Class_A曲面在汽车车身外形设计上的应用3.docx

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1、Class-A曲面在汽车车身外形设计上的应用迅利科技 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 CAT IA software, and the technical requirements and creation methods of Class-A surface are discussed. In the end, take the surface mo

2、deling 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曲而建模有关的概念和CATIA V5软件Class-A曲面造型功能 的利用方式，还论述了 Class-A曲面的技术要求与生成方式，最后以某车型的发动机罩外板 为例，提出了 Class-A曲面的实际造型方式。Topic words： Auto-body, Shape design, Class-A surface, smooth关键词：车身，外形

3、设计,Class-A曲而，光顺1 .前言目前，我国的汽车工业，专门是轿车工业正以前所未有的速度进展。各汽车公司为了迅 速地占据汽车市场，取得更大的市场份额，纷纷推出样式新颖、性能良好、价钱适中、乘坐 舒适的汽车产品，以知足广大汽车用户的需求。车身是汽车产品的外衣，它不仅阻碍汽车造型的外观质量，而且也阻碍汽车的乘坐舒适 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 采纳CATIA V5 Class-A曲而功能进行汽车车身外表而设计的方式。2 .与Class-A曲面建模有关的概念在

4、具体采纳Class-A曲而功能进行汽车外形设计以前，有必要介绍与此相关的概念。 曲面片曲面片是构造曲面的大体单元，它是由两个参数u、v来表示的。对曲面片而言，曲而 的u向参数值从0到1, v向参数值也从0到lo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能够给予不同的阶数，曲面u方向 的阶数等于该曲而在u方向的操纵点数,而曲而v方向的阶数等于曲而在v方向的操纵点数。曲面的几何持续性曲面的几何持续性是指两曲而在边界处两曲而间的几何持续性。持续性包括点持续、切 矢持续、曲率持续。光顺性光顺是一个工程上的概念，要紧包括滑腻与顺眼两个含义，它带有必然的主观色彩，并 由设计工程师依照自身的体

5、会作出判定。归纳起来，包括以下几个内容：曲线、曲面具有二 阶几何持续性，即滑腻性：没有多余的拐点：曲率转变较均匀；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 曲面生成功能简单曲而生成功能该功能能够利用两个点生成平而片，选取的两个点作为生成平面片的角点；也能够利用 四个点生成简单曲而片，这些曲面u、V方向可给予相应的阶值，它是曲而修改变形的基础。填充曲而该功能用于填充几何元素之间的间隙区域，其要求是参与填充的几个元素彼其间只能有 一个公共点。这些元素能够是曲线或曲而。用该功能能够填充以下类型的间隙区域：1）由曲面组成的区域（见图1所示）。2）由曲线组成的

6、区域（风图2所示）。3）两相交面组成的区域（见图3所示）。图3.开放域填充网格面该功能是一种基于曲线构造曲面的方式，它是由一组轮廓线和一组引导曲线插值所产生 的曲面。扫描面该功能是一种基于曲线构造曲面的方式，它是由轮廓线沿引导曲线按必然的规律运动、 转变所生成的曲面。桥接曲而该功能用于在两个已知曲面间生成知足给定几何持续条件的过渡曲面。桥接曲面与原始 曲面之间有如下几种几何持续条件。1）点持续：桥接曲面以两个已知曲而上的曲线为边界曲线来生成直纹而。2）切矢持续：桥接曲而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 而。3）曲率持续：桥接曲而以已知曲面上的曲线为边界曲线，并与已知曲面曲

7、率持续来生 成曲面。倒圆曲而在两个曲面之间生成给定连接条件的圆滑曲而。连接条件包括切矢持续和曲率持续。曲面修改功能利用操纵点编辑曲面这是一个功能超级壮大的曲线、曲面编辑工具。依照曲线、曲面理论，任意曲线、曲而 均能够采纳特点多边形或特点网格来表示，修改特点操纵点的位置能够引发曲线、曲而形状 的转变。该工具提供了丰硕的编辑操纵点的方式，采纳该工具能够完成如下编辑任务。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。该功能由以下几个部份组成：操纵点的移动方式操纵点有如下几种移动方式1）在平面内移动，操纵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，操纵点在指定的

8、方向进行移动。3）沿网络线方向移动，操纵点在网格线方向进行移动.4）沿局部的切矢方向移动，操纵点沿切矢方向进行移动o5）沿局部的法矢方向移动，操纵点沿曲面的法矢方向进行移动-所选操纵点的转变规律操纵点的转变规律有如下几种方式1）平行移动，所选操纵点一路平行移动。2）线性移动，所选操纵点线性移动o3）凹型规那么移动，所选操纵点按凹型规那么移动。4）凸型规那么移动，所选操纵点按凸型规那么移动。5） S型规那么移动，所选操纵点按S型规那么进行移动。对称编辑功能在曲而编辑修改中，咱们能够概念一个对称平面，使编辑的曲面具有对称性，这在汽车 车身外形设计上是超级有效的。网格优化在曲面编辑修改中，常常会使曲

9、面的网格变得很混乱，如此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，如此就确保生成的曲而具有良好的内在质量。曲线、曲而光顺在CATIA的曲而编辑功能中，提供了曲线、曲面的光顺处置功能，能够对整个曲线、曲 而进行光顺处置，也能够对曲线或曲面的局部进行光顺处置，如此就为曲线、曲面的光顺提 供了方便的手腕。把操纵点投影到平面上CATIA的曲面编辑功能提供了把网格操纵点投影到概念的平面上的功能，这一功能在汽 车外覆盖件的Class-A曲面造型中是超级有效的。为了使曲面间有良好的几何持续性，最好 的方式是先把曲而概念成矩形形状，然后把曲面的所有u、v方向网格线别离投影到不同平 而

10、上，使组成曲面的所有网格曲线具有均匀、整齐的散布。如此处置的优势是：幸免曲面内 部产生扭曲变形；曲而匹配处置后，匹配曲面间会产生很合理的曲面网格散布，确保造型质 量：如在通过操纵点投影到平而上的优化处置后的两个曲面之间，创建桥接曲面，如此能确 保待生成的桥接曲而具有整洁的曲面网格散布。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 在匹配边界上知足必然的持续条件（点持续，切矢持续，曲率持续）。曲而匹配是Class-A 曲面创建进程中超级关键的步骤。因为汽车外表而件（如发动机罩外板）是由许多块曲面组 成的，在各块曲而生成后，必需把彼此连接的曲面，进行曲而匹配

11、处置，以生成造型所需的 曲面。如两曲而间要达到曲率持续，那么就需要曲而间进行曲面曲率持续匹配处置。为了使 曲而匹配达到较为理想的状态，必需对待匹配的曲面进行变阶数和网格优化处置。如在两曲 而连接线的垂直方向，把它们的阶数概念为相同，而且在那个方向上两曲面的特点曲格线最 好散布在同一平面上，如此就会使匹配后的曲面，可不能产生扭曲变形，并具有整洁的曲而 网格。拟合到几何体该功能能够把一条曲线或一个曲而按指定的条件拟合到点云数据上，咱们能够指定曲线 或曲面的阶数，和指定曲线、曲面的张量系数和光顺系数，来拟合曲线和曲而。曲面整体变形该功能能够对一组曲而进行整体处置，并维持被变形曲面间的彼此逻辑几何连接

12、性关 系，它是一个功能很强的曲面编辑功能，常经常使用于多个曲面的整体变形处置，并维持原 有曲而的连接性关系。曲面延伸处置该功能用于改变曲线或曲面的长度或大小。曲线或曲面的延伸能够是按切矢或曲率延伸 处置，以知足设计要求。几何操作功能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而能够 被恢复，它只是从头限制了曲线或曲面的范围。另一种是修剪后的曲线或曲而不能够恢复, 它是对曲线、曲面从头进行参数化处置。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。连接几何体该功能用于把多条曲线或多个曲而连接成一条曲线或一个曲面。几何分析功能咱们能够利用CATIA的分析功

13、能完成所有几何元素的各类分析和检查工作，以确保所生 成的曲线或曲而知足设计者的要求。环境映像分析(Environment Mapping)该功能是通过样本环境图像投影到曲而上而取得的映像来分析曲面质量的一种分析方 式。曲而斑马线分析检查(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而质量的方式，它是 一种检查曲而质量的最多见的方式之一。如在被检查的曲而上生成散布均匀的斑马线，那么 说明被检查的曲面是光顺的高品质曲面：如在被检查曲而上所生成的斑马线显现了旋涡，那 么说明被检查曲面在旋涡处，曲率转变不均匀或显现了拐点。如在两曲而相接处，斑马线散

14、布均匀、合理，那么表示两曲面在相接处，曲而具有良好的持续性，知足了曲面曲率均匀转 变的要求：如在两曲而相接处，斑马线显现折线，那么表示被检查的两曲而在相接处，曲率 转变较大，不能知足曲而光顺性要求。曲而断而线分析该工具分析曲而品质的方式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，即断而线的质量，来判定曲面的质量。该方式也是一种常见的曲而质量评判方式。为 了较为准确地判定曲面的质量，咱们能够合理地概念两相邻平而之间的间距，生成一组能反 映被检查曲面特点的断面线，同时也能够把断面线的曲率散布图打开，以便详细地观看曲而 在各个断面上的曲率散布情形，准确地判定曲而遍地的曲率散布状况。几

15、何持续性分析该工具用于分析两曲面间的几何连接性关系，能够分析两曲面在连接处的点持续、切矢 持续、曲率持续等几何持续性的状况。这种方式是用于判定两曲面在相接处的几何持续性的 要紧方式。曲而反射性分析该工具是将给定数量和位置的定灯光照射到被检查的曲面上，用户从必然的位置去观看 曲面对灯光的反射成效，来分析曲面的质量。4. Class-A曲面的技术要求和生成方式Class-A曲面的技术要求Class-A曲面的具体技术要求是：1) Class-A曲面必需是光顺曲面；2) Class-A曲面的特点网格线必需均匀合理地散布，最好在某一投影面上以矩形方式 散布：3) Class-A曲面的特点网格行点上表示曲

16、而曲率方向的箭头最好指向一致：4)两相邻曲而在与两曲面相接线的垂直方向，两曲面的阶数最好一致，如此在曲面匹配处置后，可不能产生没必要要的曲而扭曲变形。Class-A曲面的生成方式Class-A曲面的生成步骤是：1）先用一个阶数较小的曲而进行拟合，一样是4x4阶曲而，如此就能够较容易地调整 出一个较为近似的曲而。该曲面的大体特点是拟合精度不是太高，但曲面光顺性良 好。2）如4x4阶曲而不能专门好地拟合点云数据，那么采纳提高曲面阶数的方式，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。一样的Class-A曲面的阶数是6x6阶，最多不超过8x8

17、阶。 理由是6x6阶的曲而一样能对曲面进行较好的拟合，能够知足曲面拟合精度要求， 而且也可不能对曲而调整带来许多困难与工作量。3）曲面精细调整时，有必要把曲而上所有的横向、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，对相邻曲而进行匹配处置，以生成曲率持续的曲而组。5）采纳各类曲面质量检查工具，判定曲面的生成质量，以便做出相应的修改，来知足 车身外形设计的技术要求。6）对曲面进行修剪处置，以生成给定大小与范围的曲面形状与边界。5.应用实例咱们以某车型的发动机罩外板为例，来讲明如何采纳CATIA V5软件的Class-A曲面造 型功能进行车身外形Class-R曲面的设计方

18、式。点云数据处置在利用点云数据进行Class-A曲面造型以前，必需对点云数据进行处置，以生成创建 Class-A曲面所需的点云数据。点云数据的输入进行CATIA V5的点云处置模块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。 点云数据的过滤点云数据有如下两种方式进行过滤：1）球过滤法为了对点云数据进行有效地过滤处置，可概念一个半径为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

19、中间点与直线之间的垂直距离小 于指定的弦高误差值，那么中间点被过滤掉，这是一种高效的自适应点过滤方式。点云数据的删除为Class-R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”。咱们明 白，由于被扫描零件的表面状况，扫描时的电流、电压稳固性、周围环境的振动等缘故，常 常会在扫描数据点中显现跳点、跳行等不良数据点，这些数据点如不去除掉，必将会阻碍后 续造型的精度，因此有必要把这些坏点从点云文件中删除。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，咱们往往把点云数据处置成彩色 渲染的图片，它是点云数据组成的三角片图像。点云数据的剖切点云数据的剖切是指利用平而去切割

20、点云数据，生成一组剖面线的方式。点云数据的剖 切有如下几个作用：为后续造型预备所需的断面形状：为生成零件上的特点曲线提供基准： 为检查所生成的曲而与原点云数据之间的误差散布规律提供基准。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，也是可否创建出理想的Class-A曲面 的关键所在，而创建高质量的Class曲而也需要许多技术与体会。曲面分块曲面分块必需依照被造型零件的形状特点、所选曲而的类型、曲面的阶数等方面来综合 考虑。对发动机罩外板而言，具体的分块方式是：发动机罩外板的中间主体曲面一样由两块 6x6阶的曲面来拟合，靠近挡风玻璃侧的曲而沿车身坐标系的X方向的长度较大；而靠近

21、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。如此处置的目的是：由于发动机罩外板头部的形状的转变较大，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，用如此两块曲而进行拟合，就能够较好地解 决曲而光顺和拟合精度的问题。发动机罩外板双侧的两块曲面一样由两块6x4阶的曲而来拟 合，曲而在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，因曲而在Y轴方向比较平坦，故4阶曲面就能够专 门好地拟合点云数据。发动机罩外板两棱线处地曲面，可采纳桥接曲面来拟合。曲而创建中间曲而的创建中间曲面的

22、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阶的简单曲而。2）利用操纵点编辑功能，选择法向移动方式和凸型转变规律来调整，使曲面逼近点云 数据，在移动操纵点的进程中，可动态地计算点云数据与待生成曲而间的误差值, 并以图像方式显示出来，供设计者做出精度方面的判定。3）当4x4阶曲而大约逼近点云数据时，咱们把曲面的阶数升为6x6阶，如此就为曲而 更逼近于点云数据提供了条件。当逼近精度大体上接近要求时，曲面进入精细调整 时期。4）曲面的精细调整要紧集中在曲面的特点网格的优化上，如采纳网格优化功能，或把 曲面的u、v向网格线投影到给定的平

23、面上等编辑处置方式，使曲而的特点网格取 得优化，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点：曲而 的所有u、v向特点网格线散布在不同的平面上，特点网格节点上表示曲面曲率方 向的箭头指定一致。棱线处曲面的创建发动机罩外板双侧的曲而生成方式与中间曲面的生成方式类同，那个地址再也不讨论。 下面将讨论发动机罩外板棱线处曲面的生成方式。1）依照点云数据，生成决定棱线曲而的两条边界曲线，这两条边界曲线必需具有保凸 性和曲线光顺性，而且这两条曲线的阶数操纵在8阶之内。2）把这两条曲线别离投影到中间曲而或双侧曲而上，然后利用曲而修剪功能，对中间 曲面和双侧曲面进行修剪处置，以生成所需的修剪曲而

24、。3）利用桥接曲而功能,选择在中间曲面和双侧曲而上的修剪边界限为待生成桥接曲面 的边界限，选择曲率持续方式，如此就生成了以修剪边界限为生成曲面的边界限， 且与中间曲面和双侧曲而知足曲率持续要求的桥接曲而。外形轮廓线和最终曲面的创建发动机罩外板曲而生成后，接下来的工作是创建发动机罩外板的外形轮廓线，依照点云 数据，生成发动罩外板的外形轮廓线。外形轮廓线的双侧必需与翼子板的对应轮廓线维持均 匀的间隙，轮廓线的前端必需与散热器面罩和前灯具的上边界限维持均匀的间隙。外形轮廓 线创建后，能够把这些曲线沿Z轴方向投影到相应的曲面上，并对相应的曲而进行修剪处置, 以生成发动机罩外板的完整曲而（见图4所示）。

25、图4.发动机罩外板曲面数模曲面品质评判咱们能够利用曲面斑马线分析检查功能、曲而断面线分析功能、几何连接性分析功能、 曲面反射线分析功能等分析手腕来检查所生成曲而的质量，发觉问题，及时对相应的部位进 行修改，以知足Class-A曲面的要求。6.终止语CATIA V5的Class-A曲而建模功能为汽车车身外表面的几何造型提供了极为丰硕的建 模手腕和曲而品质查验手腕，它已愈来愈普遍地应用于世界各大汽车公司的车身外形设计 上，并发挥了庞大的作用。参考文献1康展权.汽车工程设计手册设计篇.北京：人民交通出版社，2001oThe application of Class-A Surface in auto-body Shape DesignRP technology Ltd Lu Jinhuo Zhang Huibo Liu Wenlong卢金火：迅利科技工程部领导，研究员级高工要紧研究领域：汽车车身CAD/CAM、电子 样车、知识工程、模具CAD/CAM等。：长春市一汽集团公司名仕家忱I 302栋102室。：;电话