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CATIA在拖拉机车身曲面设计中的应用研究 |
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当今计算机图形学的发展日新月异，给当代的工业设计提供了极大的便利，目前使用三维实体模型的设计软件已经彻底地改变了传统的工业设计模式，向工业设计提供了一个崭新的创作平台，通过正逆向设计，使产品造型在研发设计之初就能够通过计算机三维模拟出来，然后对其进行虚拟装配，在产品末生产前就呈现出具体的三维空间立体模型以供设计者比较分析，进而任意修改以提供多种方案。
1 CATIA软件的特点
CATIA是IBM公司的个广泛的CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)/CAE(计算机辅助工程)/PDM应用系统，CATTA外形设计和风格设计对设计零件提供了广泛的集成化工具，该系统具有很强的曲面造型功能，故可以采用该软件对拖拉机车身曲面进行设计。CATIA在被研发之初便是被定义于在汽车车身建模的基础上，但随着时代的进步，软件的发展，它已经基本适用于各种设备三维建模的需要了，比如手机的模具等。对于拖拉机车身曲面的造型也可以参考CATIA对汽车车身曲面造型的方法，但是造型设计时要适应拖拉机自身造型的特点，比如曲面光顺性不高但是结构强度要求比较高等一系列拖拉机车身的特点。拖拉机车身结构造型工作主要用到了CATIA软件包的线架构与曲面设计(Wireframe and Surface Design )、自由造型( Freestyle)和草图跟踪( Sketch Tracer)模块。
20世纪50，60年代，拖拉机车身造型多采用曲面、曲线、大圆弧过度的造型方式；70年代，出现直线、平面构成的梯形小圆角过度的造型风格；随着现代工业发展以及审关观的不断进步，当今拖拉机车身外形逐渐向汽车车身造型设计方向靠拢，大曲面、小圆弧、楔形渐成为主流采用CATIA软件可以建立出精确的拖拉机车身3D曲面模型，它能够精确地反映出造型师的意图，使造型师设计的现代复杂、优美、流线型的拖拉机曲面得以实现。这也是引入CATIA对拖拉机车身曲而进行设计的目的。
2 在拖拉机车身造型设计建模中的应用
2.1 车身曲面设计流程
当代的拖拉机车身一些复杂的轮廓是由不规则的三维曲面构成，车身设计是拖拉机车型开发系统工程中最为基础的一个环节。拖拉机设计包括车身结构设计和车身造型设计。拖拉机造型设计是车身设计的最初步骤，是机车设计最初阶段的一种综合构思，它是车身CAD/CAM设计方法的一个主要工作，为以后车身结构的有限元分析、工艺设计及模具制造提供基础。为了在设计和制造两个部门之间更好地进行数字化衔接。便提出基于CATIA的拖拉机车身曲面设计理论。具体造型设计流程图如图1所示。
图1 车身造型设计流程框图
Fig.1 Flow Chart of Module and Design of Body
2.2 车身曲面设计及曲面分块
拖拉机车身是指拖拉机除发动机和底盘外所有零部件的总称。拖拉机车身造型设计主要是根据一些美学、形体组成、色彩和装饰等方法，使拖拉机车身外型轮廓达到协调统一的设计方法。随着农业机械的技术发展和中国加人WTO后国内市场的需求，农民朋友对拖拉机外观造型的要求也是越来越高。富有优美曲线的造型能赋予产品更强的竞争能力，结构设计是为满足造型设计要求进行的工业设计，要根据造型表面曲面分块进而确定各总成的具体结构设计。所谓曲面分块是为了计算机绘图的方便，依据现有曲面理论和应用软件曲面造型特点，再结合现有产品的实际外形情况，把拖拉机车身发动机覆盖件曲面以及驾驶室曲面划分为多个比较简单、容易处理的曲面块，在计算机中这些曲面块根据实际的光顺性要求再进行拼接和缝合，或用过渡表面与其连结，最终完成拖拉机车身造塑设计，实现拖拉机整车的车身的整体造型。所谓光顺性包括以下几个内容：曲线、曲面具有二阶几何连续性，即光滑性；没有多余的拐点；曲率变化较均匀；符合设计师的主观感觉要求。关于曲面分块理论在汽车车身曲面设计中已经比较成熟，在对拖拉机车身进行曲面分块时可参照汽车车身曲而分块，但是对待当代拖拉机特有的小圆弧、楔形曲面应该区别对待加以分块。
2.2.1 车身外形三维图反求
利用CATIA软件的Freestyle和Sketch Tracer模块，在确定车身坐标原点以后，再根据资料上的拖拉机跨距、整车(长、宽、高)等一系列尺寸在CATIA视窗中反求实际车身大小外形草图三维视图，作为重新设计车身曲线曲面的基础。当然也可以通过云点扫描l:1油泥模型的方式反求产品外塑三维视图。
2.2.2 曲面分块原则
曲面分块必须根据被造型零件的形状特征、所选曲面的类型、曲面的阶数等方面来综合考虑。当代拖拉机车身一些复杂的轮廓是由不规则的三维曲面构成，所以用一张曲面很难在保证精度的情况下去构建其三维数学模型。为了保证模型的设计精度通常就需要对拖拉机车身进行曲面分块。对拖拉机车身可按如下的分块原则：
1)在保证绘制曲线曲面的灵活造型功能基础上，最大限度地减少分块数目。
2)在曲面分块时小能产生异形曲面，即所有曲面都必须是定义在四边形域上。
3)曲面分块的结果要便于CAD软件的应用，即要便于数据输入
4)曲面分块要与现有的CAD软件的造型功能和编辑功能相适应相配合使用。
2.2.3 曲线、曲面的建立
要高质量地完成一个较复杂拖拉机车身覆盖件曲面的造型，需要具备计算机图形学、机械制图、机制工艺等方面的基础知识，并对CAD/CAM软件有一定的应用经验。具体地说，首先要了解各种曲面的构造方法，其次要看懂图纸能够根据不同的技术要求，将曲面划分为基本曲面和过渡曲面。
对拖拉机车身外形草图进行初步分析，了解车身曲面。由于曲面是在曲线的基础下生成的，生成正确的空间曲线是获得曲面边界、生成二维曲面的基础，也是造型工作中的关键。对曲面的光顺有着决定性的影响。
在两张曲面之间生成第3张过渡曲而也是车身设计中常用的功能。由于拖拉机车身某些过渡面的圆角可能较小，而且形状比较狭长，精确测量是极其困难的，在造塑时可以不将它作为主曲面处理，当然也不需要做出两曲面的理论交线，而是在拟合好的两张主曲面后自动生成过渡面。对车身表面分块造型后将各部分装配到一起，然后先进行车身各部分曲线的缝合，再进行曲面的缝合。最后就可以缝合好整张拖拉机车身发动机覆盖件。
2.3 外形修正
在车身曲面创建设计过程中的各个阶段以及在创建设计完成后，都要根据不同的对象采用相应的方法进行分析检查。要随时检查所建曲面的状况，分析检查是贯穿整个设计过程的，是保证设计精度质量的重要手段。
2.3.1 CURVE
CURVE主要分析其光顺性，特别是拖拉机柴油机攫盖件不仅仅要求曲线连续，还要求曲率的变化要连续。经过曲率分析过的曲线才可以用来生成曲面。拖拉机覆盖件大多数对光顺性要求不像汽车那么高，有时在u，v方向做到一阶几何连续即可。
2.3.2 曲面分析
在构造曲面时要对曲面外形进行分析，要分析曲面的品质，检查曲面或曲线间的细缝大小以及其连续性，检查曲线、曲面的曲率变化情况等，对曲线、曲面的光顺性、扭曲、切率变化也应该注意分析，然后及时修改。
2.3.3 渲染检查
在车身全部曲面生成而且拼接完成后，则要对整体曲面进行评价，这可以采用CATIA软件进行光照效果渲染检查整体造型效果，通过改变光源位置、变换曲面的颜色、变换观察视角等方法来检查曲面的拼接光滑性，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光顺度。图像明暗度变化均匀，则曲面光顺性好，反之亦然。车身曲面造型完成以后，可用打印机输出彩色造型图，当然也可用大屏幕投影设备在大屏幕上投影显示。然后进一步检查过渡曲面的拼接的光顺性。
3 结论
这里提出了一种基于CATIA反求出拖拉机车身三维模型基础上进行拖拉机设计的新思路，即从拖拉机反求三维设计效果图出发，采用CATIA的线架构与曲面设计模块曲面造型技术对拖拉机车身曲面进行设计，为日后进行产品并行设计打下基础，简化了整个设计过程，缩短了新产品开发周期。
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(9/17/2009) |
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