車身A級(jí)(Class A)曲面模型的構(gòu)造

1、車身A級(jí)(Class A)曲面模型的構(gòu)造Class A曲面是由CATIA軟件開發(fā)商Dassault System公司提出的新概念，主要是指車身零件中對(duì)外觀和形狀要求極高的曲面。本文從車身開發(fā)的角度，通過大量實(shí)例描述了車身Class A曲面模型的定義及創(chuàng)建方法，而車身曲面模型的光順是車身開發(fā)人員一直追求的目標(biāo)，本文提出了一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。 一、前言 車身設(shè)計(jì)方法從無到有，以及現(xiàn)在千姿百態(tài)的車身樣式，都應(yīng)當(dāng)歸功于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)展。從設(shè)計(jì)理念上而言，車身開發(fā)的基本思路并未發(fā)生根本性變化，依然是“概念設(shè)計(jì)總布置設(shè)計(jì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品”這樣一個(gè)流程。然而由于現(xiàn)代技術(shù)的介入，使車身的開發(fā)

2、周期大大縮短，車身的設(shè)計(jì)質(zhì)量大大提高。 車身外形的變化也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的演化過程，即箱式船形楔形光滑曲面過渡的外凸形，這一過程也得益于各種先進(jìn)技術(shù)的大量應(yīng)用，如三維圖形技術(shù)以及空氣動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)等。 現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)，尤其是外觀零件的設(shè)計(jì)，已經(jīng)完全擯棄了由二維轉(zhuǎn)三維的階段，而是直接由虛擬三維到實(shí)際三維。正是借助于先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具，車身開發(fā)周期才能由原來的4到5年縮短至目前的2到3年，甚至更短的時(shí)間。 Class A曲面設(shè)計(jì)，即完全在計(jì)算機(jī)三維虛擬環(huán)境下構(gòu)造合格的車身曲面的一種方法，是數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的典型應(yīng)用，它不同于圖板工作模式，使設(shè)計(jì)更加靈活，編輯起來更加方便快捷。隨著逆向設(shè)計(jì)

3、、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、基于分析的設(shè)計(jì)以及面向制造的設(shè)計(jì)等新方法涌入車身設(shè)計(jì)過程，基于三維的車身曲面模型設(shè)計(jì)越來越重要，在整個(gè)產(chǎn)品鏈中的地位也日益提高。 二、Class A曲面的定義 Class A一詞最初是由法國Dassault System公司在開發(fā)大型CAD/CAM 軟件包CATIA時(shí)提出并付諸應(yīng)用的，常譯作A級(jí)曲面，專指車身模型中對(duì)曲面質(zhì)量有較高要求或特殊要求的一類曲面，如外形曲面、儀表板和內(nèi)飾件的表面等。從CATIA V5版本開始，軟件中新增加了ACA(Automotive Class A)模塊，專門用于Class A曲面的設(shè)計(jì)。 Class A曲面與通常所說的光順曲面有相似之處，只不過Clas

4、s A特指汽車車身上的一部分曲面。依次類推，對(duì)于車身內(nèi)覆蓋件，如內(nèi)板件，其曲面稱為Class B、Class C等。 Class A曲面是既滿足幾何光滑要求，又滿足審美需求的曲面。 對(duì)于光滑曲面已經(jīng)有很多的研究結(jié)論，參照施法中和朱心雄的定義可歸納如下：1)曲面片滿足G2連續(xù)；2)沒有多余的拐點(diǎn)；3)曲率分布均勻；4)應(yīng)變能最小。 光順則包含光滑和順眼兩層含義，上面歸納的定義是對(duì)光滑的數(shù)學(xué)描述，而對(duì)順眼的衡量則是仁者見仁，智者見智，沒有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。曲面模型設(shè)計(jì)從始至今已有了四十多年的歷史，取得了很大的進(jìn)展，尤其體現(xiàn)在大型CAD應(yīng)用軟件包上，出現(xiàn)了很多曲面建模系統(tǒng)，如基于NURBS的、基于Be

5、zier的、基于B樣條的以及混合建模系統(tǒng)等，不一而足。而由Dassault System提出的Class A曲面，為業(yè)界所承認(rèn)并得到了廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠浜啙嵜髁恕?通過參閱一些資料，并且做了大量曲面和零件的設(shè)計(jì)工作，對(duì)Class A曲面的要求總結(jié)如下： (1)曲面片由B樣條方法(包括NURBS和Bezier方法)描述，節(jié)點(diǎn)向量采用累加弦長參數(shù)化法； (2)曲面在u，v方向上次數(shù)在三次(四階)至七次(八階)之間，最高不要大于九次(十階)； (3)相鄰曲面片滿足G2連續(xù)（曲率過渡均勻，至少滿足G1，特殊要求滿足G3）； (4)大的曲面片為全凸的(法方向指向曲面同側(cè))。 自由形狀描述理論在許多文

6、獻(xiàn)中都有詳細(xì)論述，現(xiàn)在總結(jié)的對(duì)車身曲面模型的更高要求，就是建立在這些理論的基礎(chǔ)上?，F(xiàn)在大多數(shù)CAD系統(tǒng)和曲面建模系統(tǒng)都是以B樣條作為自由曲線曲面的表達(dá)方法，而且國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已將NURBS采納為產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述的標(biāo)準(zhǔn)格式。NURBS方法是B樣條方法更一般化的表達(dá)形式，公式(1)是直角坐標(biāo)系下的B樣條曲線表達(dá)式，如下所示。 (1)在許多關(guān)于曲線曲面的文獻(xiàn)中，尤其是關(guān)于CAGD方面的文章中，都將三次作為自由曲線和曲面的標(biāo)準(zhǔn)形式。但是，在車身設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的不足，尤其是涉及到上文中提出的對(duì)曲線曲面的光順要求后。對(duì)于低于三次的曲線曲面，很容易看出其是不“自由”的，故在此不再贅述。由上述對(duì)曲面片

7、的光順約束條件可知，僅為三次的曲線曲面不可能滿足與相鄰（設(shè)曲線在兩個(gè)端點(diǎn)拼接，四邊域曲面在四條邊界上進(jìn)行拼接）曲線曲面拼接時(shí)的幾何二階連續(xù)性的要求。 目前，在通用和專用的曲面建模系統(tǒng)中生成曲線的次數(shù)可達(dá)21次，而若由用戶自定義，生成曲線的次數(shù)還能更高，但并不實(shí)用，而且高次曲面還存在以下不足：(1)導(dǎo)致曲面形狀易波動(dòng)；(2)增大文件容量，不利于存儲(chǔ)；(3)不利于數(shù)據(jù)交換。 Class A曲面標(biāo)準(zhǔn)的第三條是對(duì)邊界連續(xù)性提出要求，同時(shí)也是許多光順準(zhǔn)則的第一條要求，如圖1所示。 圖1 連續(xù)性問題的提出源于歷史原因，目前的CAD和多數(shù)曲面建模軟件的曲面生成方法均以四邊域?yàn)榛A(chǔ)，因此在曲面片與相鄰曲面片拼

8、接時(shí)，就需要同時(shí)滿足多條邊界的連續(xù)性要求。在機(jī)械CAD方面，簡單的曲面拼接要求切向連續(xù)即可，但對(duì)于汽車車身這樣對(duì)外形有特殊要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說，切向連續(xù)是最低的要求，G2是對(duì)多數(shù)曲面片拼接的要求，對(duì)于有些結(jié)構(gòu)和位置，要求滿足G3連續(xù)。G2連續(xù)又稱為曲率連續(xù)，多維參數(shù)曲線的曲率計(jì)算公式如公式(2)所示。 (2)三、車身Class A曲面模型的描述 車身曲面模型分為內(nèi)、外覆蓋件，而外形曲面對(duì)質(zhì)量的要求尤其嚴(yán)格，直接影響下面各項(xiàng)操作的順利進(jìn)行，如數(shù)控加工、模具沖壓以及裝配等。 在設(shè)計(jì)階段，車身外形曲面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能以整體來進(jìn)行，先不考慮具體的零部件分塊。將整個(gè)車身外形曲面視為一組互相連續(xù)的曲面片構(gòu)成的凸

9、殼，在保證各曲面片及拼接關(guān)系滿足上述Class A要求的情況下，再進(jìn)行分塊處理，詳細(xì)考慮零部件縫隙和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 曲面片劃分的準(zhǔn)則如下。 (1)在曲面曲率變化較小或比較均勻的地方，曲面片可以劃分得少一些。有些曲面雖然較大，因其曲率變化均勻，可將其視為一張曲面去造型。 (2)在曲面曲率變化較大或曲率變化不均勻的地方，尤其對(duì)曲率急劇變化的部位（如圓弧與直線的連接部分），應(yīng)將曲面分解為幾個(gè)曲面片分別造型，然后再進(jìn)行拼接，否則易形成皺紋面，這在車身造型中是不允許的。 (3)使劃分后的曲面片型值點(diǎn)越少越好，但前提是要保證型值點(diǎn)能夠控制曲面的形狀。 (4)使劃分后的曲面片盡量為四邊形域曲面，減少三邊封閉的退

10、化曲面。 車身曲面模型的設(shè)計(jì)是一個(gè)逐漸細(xì)化的過程，往往要經(jīng)過許多反復(fù)，不能一蹴而就。車身外形曲面構(gòu)建Class A 模型的步驟，如圖2所示。 圖2 車身Class A曲面設(shè)計(jì)流程發(fā)動(dòng)機(jī)罩的高光線檢查效果，如圖3所示。 圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩的高光線模型對(duì)于大面積的車身零件，用一張曲面片來描述很難滿足光順要求，圖3中所示零件為對(duì)稱件，由13張大小曲面片拼接而成，細(xì)實(shí)線為曲面片邊界。由圖3可以看出，曲面片之間邊界過渡處的高光線過渡均勻，每條高光線粗細(xì)比較一致，能達(dá)到曲率變化均勻的要求。 在車身Class A曲面模型設(shè)計(jì)的流程圖中，提到了細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，尤其是特征線和圓角的處理方法。曲面上過渡特征的處理實(shí)例，如圖

11、4所示。 先由基本曲線幾何邊界生成初始曲面，圖4中(a)由3個(gè)曲面片組成；(b)為光線檢查效果，可以看出在公共邊界處是不連續(xù)的，然后用曲率過渡的方法連接左右兩個(gè)大曲面，要求沿公共邊界嚴(yán)格曲率連續(xù)；圖(c)為光線檢查效果；(d)為著色渲染效果，可見特征線處曲面過渡光順、自然。 (a) 初始邊界(b) 簡單曲面(c) 光順過渡(d) 曲面渲染 圖4 曲面特征線的處理四、車身Class A曲面模型實(shí)例 車身外形曲面的曲率變化大，對(duì)光照效果要求高。在建模時(shí)，應(yīng)以先大曲面后小曲面為原則，盡量用大面積的曲面來達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。對(duì)每一個(gè)大曲面，要仔細(xì)檢查其邊界線曲率的分布，曲率梳的排列應(yīng)合乎設(shè)計(jì)要求。例如頂蓋，如圖5所示。 圖5 頂蓋曲面模型 (圖5-1為高光線檢查效果)橫向看，中間曲率最小，兩側(cè)曲率大；縱向看，從前到后則曲率變化趨勢(shì)是大小大，中間部分曲率達(dá)到最小。 如圖6所示，高光線呈對(duì)應(yīng)分布，且左右對(duì)稱，這樣得到的曲面模型才是合格的。 圖6 行李箱蓋曲面模型 (圖6-1為高光線檢查效果)因?yàn)楦髑嫫肂樣條方法表示，且次數(shù)在3到7之間，故內(nèi)部各小曲面片之間的光滑拼接沒有問題。需費(fèi)時(shí)的是由大曲面片拼接而成的零件曲面模型，在曲面片的四條邊界上(如有拼接要求)都應(yīng)滿足光滑拼接。對(duì)于小的過渡區(qū)域，則利用曲面混合技術(shù)進(jìn)行拼接，但也要保證光滑過渡，從而使零件的曲面模型不但拼接光滑，且光