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汽车外形设计研究方法

摘要 随着人们审美观念的更新，汽车以千姿百态的造型吸引着人们的眼球，好的汽车造型不仅与空气动力学相结合，还可以给人带来前卫的视觉盛宴。如何快速、高效、精确地构造出汽车外形的主模型，是现代汽车外形设计的关键环节。CATIA V5作为一款CAD/CAE/CAM一体化的高端软件，具有强大的造型设计能力，本文就以CATIA V5曲面建模模块为基础，探讨快速、准确构造汽车三维模型的方法。
关键字 CATIA V5 外形设计 A级曲面
前言
汽车作为人类文明的重大发明之一，其意义已经超越了汽车本身，其高速的发展推动了人类文明的进步，汽车已经形成了一种文化，这种文化贯穿于人们的实际生活，在生活中，汽车无处不在。
在汽车历史的发展长河中，最早将空气动力学和汽车外型设计结合的汽车品牌是美国的克莱斯勒（Chrysler），它在1934年造就了世界上第一辆流线型轿车“气流”，这个创举第一次在设计造型上与传统汽车区别开来。在第二次世界大战之后，将空气动力学应用于汽车之上最具代表意义的汽车品牌就是德国的宝马（BMW）。20世纪中期，西方自由主义思潮逐渐兴起，为培育汽车文化提供了很好的社会环境。人们很容易享受汽车高速行驶过程中的动感与激情，再加上汽车流线型的动感与美感以及多样的造型，汽车逐渐成为人们追求自由生活的物质保障。谈到欧系车的特点，我们不得不提及欧洲的文艺复兴。文艺复兴开创了一种前卫的文化思想，树立了一种全新的审美观。后来，艺术家们将这种全新的美学运用于汽车设计，铸就了今日的汽车美学。
在追求汽车高性能的同时，艺术家们也将各国的文化观念注入汽车设计之中，英国车稳重内敛，弥漫着典型的英国贵族气息；德国车做工严谨、到处是刚性线条，散发着了厚重的工业主义气息；意大利车艺术气息浓厚，每一辆汽车都是一件艺术品，普通人虽然没机会驾驭，但看一看也是一种审美体验 。
现代汽车设计方法分为概念设计和工程设计两阶段进行。目前车身设计多是以三维模型为基础的。为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等模块间均采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后翼子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶圆滑过渡，侧窗与车身相平，前后灯具、门把手嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等措施来减少风阻系数。随着计算机辅助技术迅猛发展，如今的车身设计已经采用了先进的设计手段，大大提高了车身造型设计的效率和质量，缩短了车型开发周期。CATIA作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA具有强大的曲面建模功能。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解决方案。CATIA 涉及产品、加工、分析和人机工程等领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。本文以CATIA V5为基础讲述汽车外形正向设计和逆向设计的两种途径，最终为产品生产做准备。
基于CATIA V5的汽车外形设计
在汽车新车型设计之初，都必须对新车型进行定位，以便满足市场的需求，因此在新车型设计之初各大汽车厂商都必须进行市场调研。在新车型设计上，各大汽车厂均有自己的独到之处，但真正的造型设计是从一张白纸上开始的，设计者根据自己的想象首先勾勒出汽车外形轮廓图，并在其中融入美学和空气动力学，经过不断的修改，最终绘制出最能表达设计者设计目标的一个。
在汽车外形轮廓图绘制完成后，根据汽车车身制图标准，开始进行工程图的绘制，由于CATIA V5没有专门的二维画线的这样的一个模块，它的点、线、面都是基于3维创建的，因此使用CATIA直接画工程图是很麻烦的。但由于CATIA V5工程图模块可以打开AutoCAD二维图文件，并且使用AutoCAD画工程图非常方便，所以最好使用AutoCAD进行三视图的绘制。根据车型尺寸、轴距、轮距、离地间隙等基本数据，定出几个关键点（例如前后端点，发动机罩最高点，风窗玻璃最高点，左右倒车镜端点等），依据草图轮廓，选用样条曲线命令用光滑的曲线将相关点连接起来，形成主要轮廓线。在这个过程中，除了满足制图标准，还应充分考虑技术要求和汽车造型美学。由于三视图之间的投影关系，左右视图上的曲线可以由前两个视图完全确定，因此在绘制的时候应该将其安排在最能反应曲线形状的视图上。例如贯穿车身的肩线，就应绘制在正视图和俯视图上，再向前后视图投影。但这里有一个问题需要特别指出。由于汽车外形是对称的，因此在画对称曲线的时候，必须设法保证镜像后曲线的曲率连续。这里我们可以先绘制一半的曲线，在对称线（或对称面）处，指定曲线端点方向与之垂直，再做镜像必要的话还需要继续调整位置以满足制图需求。总之，曲线绘制应尽可能精确，同时，也应适当注意样条曲线的质量（曲率连续）。
在工程图绘制完成后，开始进行三维建模过程，三维建模的原则是严格按照二维图，生成空间曲线，再由线生成面，必要的时候对曲面进行增厚处理生成实体。上述过程是在CATIA V5草图模块、创成式外形设计模块以及自由曲面设计模块中进行的，最终完成三维模型的搭建 。其一般建模流程如下，使用复制命令将工程图模块中的正视图、俯视图、左视图依次粘贴在创成式外形设计模块下的yz平面、xy平面、zx平面中，使用约束命令对各个视图草图进行定位处理，使用缩放命令使各视图大小相对应。
当以上流程完成后，我们就可以使用创成式外形设计模块下的混合命令生成空间曲线，然而这些空间曲线往往不能直接用于构造曲面。在汽车开发的流程中，有一个工程段称为Class A Engineering，重点是在确定曲面的品质可以符合A级曲面（A-class surfaces）的要求。所谓A级曲面的定义，是必须满足相邻曲面之间隙在0.005mm以下，切率改变在0.16度以下，曲率改变在0.005度以下。符合这样的标准才能确保钣金件的环境反射不会出问题。A-class包括多方面评测标准，G2曲线可以说是一个基本要求，因为G2曲线以上才有光顺的反射效果。对于B样条曲线，点连续（也称为G0曲线）是在每个表面上生产一次反射，反射线成间断分布。切线连续（也称为G1曲线，）将生成一次完整的表面反射，反射线连续但呈扭曲状。曲率连续（也称为G2曲线）将生产横过所有边界的完整且光滑的反射线。因此，用作生成A级曲面的空间曲线至少要求是G2曲线。所以我们必须在保证空间曲线质量的前提下，才能构造出A级曲面。由于作图误差所致，总布置三视图不可能绝对精确，软件的公差等级和人为操作都会造成误差。误差累积常常会达到不可接受的程度。因此应对空间曲线进行曲率分析，对于曲率分析，可以利用自由曲面模块下的porcupine curvature analysis命令对空间曲线进行曲率分析。对于满足曲率连续的曲线我们选择保留，对于不满足曲率连续的曲线有两种方法：1.保持曲线参数，通过调整工程图上投影曲线的母线，达到更新空间曲线形状的目的。这样做的好处是保证参数化设计，与母线紧密结合，易于调整，尤其在光顺曲线的时候。缺点是不够灵活，还可能会浪费大量的时间和精力，需要多次调整并且很难将空间曲线调整到理想的效果。2. 选择去除参数，利用自由曲面模块下的3D曲线命令来拟合原有空间曲线，并通过控制点使其满足曲率连续。这种方法的优点是直观快捷，自由度大。缺点是一旦去除参数就不可恢复。实际操作时将两种方法相结合。在前期尽量使用方法一，保留曲线参数。不能达到要求的时候再使用方法二，灵活转换。最终得到我们需要的空间曲线。
有了边界曲线和圆角过渡控制线，我们就能利用他们构建空间曲面。CATIA V5里构建曲面的方法很多，可以在自由曲面设计和创成式外形设计等模块中构建。通常是应用多个模块下的命令构建曲面，对于一些复杂的封闭曲面，我们可以在IMA模块下进行构建。常用的命令有“拉伸”、“桥接”、“填充”“控制点”和“曲面匹配”等。在构建曲面的过程中，由于所用到的命令并不在一个模块下，这样会使操作过程繁琐，浪费精力和时间。因此我们有必要自定义工具栏，将所要用到的命令全部放置在一个模块下，也可以通过设置快捷键方法来提高模块间的切换速率。在曲面构建完成后，由于车身覆盖面都要求达到A级曲面的需要，因此需要对曲面进行分析和处理。CATIA V5提供了丰富的曲面分析工具，帮助我们精确分析曲面质量。CATIA V5主要的Class A曲面分析方法有：
1.环境影响分析法：主要通过虚拟环境图像投影到曲面上的影像来分析曲面的质量；
2.高亮（斑马线）分析法：通过在被测曲面上生成黑白相间的条纹来检查曲面的质量，它是常用的检查曲面质量的方法之一；
3.曲面断面线分析法：该方法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，即断面线的质量，来判断曲面的质量。该方法也是一种常见的曲面质量评价方法；
4.几何连续性分析法：该工具用于分析两曲面间的几何连接性关系，可以分析两曲面在连接处的点连续、切线连续、曲率连续等几何连续性的状况。这种方法是用于判断两曲面在相接处的几何连续性的主要方法。
由于在分析曲面质量时，我们一般会选用斑马线法，因此在这里我仅对斑马线法做进一步的介绍。斑马线分析法是在被检测的曲面上生成黑白相间的条纹线来检查曲面质量的方法。若被测曲面上的斑马线粗细均匀且其间距也分布均匀，没有产生尖锐的拐角，同时也没有错位，那么就说明该曲面符合A级曲面的要求；如果斑马线出现断开的现象，说明被测曲面在断开处不满足曲率连续，即该曲面不是A级曲面。
对于不满足A级曲面的曲面，应按如下方法进行处理：先提取曲面的边线，然后使用分割命令对曲面进行裁剪，最后使用桥接和填充命令重新构建该曲面，对于重要曲面，需要常常监控它们的质量。若处理后的曲面仍不理想，则重复上述过程，直到满意为止。这项操作会消耗大量时间和精力，考验的是耐性，往往曲面需要很长时间的调整才能达到比较理想的效果。
车身是一个整体，由于建模起始过程是按主要面和大面进行的，所以建模过程中免不了面与面之间的衔接，曲面之间要求平滑过渡，最好使用G2（曲率）连续。另外，曲面要求体现设计意图，塑造棱线，然而由于制造技术的限制（冲压工艺不允许出现尖角），曲面之间必须创建过渡圆角，CATIA V5提供了“桥接”和“样式圆角”命令，通过调节张度达到设计者的意图，面与面之间的圆角可以通过样式圆角命令实现。总之，建立的曲面既要满足设计者意图，同时又要满足技术要求。之后对构建完成的曲面模型进行加厚处理，至此，完成汽车外形三维建模。

参考文献
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[3] 李学志. CATIA实用教程. 北京： 清华大学出版社
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