（车辆工程专业论文）轻型货车车身参数化设计研究.pdf

山东理工大学硕 j 学位论文中文摘要 摘要 汽车车身作为汽车的四大总成之一，其开发设计投入了大量的时间和费用，并在很 大程度上决定了新车型的开发周期。随着科技的发展，新的设计方式，如计算机辅助几 何设计技术，巨大的改变了汽车车身设计方式，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。激烈的市场竞争，要求进一步探索研究汽车车身的 快速设计方法，以缩短产品设计的周期。作为先进的造型技术，参数化设计可以大大提 高设计效率，并有助于减轻设计人员的工作强度。因此对车身进行参数化设计的研究， 也就成了企业及科研院所探求的重要课题。 本课题在深入了解b 样条曲线和u g 参数化功能的基础上，确定了车身参数化的 基本思路，即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。 本文以轻型货车车身为例，建立一个参数化的系统。 首先，从现有的车身模型提取轮廓线或特征曲线，并进行一定的处理，得到要求的 曲线。在处理后曲线上提取适量的数据点，以及b 样条曲线的阶次等信息。 其次，以草绘方式建立参数化的特征点和特征曲线。并以之为基础，运用u g 的相 关参数化功能生成曲面，构建我们所需要的车身基本模型。然后设置曲线变化系数及弧 度变化系数，对车身模型的数据进行参数化处理，以有效地控制了车身模型的变化。 再次，在车身基本模型的基础上，建立车门模型并对车门原始参数进行参数化处 理，得到参数化的车门模型。 最后，运用u g 的二次开发功能以及v c 什6 0 的相关技术，开发可视化的参数模 块，实现车身及车门模型的参数化修改。 本文通过对平头货车车身参数化设计的研究，再扩展到短头货车，探索出一条进行 车身参数化设计有效方法。 关键词：汽车车身，参数化，u g ，二次开发 山东理t 大学硕 学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a u t o m o b i l eb o d y ，o n eo f f o u ra s s e m b l yo f a u t o m o b i l e ，c o n s u m e sal o to f t i m ea n dm o n e y d u r i n gi t sd e v e l o p m e n t , w h i c hd e c i d e st h ed e v e l o p i n gp e r i o do fn e w v e h i c l e w i t hs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，n e wd e v e l o p m e n tw a y s ，s u c ha sc o m p u t e r - a i d e dg e o m e t r i c a l d e s i g n , m a k ed e v e l o p m e n to fb o d yc h a n g eg r e a t l y ，b u td e s i g n e r ss t i l ln e e dc o n s u m eal o to f t i m ea n de n e r g yi nt h em o d e l i n ga n da m e l i o r a t i o no f3 - dm o d e l e v e r - i n c r e a s i n gv e h e m e n t m a r k e tc o m p e t i t i o nn e e df u r t h e re x p l o r ea n ds t u d yr a p i dd e s i g nm e t h o do fa u t o m o b i l eb o d yt o s h o r t e nt h ep e r i o do fp r o d u c td e s i g n p a r a m e t r i cd e s i g n , 嬲a ni t e mo fa d v a n c e ds t y l i n g t e c h n i q u e ，c a l lr a i s et h ed e s i g ne f f i c i e n c yg r e a t l ya n dc o n t r i b u t et ol i g h t e nt h ew o r k i n gs t r e n g t h o fd e s i g n e r t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h ep a r a m e t f i cd e s i g no fa u t o m o b i l eb o d yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt a s kp u r s u e db ye n t e r p r i s e sa n ds c i e n c er e s e a r c hi n s t i t u t e s b a s e do nu n d e r s t a n d i n gd e e p l ybs p l i n ec u r v ea n dt h ep a r a m e 伍cf u n c t i o no fu g ，w e d e c i d et 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 gb 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 nu s ep a r a m e t r i cc u r v e st o d r i v ep a r a m e t r i cs 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 w et a k el i g h tt r u c kb o d yf o ra l le x a m p l et ob u i l das y s t e mw i t hp a r a m e t r i cf u n c t i o n f i r s t l y ，w ee x t r a c to u t l i n e so rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sf r o me x i s t i n gb o d ym o d e l ，a n dp r o c e s s t h e mt og e tt h ec u r v e so fm e e t i n go u rd e m a n d s i na d d i t i o n , w ee x t r a c tp r o p e rp o i n t sa n dt h e d e g r e eo fc u l w e sf r o mn e w c b l v e s s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fp a r a m e t r i cp o i n t sa n dc u l w e sb u i l tb ys k e t c h , w eu s er e l a t i v e p a r a m e t r i cf u n c t i o no fu g t ob u i l ds u r f a c ea n df u n d a m e n t a lb o d ym o d e lw ed e m a n d t h e n ， w ea d o p tt w oc o e f f i c i e n t sf o rc h a n g i n gc u r v e sa n dr a d i a n , a n dp r o c e s st h ed a t ao fb o d ym o d e l t or e a l i z ei t sp a r a m e t e r i z a t i o n , s ot h a tc o n t r o le f f e c t i v e l yt h em o d i f i c a t i o no f b o d ym o d e l t h i r d l y , w eb a s eo nt h ef u n d a m e n t a lb o d ym o d e lt ob u i l dd o o rm o d e la n dp r o c e s st h e o r i g i n a lp a r a m e t e ro f d o o rt og e tp a r a m e t r i cd o o rm o d e l f i r l a l l y w ed e v e l o p v i s u a lm o d u l ew i t h p a r a m 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 fu ga n dr e l a t i v et e c h n i q u eo fv c 十+ 6 o t or e a l i z ep a r a m e t r i c m o d i f i c a t i o no f b o d ym o d e la n dd o o r b ys t u d y i n go np a r a m e t r i cd e s i g no ff l a t - h e a dt r u c kb o a ya n dd e d u c i n gt ot h eb o d yo f s h o r t - h e a dt r u c k , w ef i s ho u ta ne f f e c t i v em e t h o df o rd e s i g n i n gb o d yw i t hp a r a m e t e r i z a t i o n k e yw o r d s ：a u t o m o b i l eb o d y ，p a r a r n e t e r i z a t i o n ，u g ，f u r t h e rd e v e l o p m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下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它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 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 建 f 时间：加慢厂年6 月眄日 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) 研究生签名： 导师签名： 之鬃 瞬幻 时间：u 睁6 月哞日 时间：7 卯年石月，够日 山东理t 大学硕l 学竹论文第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着国民经济的持续快速发展，轻型货车已经成为近年来汽车产量增长的主流车型 之一。随着公路通车里程的增加和道路质量的提高，重型车运输经济性好的优势逐渐显 现，中长途运输以重型货车为主力，而城乡之间、乡村之间的短途运输以轻型货车为 主。由于农村市场的快速发展，在上个世纪9 0 年代，具有中国特色的农用运输车发展 十分迅速，到9 0 年代末，四轮农用车产量已经超过5 0 万辆。到了9 0 年代后期，农用 车厂已经发展成大批量生产中低档位轻型货车汽车厂家，这极大地促进了车型货车的发 展。2 0 世纪9 0 年代初期，轻型货车产量同中型货车产量几乎相同，1 9 9 3 年以后，整个 货车产量处于徘徊和缓慢下降的状态，其中中型货车的下降更为明显，4 年之内从3 5 万辆跌到2 0 万辆以内，而轻型货车产量则一直在3 0 万辆线上维持，从2 0 0 0 年丌始出 现大幅度跃升，出2 0 0 1 年略有下降外，相当于每年增加1 0 多万辆的产量，到2 0 0 3 年 接近7 0 万辆。轻型货车已经成为近年来汽车产量增长的主流车型之一。 一方面，新兴的汽车厂家在轻型货车市场不断发展，获得了巨大的发展机遇；另一 方面，各汽车厂家所面临的市场竞争也日趋激烈，产品生命周期也日益缩短。市场的新 特点对企业，尤其是面对全球化市场的中国企业，提出了新的要求和挑战，同时也提供 了新的发展机会。市场的实践说明，只有那些能够对市场作出快速反应的企业才能获得 巨大的发展，例如，还在各农用车厂家生产农用车，正规的汽车厂家注重生产中重型卡 车时，北汽福田在进行大量市场调研的基础上，看出中低档轻卡车的巨大空缺，迅速推 出福田轻卡等系列车型，快速占领市场，取得了巨大的经济效益。而目前，市场竞争的 重心正逐步转移到要求企业能够不断地快速推出新产品，以及能够对个性化的需求做出 快速反应上来。总之，快速创新设计和快速定制设计正成为未来设计的关键技术。 鉴于用户个性化、多样化的需求，必然要求产品的系列化，多样化。然而，按照传 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，相关标准的零部件产品易于实现标准化，系列化，但涉及具有复杂曲 线曲面的汽车车身却捉襟见衬。而对于汽车，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，车身丌发设计的费用及时间占据了大量的 整车开发费用和时间，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 ：l 油泥模型、三维坐 1 山东理t 大学硕 j 学位论文 第一章绪论 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n 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。尤其是现有轻型货车车身的改型设计，变化 常常不大，可能是车身宽度增加或减少一点，也可能是车身长度增加或减少一点，而在 整车造型方面却没有大的改动。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 ，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 颖的汽车车身产品跚。 本文轻型货车车身的参数化设计研究即是以先进的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 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 参数化设计研究意义及实现方法 1 2 。1 参数化设计概述 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州盯。 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 工一个个重新进行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 情况下不会有太大的改变，用参数化造型技术可以很快开发出系列新产品嘲川刀。 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 2 山东理t 夫学硕l 。学位论文第，审绪论 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怕儿刚。 1 2 2 车身参数化设计的意义 参数化造型设计对提高企业的市场竞争力的具有重要意义。 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 业的开发成本。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丌发能力的基础上，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。 第三，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，缩短了产品丌发周期。 就汽车而言，一个车型的改变往往就是车身的改变。而且，车身作为汽车的四大总 成部分之一，其开发设计在很大程度上决定了新车型的开发周期。据有关资料表明，车身 开发设计的费用及时问约占整车开发费用和时间的7 6 ) 9 6 。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，谋求快速地开 发外型美观、款式新颖的汽车车身产品。本参数化设计方法 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晡。 1 2 3 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 3 山东理t 人学硕 ：学位论文 第一章绪论 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n un 习0 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n 幻。 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 na 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，为进一步的设计与研究打下基础。 1 3 主要三维c a d 系统的参数化功能介绍 自从p t 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 0 1 0 盱c 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 sm a s t e rs e r i e s ，法国d a u s s a u l ts y s t e m 公司的c a r l 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。所有 这些软件都提供了零件模型的参数化能力，基本都有自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 已经成为各三维c a d 系统功能的主要性能指标之一。下面主要介绍一下流行的三维软 件u g 和p r o e n g i n e e r ： ( 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。其一，u gn x 通过草图的办法来实 现参数化功能。它在草图绘制的过程中自动生成约束，通过捕捉造型的过程中的几何和 尺寸约束，能生成完全约束的的几何体，且用户可随时修改约束。约束类型是3 d 的， 而且可用来控制参数曲面。其二，u gn x 提供参数化的特征造型手段( 回转、拉伸 等) ，以及在基于约束的造型环境中支持各种传统的造型方法( 扫掠、通过曲线网格、布 尔操作、曲面缝合等等) 。用户可查询和显示所有类型的约束。主要缺点是不允许在零 件间定义约束，数据关联是从设计模型单向地传到其它应用中。系统能完善地处理各种 类型的视图，一旦设计模型发生了变化，各视图会得到自动更新。其三，u gn x 参数 化方面的特色还在于u g w a v e 技术。u g w a v e 产品设计技术提升参数化建模技术到 更高级的系统与产品设计。它的产品结构的独特概念代表一个系统级的设计方法。在其 中，高级结构和参数化产品布局可以简单地由关键工程准则驱动和控制。这些准则用于 4 山东理t 人掌硕l4 学位论文第。章绪论 ! i , 一i _ i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量皇皇曼曼皇曼皇曼曼曼鼍 控制产品装配模型和其组件的位置与几何体。这项参数化技术，基本上代表了当今技术 在这方面的发展现状。它采用简化和关联的方法，将产品抽象为一个控制结构，包括 2 0 3 0 个全局变量，主要用于系统及概念化的设计，其第一部分用一个简单实体来替代 复杂的详细组件，系统级改变的结果通过单向的关联关系可以传递到对应的详细组件 中。w a v e 技术的另一个特点是允许施加零件问局部变量的关联，这也是目自玎常说的 自适应技术的发展基础。w a v e 技术的先进之处是将概念化模型与详细设计模型区分 开来，同时又存在关联关系，可以提供更便捷的概念化设计手段，也有利于概念设计与 详细设计的并行开展。但w a v e 技术的本质仍然是全局变量技术，主要擅长于解决大 型产品的概念设计问题，对产品级参数化详细设计中的一些问题还不能有效解决”驯1 1 4 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 e n g i n e e r 主要通过记 录设计历史来捕捉设计意图，设计历史的操怍顺序可以被修改。虽然它不支持布尔以及 其他局部造型操作，但它提供了其它一些很好的特点，其中之一就是全局设计参数的引 入。全局设计参数定义了基本的设计参数和特征由于很多其它参数可能定义为与这些 全局参数相关，所以可以用它们来实现融化的设计修改。p r o e n g i n e e r 还提供双向系统 支持各零件间的约束。所有几何必须完全约束，不支持欠约束。p r o e n g i n e e r 强大的参 数化功能，造就了它在三维软件市场的地位，并得到广泛应用。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，这有些美中不足，其在曲线曲面的参数化功能方面还有 待进一步完善。 在国内各汽车厂家，p r o e n g i n e e r 多用于汽车底盘及相关零部件的设计，而对于汽 车车身，则多采用u g 作为设计工具。因此，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 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部分( 发动机、底盘、车身和电器) 之一。车身外形是由具有 空间曲面外形的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 艺术相结合的工作，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 5 山东理1 大学硕i j 学位论文 第一章绪论 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，再从中初步选定一种满意的方 案。然后，即可着手雕塑1 ：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1 ：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 形 轮 廓 初步设计技术设计 交付生产 图1 1 传统的车身外形设计过程 2 技术设计 初步设计所进行的几步，无论从平面到立体、从纸面到模型，其尺寸都是小比例 的。将小比例的模型放大成l ：1 的实物，不单纯是尺寸上的改变，同时还经历的由量 变到质的变化。中看的小模型经放大成实物以后，却不一定好看。因此，尽管缩小比例 的图纸和模型给初步设计工作带来了制作和修改上的方便，但还必须审查放大以后的效 果，这就是技术设计的任务之一。绘制1 ：1 线型图，以发现和修正前一阶段初步设计 中小模型上所暴露的问题：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；绘制车身主图板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；绘制车身零件图约占整个工作量的5 0 0 , - 4 5 0 。样车试制和试验的目的主 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，待产品正式定型后即可转入制造车身主模型；主模型是 6 山东理t 大学硕 学位论文第一幸绪论 重要的设计资料之一，同时也是作为制造冲模、胎具、装焊央具、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。 总的来说，按照传统设计方法，所需人力、物力和财力比较大，设计工作量大， 周期长，需要手工制作许多实物模型；而且误差大，各设计阶段之问数据传递过程复 杂，不准确，设计精度不能保证；车身定型过早，若是在定型的后续设计中发现有重大 的缺陷必须修改原设计，会带来相当大的浪费。 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n 1 。 i 制定设计任务书雕塑1 ：8 油泥模型模其设计及制造 il l 总布置图三坐标测量或激光扫描生产准备 il l1 5 j 燹影效果图计算机造型及绘图 i 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，车身线图和主图板也都通过计算机内数学模型来表达，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，方便准确。比汽车车身的传统设计方法有了明显的进步n 鄙n 引。 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l ：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 技术同益标准 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、三维渲染、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，如美国波音公司应用u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 的u g 软件对波音7 7 7 飞机制造的c a d c a e c 从全过程已实现了无纸化。同 样，在汽车工业中c a d c a e c a m 得到了广泛应用。国外各大汽车公司及设计公司也已建 立了相当规模的成套的软件、硬件系统，运用三维c a d c a m 技术替代了“主图板、主模 型为主的传统设计方式。以下是无实物设计流程，如图1 3 所示憎1 。 7 ， 山东理t 火学硕i ：学位论文 第一章绪论 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n 7 1 。 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 8 山东理t 大学硕1 学位论文第一章绪论 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n 引。 对于如何有效实现曲线曲面的参数化，一致是研究人员探讨的一个问题。而汽车车 身车身壳体是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件所组成，具有复杂的曲线曲面，较 难实现参数化。因此，尽管人们热衷于研究各种产品的参数化，包括汽车底盘的参数 化，但该技术往往局限于标准或定型的零配件的设计，或者在产品的局部实现设计修改 的自动化，而对于车身的参数化研究，人们却望而止步，几乎很少有人涉猎这方面的研 究。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；也偶尔有对客车车身的参数化问题探讨。但总的说来，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，则几乎更是空白u 刚。 1 5 研究内容及章节安排 本课题的研究内容：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；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，建立具体部件的参数化模型；运用u g 的二次丌发工具及 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进度为线索，章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景，参数化设计的基本概念，研究意义，其及 实现方法，车身设计传统设计方法、现代设计方法以及目前研究的趋势等。 第二章主要介绍了b 样条理论及曲线曲面造型的基础知识和u gn x 系统功能。 第三章以u gn x 为工具，建立轻型货车车身的参数化基本模型及参数化车门的造 型过程。 第四章以v c + + 6 o 及u gn x 的二次开发相结合，开发参数化模块，实现完整的 参数化设计。 第五章，对本课题的研究及论文工作的总结。 9 山东理t 人学硕l 学位论文 第二章车身造型基础与u g 功能简介 2 1b 样条理论 第二章车身造型基础与u g 功能简介 汽车车身的外形表面多属于自由曲面。在计算机辅助设计几何中，有多种方法可以 实现自由曲面的拟合和插值，如数学参数形式，c o o n s 曲面，b 6 z i e r 方法，b 样条法 等。数学参数形式的曲线曲面并不能满足实际复杂多变的要求；孔斯曲面存在形状控制 与连接问题；虽然贝齐尔方法简单易行，且能有效地解决整体形状控制的问题，但仍存 在连接问题和局部修改问题。美国通用公司的g o r d o n 和r e i s e n f e l d 将b 样条理论应用 于形状描述，提出了b 样条曲线曲面。它继承了贝齐尔方法的优点，克服了贝齐尔方 法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续基础上解决了 连接问题。目前，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口妇嘲。 2 1 1b 样条曲线 b 样条曲线有多种表示方式。b 样条曲线方程可按控制顶点方式定义如下： p ( ”) = d ，l 土( “) ( 2 1 ) i = o 其中，d j ( i = 0 , 1 ，刀) 为控制顶点。n i 上 ) ( 汪o 1 ，刀) 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的递推定义，即德布尔考克斯递推公式： 州加位 箩材i o ，f - o ，1 ，刀+ k 。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 + l ，所有内节点均匀分布，具有重复度l 。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c o i e c e w i s eb 6 z i e rc 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 + l 所不同的 是，所有内节点重复度为k ，即有： r” i 常数 0 ，f = 2 k ，允= 1 , 2 ，孚 f 2 1 庀 10 ， i = 2 k + j ，j = 1 , 2 ，k l 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，即门足= 币整 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 = 【“。，u m + 。】，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 + l ，内节点重复度k ) 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 + 1 。 l l 山东理t 大学硕f j 学位论文第二章下身造犁幕础与u g 功能简介 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。它目前已成为 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 1 2b 样条曲面 假如给定时1 ) ( n + 1 ) 个控制顶点z ，= o ，l ，m ；j = o ，1 ，力) 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 = k ，“胛m 。】以及v = k ，1 ，l ，一以+ ，+ l 】。这样就定义了一张七z 次张量积b 样 条曲面。其方程为： p ( u ，v ) = d l i ( u ) n j s ( 1 ，)甜甜舶+ i ，v f v 1 ，州( 2 3 ) 其中，b 样条基f j ( 甜) ( f - o ，1 ，朋) 与m ，( v ) ( ，= o ，1 ，胛) 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 1 3 有理b 样条曲面 2 1 3 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 n a lb 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 锡谚坛 荆= 号一( 2 4 ) 殛心 扛0 其中c o , ( i = 0 ，1 ，刀) 称为权或权因子( w e i g h t s ) 。首末因子c o 0 ，其余q 0 ，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： 】2 山不理t 入掌坝f j 学位论义第一二审7 f ：易造型皋础ju g 功能两介 i i p ( “) ：窆d ，尺j ( “) ，其中r ( 功：掣( 2 5 ) 脚哆m(功 j = 0 齐次坐标表示： r 。、 p ( 甜) = h e d , n ， ( u ) ( 2 6 ) la = 0j 其中d j = h zq 】为所给控制顶点d 。( f = o ，1 ，刀) 的带权控制点( 或齐次坐标) 。 从