 到任意正数的区域之间变化。节点中数据点值得大小控制曲线的形状，数据点的密 集程度控制曲线的形状。 2 参数连续性与几何连续性：c a g d 中，经常运用分段曲线的组合来表示复杂曲 线。在度量曲线连接的光滑度( 又称光顺性) 时，有两种不同的标准。典型地把组合 参数曲线构造成在连接处具有直到n 阶连续导矢即n 次连续可微，这类光滑度称之为 c ”或n 阶参数连续性。另一种称之为几何连续性。组合曲线在连接处满足不同于c ”的 某组约束条件称之为具有n 阶几何连续性，记为g “。组合曲线在连接处的光颁性与 组合曲线的整体光顺性是不矛盾的，前者包含在后者之中。参数曲线的参数连续性实 际是沿用函数曲线的可微性，与参数选取有关。与函数曲线的光滑度相致的函数曲 线的可微性，当用于参数曲线时，出现了可微性与光滑度不一致的问题。在参数曲线 上出现零切矢处虽然是可微的，但却可能是不光滑的。 研究表明，参数连续是对参数曲线连接光滑度的过分限制，参数连续与参数有关， 而曲线的光滑度是曲线可观内在的性质，与参数无关。因此，参数连续性不能客观准 确度量曲线的光滑度，取而代之的是几何连续性。几何连续性与参数选取无关，是对 参数曲线光滑度限制的松弛。它只要求较弱的限制条件，并为形状定义与控制提供了 额外的自由度。几何连续性有如下两种等价定义： 1 ) 当且仅当两曲线段的相应弧长参数化在公共连接点处具有c4 连续性，则称他 们在该点处具有g “连续性或是g 4 的。 2 ) 若能将两曲线段之一经参数变换，重新参数化使得它们在公共连接处具有正则 的c “连续性，则称它们在该点处具有g 4 连续性或是g “的。 3 曲率梳：曲率梳是一种在图形终端上分析曲线形状的工具，是绘制平面曲线相对 曲率随弧长变化的图形，以所绘曲线的长短表示曲率大小。在曲线光顺性评价实 践中，人们常通过绘制曲线的曲率图来反映曲率沿曲线的变化情况。 4 补片：补片是构成片体的各个组成部分，使用较多的补片创建片体可以提供更多 控制曲面的局部区域。届时在创建片体时，只要能满足曲面功能的要求，最好将定义片 体的补片数目减至最少，这样可以提高执行效率，并且可以产生更为光顺的曲面。两两 相邻的的缀面以连续性相连接，即完成曲面的创建。缀面为四方形格子点，每一缀面有 1 3 由东理工大学硕士学位论文 第二章车身外形曲线曲面数学模型 四个边界曲线。 5 行与列：曲面行、列的方向分别标示为u 、v 方向。曲面的横断面线( c r o s s s t r i n g ) 称为u 方向网格线，而曲面的纵方向、扫掠方向或引导线( c u i d es t r i n g ) 方向称为v 方向 网格线，v 方向大致垂直于u 方向。所有形体都叮以用u v 网格线来描述，如图2 1 所 示。曲面的形成也可以看成是许多四边形的补片组成。这样在u g 中对于较规则的形状 的曲面形成就容易，对于非四边形的曲面就要划分成四边形做面。比如：二边面划分成 三个四边形做面，五边面划分成五个四边形做面。 2 3 2a 级曲面 近几年来，r f j r p 技术都得到了很人地发展，它们所涉及的工业及日用产品的形 状大致可分两类或由这两类组成。一类是仅由初等解析曲面如平面、圆柱面、圆锥面、 球面、圆环面等组成，大多机械零件或日用产品都属于这一类。它们可以用二维图完 全清楚地表达和传递所包含的全部形状信息。第二类是不能由初等解析曲面组成，而 以复杂自由变化的曲线、曲面组成，例如飞机、汽车、摩托车、船舶、医疗器械等多 形零件，显然，后一类形状单纯用三维图是不能表达清楚的，a 级曲面就是指第一类 或由第一类与第二类相组成的复杂曲面。通常在工业设计领域的定义如下： a 级曲面：自由曲面，如汽车、摩托车的外覆盖件等( c l a s sas u r f