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用Imageware进行车身A级曲面设计
作者:武汉理工大学汽车工程学院 王征 钟绍华
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汽车与公路设备展厅
乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ...
近年来,在汽车制造行业中的车身设计A级曲面成为人们普遍关注的话题。A级曲面(文中简称A面)一词最初是由法国达索公司在开发CAD/CAM 软件CATIA时提出并开始应用的,是指对曲面质量要求较高或有特殊要求的一类曲面。早期的汽车工业对车身曲面有这样的规定:车身外表面,白车身为A面;依次往下不重要的面为B面,如内饰面;不可见的面为C面。但是随着美学和舒适性的要求日益提高,汽车内饰件也要求达到A面的特征。因此更加合理的A级曲面定义应为:所有可见表面都要成为A面;不可见表面为B面。

一、A面的设计准则

A面代表着曲面的质量,这容易使人想到光顺曲面,不过对A面的要求要比一般的光顺曲面更加严格。从工艺上讲,A面必须符合相邻曲面间的间隙在0.005mm以下,切率改变在0.16度以下,曲率改变在0.005度以下的标准,这样才能确保曲面的环境反射不会有问题。当对曲面进行高光线评估时,显亮的曲线应该有一个共同的曲率特征,即等高线连续且过度均匀、逐渐的发散或收缩,而不是一下子汇集消失到一点。从美学角度的考虑,A面应该满足和光顺曲面相同的要求,即避免在光滑表面上出现突然的凸起、凹陷等缺陷;曲面过渡时,应至少是满足G2连续。

在车身曲面创建中,应尽可能以整体来进行,先不考虑具体的零部件分块,将整个车身外形曲面视为由一组互相连续的曲面片构成的凸壳,在保证各曲面片及拼接关系满足A面要求的情况下,再详细考虑车身的细节特征。按车身覆盖面积和造型优先级分,曲面元素可分为基础面(如车门玻璃面、顶盖和挡风)和特征细节(如棱线和倒角)两类。

设计基础面时,严禁采用非四边域的形式构建。其U/V段数必须为1,如果是Bezier曲面,其阶数不能超过7;如果是B样条曲面,其阶数不应超过6。构建初始,必须先确定曲面是否对称,以及U/V是否正交。 大部分基础面是单凸曲面,这类曲面可分为球形面(高斯曲率为正)和鞍形面(高斯曲率为负)两种。如果基础面非单凸(如S形,多为过渡面),必须在构建时就加以明确。以曲线为基础构造基础面时,曲线在保证高质量的同时务必要简洁。建模前应先确定参数化方式,以避免建立曲面时产生交叉节点或增加数据量。对于特征细节,则需要求其位置、消失区域与造型设计完全一致即可。

二、Imageware软件及其特点

1.Imangeware软件介绍

Imageware是著名的逆向工程软件,广泛应用于汽车、航空和消费家电等领域。它的发展方向是将高级造型技术和创意思维推向广义的设计、逆向工程和潮流市场,其最终结果就是使加速设计、工程和制造的集成、速度和效率达到高水平的解决方案。允许设计者自由地凭直觉创建,同时能够在3D环境下快速地探究和评估形状设计。在捕捉物理模型的设计意图和快速后续应用方面(如FEA或CAE创建曲面,构造完美的高质量曲面,或是检测几何的质量和精度方面),能够满足艺术家、设计师和工程师对自由曲面造型的严格的要求。

2.Imageware构建曲面的特点

Imageware能够最大程度地保证构建模型的美观、真实和曲面的光顺。通过直觉造型工具,使用者可以利用曲线、曲面或者测量点来创建自由几何。动态曲面修改工具则允许设计变更以交互的方式进行探究,并立即将设计所蕴涵的美学和工程信息可视化。实时诊断工具的使用对加工前的曲面质量提供了全面的分析,包括视觉上的分析和定量分析,消除了产生错误猜测的可能。这些工具可作为一种手段来识别曲面曲率和高光效果,以发现曲面瑕疵、偏差和缺陷。高效的连接性管理工具则保证了曲面间的完美过渡。

三、Imageware构建A面的方法

1.点云数据规划

Imageware能够用高斯滤波法滤去点云数据中的噪声,再将数据拼接成一个整体,然后对全部点云数据进行规划。其中点云数据分割是规划中的重要环节。如果数据分块得当,不仅曲面的建构会变得简单,A面的光顺性也会得到很大提高。曲率分析法是数据分块的一种常用方法。车身表面的棱线和过渡线可以通过曲率的变化加以判定。

2.创建基础面

创建基础面时,应尽量将点云数据分为多个四边形子域,并且使每块分得的数据尽可能大,这样有利于曲面的重建。在拟和四边曲线时,要选用相同的参数,以避免生成的曲面局部扭曲,质量不好。然后增加面的阶次并编辑面的控制点使其达到足够的光顺与精度。在构建过程中,如果对曲面控制点的数量与排列不满意,可以通过Specify Span功能来制定控制点的数量,同时可以选择控制点的排列方式。设计人员可以借助截面线与点云作比较,帮助引导曲面编辑,使曲面能够拟和点云。这是一个无限逼近的过程,需要借助Molding Option功能来实现动态的观察。在调整控制点时,应先调整一个方向的控制点,使其贴近点云,之后再调整其他方向,同时打开曲面诊断工具,帮助控制曲面品质。

3.曲面间的过渡与拚接

基础面创建后,对相邻的基础面必须进行过渡匹配处理。曲面之间的过渡曲面应满足给定的几何连续条件。连续曲面的种类可以自己设定。在两个曲面进行拚接处理之前,必须保证拚接的曲面阶次的定位相同,而且两曲面的特征网格线应分布在同一平面内,这样就会使拚接后的曲面不会产生扭曲变形。

4.曲面质量检查

曲面创建后,进行渲染并初步检查曲面的质量。首先可以通过曲面曲率动态显示曲面U向和V向的曲率变化与可控制的显示曲率参数变更。然后检查一下各曲面倒圆之后的连续性,连续性误差值完全在设计师拟定的A面所要求的范围内。再用反射线法,高亮显示曲面的流畅外形。直到最终达设计师的要求。Imageware提供了诸如任意截面的连续性、曲面反射线情况、高光线、光谱图、曲率云图和圆柱形光源照射下的反光图等多种检测工具,在曲面构建的任何时候都可以检查曲面的准确性、光顺性和连续性,为判断和修改曲面提供依据。

四、车身A面设计实例

应用Imagewarer完成某概念型电动车车身外形曲面的构建,经光顺优化后使其满足A面的标准。图1所示是利用扫描仪测量的车身模型的点云数据,图2所示是基于曲率法表示的该车车身的轮廓线图,它为点云数据的分块提供了很大方便。图3所示是最终利用Imageware的构建A面的方法生成的车身外形曲面模型。

本例中需要注意以下几点:

1.在保证能够捕捉到体现设计特征及风格线索的前提下,如果一些质量不好的噪声点影响了整体设计质量,应将它去除。

2.在这个捕捉、体现和筛选的过程中,要通过反复使用Imageware中的诊断工具,来帮助我们从不同角度观看曲面反射光的反射情况。

3.观察整个车身不同曲面片的实际曲率变化,仅仅让生成的曲面准确符合测量点也是远远不够的,A面的标准也必须考虑进去。


五、结论

在曲面造型领域中,A面的设计越来越受到关注。尤其是在汽车的车身设计中,A面凭借其高品质的视觉感受,已成为汽车产品的竞争利器。目前,Imageware的高级曲面构建功能和质量评估功能使其在汽车车身A面构建中的使用越来越多。除了汽车工业外,许许多多其他行业的厂商在其产品的设计和生产过程中,也需要生成像A面一样的曲面。因此,Imageware在A面设计的表现,足以使设计流畅的产品外形工作变得更加轻松自如。

原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/30/2006)
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