（车辆工程专业论文）基于ug的客车车身计算机辅助设计.pdf

摘要 个国家的汽车工业发展水平与该国的经济发展水平密切相关，美国、日本、 德国、韩国、意大利这些国家都是很好证明。世界经济强国的经济发展无一不与汽 车工业密切相关，在激烈的市场竞争情况下，汽车设计新技术得到了进一步的发展 汽车车身计算机辅助设计是二十世纪末才开始广泛应用的一项技术，是计算机技术 得到广泛应用的必然结果，是对传统车身设计方法的改进和提高，是生产力得到进 一步发展的有力证明。计算机辅助设计能够加快汽车设计和开发过程，参数化车身 修改方便，管理容易，缩短了产品研发时间，降低了开发成本。车身计算机辅助设 计的应用主要集中在可视化、虚拟设计、虚拟装配等方面。 本文首先介绍了国内外汽车计算机辅助设计的发展状况，撰写本文的目的和意 义。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 有名的汽车制造公司和汽车设计公司存在较大的差距在汽车设计领域，计算机辅 助设计是必然趋势，因为该方法能够缩短开发时间和降低开发成本。文中阐述了 c a d 技术n u r b s 自由曲线曲面造型的原理和曲线曲面光顺性评价指标，并对其理 论基础进行了系统的论述。该文以大客车车身造型及骨架设计为实例，提出了以三 维建模、模型渲染为主要步骤的计算机辅助三维设计方法。首先根据厂方的需要选 择两种参考车型分别在3 d m a x 和u g 中进行造型设计，确定其中的一种方案在u g 软件中进行参数化设计，接着确定目标参数、平面布局和座椅尺寸的设计等等。在 车身的造型设计时应用了u g 特有的n u r b s 自由曲线曲面造型方法对大客车 勾画出一些主要的轮廓线，在光顺处理以后，进行扫掠，得到车身造型曲面，然后 进行内饰设计包括仪表台、地毯、座椅、顶棚和侧壁等等；在车身骨架的设计时， 将车身骨架分为六大片，分别设计完成后，再进行六大片骨架的虚拟装配及相应的 修改和调整；最后进行车身骨架和蒙皮的虚拟装配，并对装配间隙进行调整。最后 应用相关软件对车身及骨架设计进行分析以及后续工作。该文的最后部分是展望和 总结。 关键词：客车车身车身设计造型骨架c a du g 。 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tl e v e lo fan a t i o ne c o n o m yh a si m p o r t a n tr e l a t i o n s h i pw i t ht h e d e v e l o p m e n tl e v e lo ft h ec o u n t r ya u t o m o b i l ei n d u s t r y a m e r i c a ，j a p a n ，g e r m a n y 。 k o r e a ，i t a l ya r et h eg o o dp r o o f s t h er i c hb i ge c o n o m i cc o u n t r i e so ft h ew o r l d a r ec l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ec a ri n d u s t r y n e wt e c h n i q u eo fc a rd e s i g nh a sg o t f u r t h e rd e v e l o p m e n ti nd r a s t i cm a r k e tc o m p e t i t i o n c a rb o d yc a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) w a sb e g i nw i t ht h ee n do ft w e n t yc e n t u r y ，i ti s t h ei n f a l l i b l er e s u l t o fc o m p u t e ra p p l y ，i th a si m p r o v e dt h et r a d i t i o n a lw a yo fc a rb o d yd e s i g n ，i t i sap r o o fo f p r o d u c t i v i t yg e t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t c a dc a nf a s t e rt h ec o u r s e o fa u t o m o b i l ed e s i g na n de x p l o i t a t i o n ，e a s ym o d i f yb o d y sp a r a m e t e ra n dd a t a m a n a g e m e n t ，s h o r t e rr e s e a r c ht e r ma n dl o w e rc o s t a d o p t i o nv i r t u a lc a dm o s t l y c o n c e n t r a t e st h es i g h te f f e c t 、v i r t u a ld e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l y a tf i r s t t h et h e s i st e l l su sp r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o no fa u t o m o b i i ec a d a td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o na n di t sa i ma n dd e n o t a z i o n t oc u r r e n t c i r c u s t a n c e o u rc o u n t r yh a ss ol a r g ed i s t a n c eb e t w e e nw i t hi n t e r n a t i o n a lf a m o u s a u t o m o b i l ed e s i g n i n ga n dm a k i n gc o m p a n i e s ，n o to n l yi nc a rb o d yb u ta l s os h a p e d e s i g n c a di si n f a l l i b l et e n d e n c yi nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ed e s i g nb e c a u s et h e w a yc a ns h o r t e rt h et i m eo fd e s i g na n d1 0 w e rc o s t t h es e c o n d ，t h et h e s i si n t r o d u c e t h ep r i n c i p l eo fi 蜊r b sc u r v ea n de v a l u a t i n gi n d e xo ft h ec u r v eq u a l i t y t h et h e s i s t a k e st h ed e s i g no ft h eb u sb o d ys h a p ea n df r a m ea s a ne x a m p l e ，p r o v i d ec o m p u t e r a i d e dd e s i g nw a yo ft h r e e d i m e n s i o n ，i t sm a i nc o n t e n ti n c l u d et h r e e d i m e n s i o n m o d e l i n ga n dm o d e ld e c o r a t i n g i nt h i ss e g m e n t ，ad e s i g nm e t h o db a s i s o n u n i g r a p h i c si sp r e s e n t e df o rb u sb o d yi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n do ft h ef a c t o r y i tu t i l i z e su ga n d3 d m a xt od e s i g nw i t h o u to b j e c tm o d e l sf o rs e v e r a ls e l e c t e d p r o p r i e t a r yb u s ，t h e nc h o i c e st h eb e s to n ea n du t i l i z e su gt od e s i g nw i t h o u ta n y o b j e c tm o d e i s ，t h e nc o n f o r mt h et a r g e tp a r a m e t e r s 、l a y i n g o u t 、c h a i rs i z ea n ds o o n i nc o u r s eo fd e s i g n i n gt h eb u sb o d ys h a p e ，a p p l y i n gt h eu gs o f t w a r ew h i c h i n c l u d e st h es h a p ed e s i g nw a yo fn u r b sf r e ec u r v e ，d e s i g n i n gt h em a i np r o f i l e 一1 i n e o ft h eb u sb o d ys h a p e ，a f t e re d i t i n gt h es h a p el i n e ，s w e e p i n gt h ec u r v el i n e st o g e tb o d ys h a p e ，t h e nd e s i g n i n gi n n e rd e c o r a t i o n 。i n c l u d i n gp a n e l ，c a r p e t ，c h a i r s ， c e i l i n ga n df l a n ka n ds oo n t h e nd e s i g n i n gt h eb u sb o d yf r a m ew h i c hc o m p r i s e s s i xp a r t sa n dv i r t u a la s s e m b l yt h es i xp a r t s ，c h e c k i n gt h ee f f e c ta n da m e n d i n g t h ei n s u f f i c i e n c i e s d ot h es a m ew o r ki na s s e m b l i n gt h ep a r t sb e t w e e nf r a m ea n d s u r f a c e a f t e rt h a t ，a p p l y i n gs o m er el e v a n ts o f t w a r e st od os a m ep o s t t r a n s a c t s f i n a l l y ，i n t r o d u c e sp r o s p e c ta n ds u m m a r i z et h et h e s i s k e y w o r d ：b u sb o d yb o d yd e s i g n m o d e l i n g f r a m ec a du g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外车身设计发展现状【n 1 3 】【“l 我国汽车工业明确提出要以车身开发为突破口，形成我国轿车自主开发能 力，车身开发要达到国际9 0 年代先进水平。目前，国外大汽车公司和设计公司 具备汽车车身创意和造型的能力。一个公司内就开发过几十至几百种轿车车身， 积累了几十年的车身开发经验在计算机造型技术应用方面，国外大汽车公司及 设计公司已建立了相当规模的成套的硬件、软件系统，运用三维技术替代了“主 图板、主模型”为主的传统设计方法。近年来计算机制图软件( p r o e 、u g 、3 d sm a x 、 c a t i a ) ，把概念草图生成、造型、三维效果渲染等都在计算机上完成，从而逐步替 代了费时费力的油泥模型制作国外大的汽车公司，如通用、福特、丰田、本田、 大众、标志一雪铁龙、菲亚特等，这些汽车公司在车身设计方面积累了几十年甚至 上百年的经验，从开始至今已经开发过很多车型，有了很好的人才梯队和数据 库：在开发新车型的实施方面，有良好的前期准备和时间安排。在汽车设计方面， 意大利的汽车设计公司是很有名的。意大利是世界级汽车设计师的摇篮地和成功 车型地诞生地。据悉，在欧洲十大畅销汽车中，有六款是由意大利人设计地。大 众的高尔夫( g o l f ) 、蓝博基尼( l a m b o r g h i nm i u r a u r r a c o ) 、库塔什( c o u n t 蛇h ) 、 阿尔法罗米欧( l f ar o m e oc a r b o ) 、莲花( l o t u se s p r i t r ) 、法拉利( f e r r a r i d i n o3 0 8 g t ) 、妮娜( n i v o l a ) 、菲亚特( s t r a t o ) 等都是意大利设计巨匠的经典作 品。在汽车设计领域，不同的国家对于汽车都加入了自己的文化，形成了自己的 风格：德国车在工艺上精益求精，法国车体现了法国独特的浪漫情调，美国车显 得很大气，日本车经济实用。未来的汽车设计的趋势是汽车跟着人走，无论多么 出名的汽车设计公司，当具体到为某一个文化氛围里面进行设计，就必须深入的 了解当地汽车文化。因此，任何个国家，任何一个汽车制造企业，任何一个汽 车设计公司，任何一个造型师，都无法垄断汽车设计，尤其汽车造型设计。 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 外有名汽车制造公司和汽车设计公司存在一定的差距，在很长一段时间里面，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j 下意义上的自主开发是风毛麟角。虽然中国的独立设计开发公 司有几十家，但是真正完全具备了包括高级轿车在内的汽车整车设计开发能力， 并达到国际水平的大公司却屈指可数。汽车设计在中国基本属于新型行业，大部 分设计公司都是近几年内才成立的。国内的汽车生产企业舍近求远，不惜花高价 去求助国外的设计公司，一个根本的原因就是中国的汽车设计公司没有拿出真正 武汉理工大学硕士学位论文 的精品去展示，也拿不出精品去展示。 对于本土设计开发，合资技术中心上海泛亚是做得比较好的，成为通用全 球七大设计中心之一，原因在于美国通用汽车为其提供了全球技术资源共享和 富有经验的技术专家，使其在较短的时间内形成了核心竞争力，提高了研发能 力。由其自行设计开发的鲲鹏车在不久前举行的北美底特律车展上引起了海外 媒体和企业的重视。在2 0 0 3 年我们看到了新的亮点，那就是上海别克君威轿车， 市场销售情况反应良好。虽然这款车发动机等部件用的还是通用国外供货商的 东西，但是外形设计主要是中国人设计的。毕竟上海通用借助国际平台使中国 人进入了自己设计汽车外形的行列，这就是一个比较大的突破。同时在2 0 0 5 年 即将在中国上市的上海通用雪佛兰品牌轿车也是在泛亚技术中心参与下定型 的。2 0 0 4 年1 0 月2 0 日，由武汉理工大学设计并研制的首款汉产电动概念车“热 望”，在刚刚结束的第六届米其林必比登国际汽车挑战赛上获得了“最佳原型 概念设计奖”据了解，这是国内参赛者在该项赛事中获得的唯一奖项该概 念车有六大特色，一是整车的外形、底盘、车身、电器等均拥有完全知识产权： 二是车型外行美观，车体灵巧可爱充满动感：三是数字化虚拟仪表盘，全触摸 式操作；四是电池驱动，环保动力；五是拥有现代时尚的剪式车门；六是初步 解决电动车续驶问题，时速可达1 0 0 多公里，一次充电后可持续行驶2 0 0 公里 以上。奇瑞在汽车开发领域的成功就是利用国内外资源实现快速、低成本的汽 车开发。据说奇瑞在未来5 年规划开发3 0 款新型轿车，速度之快为世界之最， 这令中国汽车设计业的设计者十分兴奋。同样，哈飞在自主开发方面也做得很 出色，在与意大利著名汽车设计公司合作联合设计了“中意”车之后，仅用一 年多的时间，自行开发了设计开发出民意车，这是国内汽车企业完全独立设计 生产的第一款车。尽管在这一方面取得了一些成绩，但是相对于国外，相对于 我国高速发展得汽车产业，相对于我国快速增长的汽车消费，相对于1 3 亿中国 人的消费需求，这些成绩还显得微不足道。但是，已经有了一个不错的开端， 在汽车设计方面，中国人已经踏上了坚实的一步，我们一定要接过中国汽车人 的接力棒，使中国不仅成为世界汽车制造大国，也要成为世界汽车设计与技术 强国。 汽车发明一百多年来，车身设计开发技术无不是随着时代的进步而得到发 展。曾几何时，各种车身实物模型作为车身造型的直接体现和车身工程数据的 重要载体，在汽车设计开发，特别是车身设计与制造过程中起着举足轻重的作 用。然而，随着科学技术的发展，特别是c a d 技术的发展，车身实物模型在车 身开发中的作用也在悄悄的发生着变化。 随着市场经济的发展，企业之间的竞争也日趋激烈，这便要求企业缩短产 武汉理工大学硕士学位语文 品的开发周期，以更快的速度向市场投放新设计的产品，取得竞争优势；同时 消费者的需求也是多元化的，这就要求企业对市场要有准确的把握，以赢得顾 客，占领市场。随着市场的推动和技术的发展，车身的计算机快速设计越来越 受到现代汽车制造企业的重视 成功的车身设计是功能与形式的完美统一。随着经济全球化进程的加快， 世界汽车工业生存竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计开发，由 于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和车身 造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提 高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”( p l a t f o r m s t r a t e g y ) ，车身的开发便是该战略的主要组成部分。目前，在一种新车型的开发 项目中，4 0 的设计师和工程师是在从事与车身相关的开发。车身与汽车电子一 起已经成为目前汽车整车产品中最活跃的因素。 我国的客车工业同发达国家相比仍然落后很多，归根结底就是因为车身技 术的相对落后。因此，要大力发展我国的客车工业关键就在于车身技术的发展 我国的客车工业自2 0 世纪6 0 年代起步以来，历经改装、仿制、技术引进和中 外合资等发展阶段，目前已经形成大、中、轻、微等多种细分产品格局，但是 长久以来，由于很多客车产品都是以客车厂商在各总成的基础上进行整车拼装 的方式来生产，一时间涌现出很多客车厂商，形成一种错误的观点，认为客车 行业门槛低，技术含量低随着外国技术进入中国市场，：过去的主力客车企业 纷纷败下阵来，我国的客车行业研发能力弱，暴露出缺乏整体制造思维的弱点 近年来随着汽车市场的快速发展和国家经济贸易政策的逐渐市场化、开放化， 客车行业的竞争越来越激烈，就连主力客车行业也存在着被快速淘汰的威胁。 目前的客车行业面临着历史上最多的发展机遇，同时也面临着发展艰难的挑战 客车行业的各个企业都在不断寻求促使自身企业实现快速增长的策略，同时也 有更多的新进入者加入客车行业，使客车行业的竞争格局进一步复杂化。 在欧洲，尽管轿车制造和普及非常广泛，但作为公共交通主体的大中型客 车制造业仍然表现出相当强的生命力。多年以来，欧洲客车，无论是从设计理 念还是设计技术都表现出相当成熟的产业功底，使得欧洲客车制造业在市场动 荡中仍然得以健康地生存和发展而在中国，尤其是近年来中国高速公路的发 展和用车水平的提高，中国现有生产技术能力已经开始不能满足这种日益增长 的需求，这就是，中国客车制造业发展的瓶颈，也是中国客车制造业发展的机 遇。中国客车制造业将在此基础上与全球客车产业一道，实现产业整合。由此， 对比中国客车制造业的现状，我们认为：必须主动地加强中国客车制造业的设 计能力和制造水平大胆借鉴国外客车制造业的先进经验并同步培养能够满 武汉理1 大学硕士学位诧文 足这种要求的技术和经营人才。只有这样才能实现中国客车制造业可持续发展。 1 2 本论文的目的 随着整个社会的信息化、网络化的飞速发展各个国家和地区之间的联系 变得越来越方便和快捷，很多汽车整车生产企业对于外协件通常采用全球招标 的方式进行最优配置，以降低成本，所班无论是汽车零部件厂家还是整车生产 厂家之间的竞争变得更加激烈而对于国内外客车厂家及车身设计人员来说， 为了提高客车产品的市场竞争力，就必须缩短客车车身设计周期、提高设计质 量，减少车身各设计环节中数据转换所带来的累计误差。降低开发成本。过去 在客车设计过程中，车身设计方法是：绘制多方案车身总布置图、多方案效果 图、制作缩d , l p 例车头和车尾模型甚至1 ：1 车头和车尾实物模型整个车身 的制作过程是通过实物、模型、图纸和样板来传递信息，导致客车车身设计的 开发周期长、成本高、累计误差大。对于大客车来说，不同的大客车可以采用 同一种类型的底盘，但是造型却可以做出很多种来。本文提出了一种基于u g 软 件的大客车车身设计方法。该方法利用参数化设计软件u g 强大计算机辅助设计、 分析和制造功能以及3 d m a x 方便快捷，渲染效果好的特点，完成一大客车造型 及骨架的无实物模型设计和车身内部饰件效果图。同时利用u g 软件，对车身骨 架进行虚拟装配，检查装配结果，然后进行相应的调整和修改；最后进行骨架 与蒙皮的虚拟装配，以检验装配效果。 实践证明，采用u g 软件对客车车身及骨架设计的方法与传统的方法相比， 体现了以下优点：建立了数字化模型，方便修改和管理； 缩短产品的开 发周期；提高了效率，降低了开发成本。鉴于以上优点，该方法在实际应用 中具有很高现实意义。 1 3 计算机辅助设计( c a d ) 简介 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是设计人员借助于计算机进 行设计的一种方法。其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力，巨大 存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。在工程、产品设计中，许多繁重的 工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出、综合分析比较 与优化、工程图样及生产管理信息的输出等，均可由计算机完成。设计人员则 可对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。计 算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期， 降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。目前，在我国正受到 4 武汉理工大学硕士学位论文 企业的欢迎和重视，逐步获得推广应用。 计算机辅助设计系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统在6 0 年代以大 型机系统为主，是以大型机为主机，配之以图形终端、字符终端、绘图机等构 成的主从式系统。7 0 年代发展为以小型机为主机，配以机械、电子或建筑业通 用软件的小型成套系统。8 0 年代以来，则以工程工作站加网络构成的分布式系 统为主流。目前，随着中央处理器性能的飞速提高，个人计算机有逐渐挤占工 作站市场份额的趋势。软件系统有以下四大类型：只能从计算机内已存储的图 形信息中检索出符合订货要求的最佳图样的检索型系统；针对具体设计对象编 制并调试、修改程序，直到输出满意设计图样为止的试行型系统；按照产品设 计要求，抽象出设计对象的目标函数、约束条件及设计变量，通过优化程序计 算出最优设计结果的t l 动设计型系统：设计人员直接与计算机对话，调用计算 机内已有的产品信息、各种设计资料以及各种软件功能进设计，对于以图形显 示的设计结果可以反复地进行修改，直到取得满意结果为止的交互式系统。交 互式系统由于能实时、灵活地将人与计算机结合起来，易于为人们所接受和掌 握，近年来发展比较迅速。 计算机辅助设计系统一般以工程数据库、形库为支持，包括交互式图形设 计、几何造型、工程分析与优化设计、人工智能与专家系统等功能。随着计算 机辅助设计在企业的推广应用，人们e l 益重视它与计算机辅助制造之间的信息 集成这种信息集成避免了产品信息的重复输入，可以提高产品质量、缩短产 品开发周期、大大提高企业效益。为此，国内外近期着重发展产品整个生命期 内的产品数据描述与交换技术。如果再进一步实现计算机集成制造系统，将极 大地改变企业面貌。并行设计与并行工程技术力图在产品设计阶段尽可能早地 解决后续加工制造、维护等阶段所发生的问题，将使新产品的开发发展到更高 的水平。此外，进一步引入人工智能与专家系统技术，将增强计算机辅助设计 智能化。 c a d 技术大致经历了四个发展阶段： 1 形成期1 9 5 0 年美国麻省理工学院采用阴极射线管( c r t ) 研制成功图形 显示终端实现了图形的动态显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历 史。同时，一门新兴学科，即计算机图形学诞生。 2 发展期2 0 世纪5 0 年代后期出现了光笔，从而开始了交互式绘图。2 0 世纪6 0 年代初，开发了屏幕菜单点击、功能键操作、光笔定位、图形动态修改 等交互绘图技术。1 9 6 2 年美国学者i v a ns u t h e r l a n d 开发出第一个交互式图形 系统- s k e t c h p a d 。此后，相继出现了一大批c a d 商品软件当时，由于显示 器价格昂贵c a d 系统很难推广应用，到了2 0 世纪6 0 年代末期，显示技术产生 武汉理工大学硕士学位论文 了突破，显示器成本大幅下降，c a d 系统的性能价格比大大提高，c a b 用户以每 年3 0 的速度增加，形成了c a d 产业。2 0 世纪7 0 年代的c a d 技术还是以二维 绘图和三维线框图形系统为主。 3 成熟期1 9 7 3 年诞生了第一个实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) 试验系统， 并于1 9 7 8 年推出了第一代实体造型软件，此后的二十年中实体造型技术成为c a d 技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的c a d 软件 系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了c a d 技术的应用领域 4 集成期c a d 、c a m 各自对设计和生产所产生的巨大推动作用已被认同， 加之设计和制造自动化的需求，出现了集成化的c a d c a m 系统 近二十年中，c a d 是发展最迅速的技术和产业之一，也是应用领域最广泛的实 用技术之一，它推动了制造领域的革命。同时，这一新技术及其应用水平也已成 为衡量一个国家工业生产技术水平和现代化程度的重要标志。目前工业发达国家 已有8 0 以上的企业实用了c a d 技术：国内也有7 0 的大中型企业采用了c a d 技 术，随着计算机硬件和软件的不断发展，c a d 系统的性能价格比的不断提高，使得 c a d 技术的应用领域也不断的扩大。各种资料表明：公认应用比较成熟的是机械、 电子、建筑等领域。航空航天、造船、机床制造、汽车都是国内外应用c a d 技术 较早的工业部门。至2 0 世纪9 0 年代后期，我国的c a d 技术应用的企业覆盖了重 型机械、矿山机械、工程机械、电工电器、机床、航空航天、兵器、仪器仪表、 建筑、服装等行业，覆盖面和普及率达到近7 0 ，并形成了全国范围内的教育培 训体系。在大力推广应用c a d 技术的同时，在各级政府和企业的资助下。开发了 一批具用自主知识产权的软件系统，如清华大学高华c a d 、华中科技大学开发的 c a d 、北京航空航天大学开发的华正c a d c a m 系统等，这使我国的c a d 技术研究及 应用水平有了一个较大的提高。 c a d 技术与c a m 技术结合起来，实现设计、制造一体化，具有明显的优越性， 主要体现在： ( 1 ) 有利于发挥设计人员的创造性，将他们从大量繁琐的重复劳动中解放出 来。 ( 2 ) 减少设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短了设计周期。 ( 3 ) 由于采用了计算机辅助分析技术，可以从多方案进行分析、比较，选出 最佳方案，有利于实现设计方案的优化。 ( 4 ) 有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。 ( 5 ) 减少零件在车间的流通时间和机床上装卸、调整、测量、等待切削的时 间，提高了加工效率。 ( 6 ) 先进的生产设备既有较高的生产过程自动化水平，又能在较大范围内适 6 武汉理工大学硕士学位论文 应加工对象的变化，有利于企业提高应变能力和市场竞争力。 ( 7 ) 提高了产品的质量和设计、生产效率。 ( 8 ) c a d c a m 的一体化，使产品的设计、制造过程形成了一个有机整体，通 过信息的集成，在经济上、技术上给企业带来了综合效益 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章n u r b s 曲线曲面 汽车车身的表面比较复杂，是由复杂的自由曲面组成的，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、 曲面理论下的数学模型。车身设计的基础主要是曲线曲面的描述。目前最为流行、 应用最为广泛的是n u r b s 曲面造型技术。下面就主要介绍一下n u r b s 样条曲线、 曲面的相关理论知识 2 1n u r b s 方法的提出及优缺点【1 】 首先将有理参数曲线曲面引入形状设计的是波音公司的罗温( r o w i n ) 和麻省 理工学院的孔斯后来英国的波尔( b a l l ) 在c o n s u r f 系统中构造了两类特殊的 有理参数三次曲线：广义二次曲线弧和简单线性参数段。我国成都飞机公司就曾 采用波尔方法研究了c s u r f 系统，用于飞机外形设计福里斯特讨论了有理参数 三次曲线上出现渐进方向的条件福克斯( f a u x ) 和普拉特( p r a t t ) 最先给出了 二次曲线弧的有理贝齐尔表示法林给出了有理贝齐尔曲线的算法。最早研究有 理b 样条方法的是美国锡拉丘兹( s y r a c u s e ) 大学的弗斯普里尔( v e r s p r i l l e ) 。 以后主要是皮格尔( p i e 9 1 ) 与蒂勒( t i l l e r ) 独立及联名发表的论文对n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ，称之为非均匀b 样条) 方法进行深入的研究 工作，还有法林等人的工作，使这一方法在理论上与实用上逐步趋向成熟。 鉴于n u r b s 在形状定义方面的强大功能与潜力，不等到该方法完全成熟，美 国国家标准局在1 9 8 3 年制订的初始图形交换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c e x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 第二版就将n u r b s 列为优化类型。1 9 8 8 年颁布的 s t e p p d e s ( 1 0 ) 版产品定义交换规范就只规定了唯一的一种自由型参数曲线曲 面，即n u r b s 。1 9 9 1 年国际标准化组织正式颁布了工业产品几何定义的s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准，作为产品数据交 换的国际标准。在s t e p 标准中，自由型曲线曲面唯一的用n u r b s 表示。与此同时， 一些c a d 商品软件系统纷纷开发和推出n u r b s 功能，早在十几年以前，美国s d r c ( s t r u c t r u r a ld y n a m i c sr e s e a c hc o r p ) 公司推出的i - d e a s 系统中的g e o m o d 模块就把所有曲面内部采用n u r b s 表示。i d e a s 6 0 版更将曲面实体模型建立在单 一的n u r b s 曲面上。关于n u r b s 的理论研究成果已经和正在迅速转化为现实生产 力。目前国内外市场上c a t i a 、u g l l 、p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、s o l i d w o r k s 、 s o l i d e d g e 、c i m a t r o n 等国际著名的三维c a d c a m 软件都具有n u r b s 功能。 n u b r s 具有下述优点： 8 武汉理工大学硕士学位语文 ( 1 ) 既有标准解析形状也为自由型曲面的精确表示与设计提供了一个公共的 数学形式。因此，一个统一的数据库就能存储这两类形状信息。 ( 2 ) 由操纵控制顶点及权因子为各种形状提供了充分的灵活性。权因子的引 入成为几何连续样条曲线曲面中形状参数的替代物 ( 3 ) 计算稳定且速度相当的快。 ( 4 ) n u r b s 具是明显的几何解释，使得它对有良好的几何知识尤其是画法几 何知识的设计员特别有用。 ( 5 ) n u r b s 有强有力的几何配套技术( 包括插入节点细分消去、升阶、分 裂等) ，能用于设计、分析与处理等各个环节。 ( 6 ) n u r b s 在比例、旋转、平移、剪切以及平行和透视投影变换下是不变的。 ( 7 ) n u r b s 是非有理b 样条形式以及有理与非有理贝齐尔形式的合适的推广。 然而，n u 船s 也存在一些缺点： ( 1 ) 要额外的存储以定义传统的曲线和曲面。 ( 2 ) 权因子的不合适应用可能导致很坏的参数化，甚至毁掉随后的曲面结构。 ( 3 ) 某些技术用传统形式比用n u r b s 工作得更好。一个例子是曲面与曲面求 交，那里特别难于处理刚好接触的情况。 ( 4 ) 某些基本算法例如反求曲线曲面上点得参数值，存在数值不稳定问题。 2 2n u r b s 曲线和曲面 2 2 1n u r b s 曲线、曲面的定义【2 9 n u r b s 曲线为一分段的矢值有理多项式函数，其表达式为 特攀 荔b 艰“) 碟 式中h 为控制顶点，雕为权因子，垦。( u ) 基函数仍由递推公式定义： ( 2 1 ) 为k 次b 样条基函数。 讪，2 s 嚣s “ e - ( u ) 2 i u 。+ - - 。一u u l ；b i t 一- 。) + ：! i + i k 2 ：竺- - 二u 羔；1 e + ，一- o ) tz 1 ( 2 2 ) u i + k u i “+ 1+ 一0 9 武汉理工大学硕士学位语文 式中k 为幂次：( i = 0 ，1 ，m ) 为节点，由其形成节点u ： u 2 【“o ，“1 ，“。 ( 2 3 ) 当节点数为( m + 1 ) ，幂次为k ，控制顶点数为( n + i ) 时，m ，k 和n 三者之 间的关系为m = n + k + 1 对于非周期的b 样条，节点矢量为 1 u 。lq 4 0 2 秽，七+ 1 ，“肌一| 】 一1 ，1 1 2 一，1i 2 - 4 ) 【 k + 1k + 1j 亦即节点矢量两端各有k + 1 个相同的节点，以便使曲线通过控制多边形首、 末端点并与首、末两边相切。 n u r b s 曲面则由下式定义： 哪，。圣挚竺竺些。， 乏善b i , k ( “) 州) 彬 式中k j 为控制顶点，嵋j 为权因子，b ) 和占) 分别为h 向的t 次和沿珊 向的f 次b 样条基函数。向和向的节点矢量分别为 u - o = “。= “l = 一“i ，“t + 1 ，m ，一f l ，“，一t 一“，一i + 1t = “，一1 ( 2 - 6 ) 形= o = = q = = q ，劬札，q 一4 = q 州= = q = 1 ( 2 - 7 ) 式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 7 ) 中，沿h 向和向节点矢量的节点数分别为( r + 1 ) 和( s + 1 ) 。其中r t 玎+ 七+ 1 ，s 皇m + f + 1 。 2 2 2n u r b s 曲面的性质 n u r b s 曲线方程( 2 1 ) ，改为 p ) = k r ) ( 2 8 ) 啪) 掣 ( 2 - 。) 占卅 ) 。 式中的七为b 样条的幂次，r 0 ) 称为有理基函数。r 。o ) 具有如下重要性质： 普遍性：若令全部权因子都等于1 ，则r f u ) 退化为b 。0 ) ；而若节点矢量 武汉理工大学硕士学位论文 非负性：即r 。以) z 0 规范性：可表示为 善o ) - 1 ，“l 一。】 ( 2 1 0 ) 局部性：可表示为 善似) 一0 ，“隹h n ( 2 1 1 ) 可微性：在节点区间，当分母不为0 时足j 0 ) 是无限次连续可微的。在节 点处若节点的重复度为t n ，则r 。( ) 为k m 阶可微。 若峨- 0 ，则墨 ) - 0 ；若联- + m ，则县 ( u ) - 1 ；当形一+ * ( ，一0 时， r j 0 ) 一0 r u r b s 曲面的性质是： 局部性质是n u r b s 曲线局部性质的推广： o 与非有理b 样条曲面同样的凸包性： o 几何不变形： n u r b s 曲面是非有理与有理贝齐尔曲面及非有理b 样条曲面的合适推广。 非有理与有理贝齐尔曲面及非有理b 样条曲面是n u r b s 曲面的特例。 2 3 常用曲面的n u r b s 表示【1 6 】 2 3 1 一般柱面 一般柱面由先生成一条准线，然后，使该准线沿。一由单位矢量e 表示的方向 移动一给定距离5 得到。设该准线为一条有节点矢量u 的七次n u r b s 曲线，其方 程用有理基函数表示为 c o ) 。弘。 ) ， 嘞11 2 ) 其中嘭。为该准线的控制顶点，相应有权因子q 。r 0 ) 为女次有理基函数 则所生成的一般柱面可表示为 冀咖善渺“d ( 2 - 1 3 ) d ，l 一4 ，o + s e ，q j c o t m ，i t l ，1 ，j ” r 蚓 ，p ) 是由节点矢量u 与矿决定的有理基函数。这里节点矢量 v - 0 , 0 ，1 ，1 】。 武汉理工大学硕士学位箍文 2 3 2 平面、圆柱面与圆锥面 ( 1 ) 平面任意一个平面四边形围成一个平面片。平面片可表示为一双线 性n u r b s 曲面，其控制顶点为平面片的四个角点d 。m ，矗o ，d d 如图2 一l 。 所联系的权因子都取1 ，即 = j q 4 1 。两个节点矢量 u v = fo ，o ，1 1 1 因此，它实际上是非有理双一次贝齐尔曲面片，那是n u r b s 曲 面的特例。 事实上，给定空间不共线三点d m 。，d 埘d 。j 就决定一平面，用平行四边形关系 可以决定第四点 吐j d o j + o d q o 这平行四边形平面片实际上是由一角点d 。的两条边界形成最简单的平移曲 面。 图2 - 1 ( 2 ) 圆柱面一片圆柱与一段圆柱面分别可由一圆弧与一整圆沿其轴线方 向移动一个s 得到。 先决定给定圆弧与整圆的二次n u r b s 表示，然后确定圆弧与整圆所在平面的 单位法失，以圆弧与整圆为准线，最后按一般柱面生成所要求的圆柱面( 见图2 2 ) 峋0 图2 - 2n u r b s 圆柱面片( a ) 和整圆柱面( b ) ( 3 ) 圆锥面在一般柱面中，由控制顶点吐。及其权因子q 。( f - o ，1 ，t n ) 定 义一条原始准线。而由控制顶点喀，及其权因子q 。u - 0 ，1 ，_ i ，1 ) 定义另一条准线。 后者由前者平移得到。使圆柱面的原始准线圆与圆锥面的底圆相等，又使圆柱面 与圆锥面等高。将定义圆柱面另一准线圆的控制定点缩到所在圆心一点，权因子 不变，两个节点矢量都不变，就定义了n u r b s 圆锥面。可见，圆锥面的锥顶点实 武汉理工大学硕士学位论文 际是一条退化边界，在锥顶处不存在公共的切平面。 2 3 3 旋转面 旋转面是在工程设计与图形中晟常用的曲面之一。它由一母线围绕一轴线旋 转而成。实际上。上面介绍的圆柱面与圆锥面也包括其中。只不过其母线为属于 特殊情况的直线罢了现在讨论母线为曲线的一般旋转面。定义一张旋转面最方 便的办法是先在某个坐标平面内定义所需要的曲母线。也可以定义一空问直线段 作为旋转面的轴线。然后，将母线绕轴线旋转周，即得整旋转面。 设所定义的曲母线为一条以y 为参数的f 次b n j r b $ 曲线，其方程为 ! z ，d j n s ，o ) p ( v ) 一号- 一 ( 2 1 4 ) z j 扣) j 。u 它由控制定点d ，( j o j , ) 与权因子，( ，一o j , ，n ) 和节点矢量定义将 该曲母线绕旋转轴线旋转0 角，得一用方程( 2 - 1 5 ) 表示的旋转面。那么 善善q 川d ，m o ) 川( y ) p ( u ，v ) 一型 一 ( 2 1 5 ) 善善q m ) j j ( v ) 该方程中的也即定义该旋转面的控制定点t 及其权因子 q f o o ，1 ，2 ，肌；，一0 ，1 ，j 月) 和两个参数方向的节点矢量u 与v 怎么决定昵? 显然，如果确定不当，将得不到所要求的旋转面或者说毁掉所要求的曲面结构。 当将曲母线旋转0 角时，则定义它的控制定点d ，( j o j , ，1 ) 中的