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

欢迎访问e展厅 展厅 4 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)

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