（机械设计及理论专业论文）汽车车身造型设计方法的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 现代汽车造型技术是汽车自主开发能力的核心部分，也是提高汽车产品竞争能力的 最有力手段之一。随着计算机辅助设计水平的日益提高，传统的手工油泥模型造型方法 已不能适应现实发展的需要，因此，利用计算机辅助设计进行反求设计成为现代造型设 计的主要途径。 本论文是在阐述了自由曲线、曲面的造型方法的理论基础上，运用软件p m e 中的 强大的造型功能，分别对汽车车身的建模，模型的光顺和评价等方面进行了阐述和探 讨，并且给出了车门实例，通过对实例的分析，提出了自己的观点和见解。 在对曲面造型理论研究的同时，着重对工程三视图或复杂曲面三视图反求产品模型 进行创新研究。根据参数化特征造型的特点和工作方式，为企业如何利用这些现有产品 的资源重建三维形体，从根本上改变传统三视图审视设计图纸的思维与观察方式。将模 糊数学理论应用到曲面品质分析，为曲面设计和制造提供有效的评价方法，同时也为曲 面造型方法的进一步研究、创新和发展奠定基础。 本论文在曲面模型建立的过程中，采用了曲面分块原则和选择了造型方法；在曲面 的光顺中，提出了以能量法为主的曲面处理方法；在模型的分析中，着重从高斯曲率、 斜率、高亮度线和拔模检测四个方面进行分析；最后在对曲面的评价中提出了以模糊数 学为基础的多层次多因素的模糊评价模式，详细地、准确地从设计者、专家、用户以及 生产厂家等四个方面对模型进行了综合评价，并最终得到令人满意的结果。 在汽车车身模型的建立过程中，本论文还从整车造型和局部造型的不同角度研究了 汽车造型过程中对模型的处理方法，总结了一些在实际设计中的运用的造型技巧。 关键词：造型技术；曲面分块；光顺分析；多层次多因素模糊评价 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o fa u t o m o b i l ec a r s t y l i n gd e s i g nm e t h o d a b s t r a c t t h em o d e m a u t o m o b i l e ( e s p e c i a l l yc a r ) s t y l i n ga r ti st h em o s ti m p o r t a n tc o n s t i t u e n tp a r to f s e l f - i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n ta b i l i t ya n d h a sb e c o m eo n eo f t h es t r o n g e s tw a yo f c o m p e t i t i o n a m o n gp r o d u c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra s s i t e n td e s i g n sl e v e l ，t h et r a d i t i o n a l m a n u a lw a yc a l ln o tm e e tt h en e e do fm o d e m s t y l i n gd e s i g n t h e r e f o r e ，u s i n gc a d i ni n v e r s e s o l u t i o nb e c o m e st h ei m p o r t a n t w a yo f m o d e ms t y l i n gd e s i g n b ye x p a t i a t i n gs e v e r a lw a y so ff r e e e 1 f i v ea n ds u r f a c e s t y l i n g a n du s i l 增p r o ef o r a u t o m o b i l e ，t h i sp a p e rh a se x p a t i a t e da n da n a y s e dm o d e l i n g , s m o o t h i n ga n de v a l u a t i n gf o r a u t o m o b i l ec a rb o d ys u r f a c e s t y l i n g ，b ya n a l y z i n ge x a m p l e ，t h ep a p e rp r e s e n t si t so p i n i o n s ，t h e p a p e rh a sm a i n l ys t u d i e dt h e3 do b j e c ta n dc o m p l i c a t e ds u r f a c ef r o mt h r e e v i e wd r a w i n g 、 a c c o r d i n g t ow o r k w a y o f p a r a m e t r i cf e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g , i tm a k e sm a n u f a c t u r e sh o wt o u s e p r o d u c t sm o d e l t or e c o n s t r u c t3 d o b j e c t s ，w h i c hc a nc h a n g et r a d i t i o n a lw a y o f t h i n k i n ga n d o b s e r v i n gi nd e s i g n i n gf r o mt h r e e - v i e wd r a w i n gt om o d e l i n g i tc a na p p l yt h et h e o r yo fb l u r m a t h s m a t i c st o s u 碰h q u a l i t y 锄l a l y z i n g ，w h i c hp r o v i d ee f f e c t i v em e a nf o rs u r f a c ea n d m a n u f a c t u r e a tt h es a l n et i m e ，i ta l s od o e sb a s ef o rf t l r t h e r s t u d y i n g ，i n n o v a t i n ga n d d e v e l o p i n gf o r t h ew a yo f s t a f a c e s t y l i n g d u r i n gt h em o d e l i n g , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec r i t e r i o na n dw a yo f s u r f a c ep o l t i n g i ta l s o p r e s e n t st h ew a y o fe n e r g yi ns m o o t h i n g i na d d i t i o n , t h i s p a p e rh a sa n a l y s e dm o d e li ng a u s s c u r v a t u r e ，h i g h l i g h tc u r v e ，d r a f tc h e c k a n dm a x i m u mc u r v e t h ew a yo f b l u r e v a l u a t i n g h a s b e e nu s e di nt h ep a p e r i ne v a l u a t i n g , t h ep a p e rd o e sd e s i g n e r , e x p e r t , l k q e ra n dm a n u f a c t u r e r w i t hm u h i l a y e ra n dm u l t i a i mb l u re v a l u a t i n gd e t a i l e d l ya n dc o r r e c t l y a sar e s u l t ，m o d e lh a s b e e ns a t i s f i e d d u r i n gt h ec r e a t i n gm o d e lo fa u t o m o b i l ec a rb o d y ，t h i sp a p e rh a sl e a r n e dh a n d l i n gf o r a u t o m o b i l ec a rb o d ym o d e li nw h o l ea n dp a r t s c u l p t i n g ，a n ds u m m a r i z e dt h es k i l l s i nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s t y l i n ga r t ；s u r f a c ep l o t i n g ；a n a l y s i s ；m u l t i l a y e ra n dm u l t i a i mb l u r e v a l u a t i n g 一2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：虹日期： 关于论文使用授权的说明 j 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：查篁：互导师签名：丝兰i 羔 日期： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 8 8 6 年世界上发明了第一辆汽车，经过1 0 0 多年的技术进步，汽车已经发展成为 一种普及的现代化交通运输工具。它以其动感的车身造型特点加上装饰和色彩，即可以 美化市容，点缀大自然环境，又能给人以美的感受和强烈的精神感染【1 ，它已经成为人 们喜闻乐见以及和人们的生活息息相关，不可缺少并具有双重功能的工艺艺术品。 1 1 汽车造型的历史 汽车车身造型是随着汽车工业的发展而逐渐发展起来的，它已由早期对汽车车身简 单的美化工作逐步的发展成为探讨车身的整体艺术形象、研究和利用各种日新月异的材 料的装饰性能及生产方式的学科，同时逐步权衡车身造型对整车结构、性能和工艺的影 响哪。 世界各国汽车( 尤其是轿车) 车身造型的流行式样虽然不断更薪、变幻莫测，但是 由于车身造型的发展与车身的生产方式、使用要求以及时代特征都有密切关系，因此车 身造型的发展有着共同的基本趋势。从汽车外形演变的历史来看，真正确立了汽车的基 本造型之后，汽车外形的发展可分为以下六个阶段嘲： 箱型汽车( 1 9 1 5 年美国福特t 型车) ： 甲虫汽车( 1 9 3 4 年美国克莱斯气流牌汽车) ： 船型汽车( 1 9 4 9 年美国福特新型v 8 型) ； 鱼型汽车( 1 9 5 2 年美国别克牌小客车) ； 楔型汽车( 1 9 6 3 年司蒂倍克阿本提小轿车) 流线型汽车 早期的汽车只是作为一种运输工具，它的使用功能就是它存在和发展的的依据。那 时对于车身也有一定的美的要求，对此，只限于采用装饰性的手段，不外乎是在古老而 简单的马车或简单的马车或车厢内外附加一些装饰性纹样予以点缀，使人看起来感到并 不那么笨重粗糙。1 9 1 3 年，福特汽车公司创建了最早的流水作业汽车生产装配线，并 开始装配t 型车。这种车型由于采用了当时最先进的大批量生产的组织形式，加之其结 构设计简单，因而造价低廉。这样就把汽车的使用范围推广到社会的更多方面，汽车不 沈阳工业大学硕士学位论文 再是上层社会的奢侈品，而是一般中产阶级和富裕农民的运输工具。因此汽车很快进入 家庭。 汽车产品与人民生活的联系越密切，人们对汽车的发展就越关注，对其各方面的要 求也就越高。因此，汽车生产者为了提高市场上的竞争力，就要必须调动用户购买汽车 的积极性，他们已经注意到用户对汽车外观的审美要求，意识到了汽车造型对销售的重 大促进作用，因此各个汽车公司对汽车造型设计工作给予更多的投入，使造型设计工作 的装备以及工作手段迅速的完善起来。同时，随着汽车的普及，人们对汽车的使用性能 ( 动力性、经济性等) 提出了更高的要求，为了提高车速，节省油耗，就必须减少车型 阻力，这样在车身造型中引入了空气动力学概念1 4 】。实际上汽车外形发展的六个阶段也 就是空气动力学发展的历史。现代汽车外形设计已经将空气动力学和造型艺术有机的结 合在一起。 由于造型设计对促进商品的功能质量的提高以及销售质量的扩大起到了至关重要的 作用，所以汽车造型越来越受到汽车企业的重视。在各汽车公司内都成立了专业的汽车 造型设计队伍。而且由于汽车造型成为决定汽车销售质量的重要因素之一，所以造型部 门变成了一个“禁区”，汽车的造型在产品正式投产之前一直是保密的，造型已成为汽 车产品竞争的最有力手段之一。在现代化的造型设计室内装备了计算机系统，可以用计 算机辅助设计方法将造型的模型数据光顾、存储、转换成指令进行工艺装备的加工。可 以说随着造型设计的兴起，车身设计的更新换代成为企业进步的个标志。汽车造型及 其结构设计、样车试制等工作有机的结合起来了。汽车造型工作已不局限于艺术范畴， 而是延展到车身的有关科学领域之中，使造型的考虑与整车的全部设计工作及制造技术 密切联系起来。但并不是说造型设计不再是艺术性工作，而是说汽车造型，亦即工业造 型设计的艺术表现是以产品的全部性能、材料、工艺、结构经济成本的综合考虑体现出 来的 1 2 课题研究的背景与目的 1 2 1 课题的来源与背景 本课题系辽宁省自然科学基金项目，课题的背景是由于我圆的汽车造型设计的手段 与国外的差距较大。在国内，目前仍沿用手工制作油泥模型的方法，而该方法的缺点是 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 周期长、精度低、劳动强度大，因此如何缩短造型设计周期，提高设计质量，矛4 用现代 化的设计手段将设计人员从繁重的手工劳动中解脱出来，与车身结构设计c a d c a m 系统 相衔接，一直是汽车行业面临的重要问题。 当今国内汽车工业在引进、消化、吸收国外的先进技术及进行创新设计时，需建立 车身数学模型，发展汽车产品开发能力，是当代汽车工业竞争的核心问题；如何快速、 高效、准确地构造出汽车外形的主模型，是现代设计方法的关键技术。汽车工业代表着 一个国家机械制造业发展的水平，能否掌握它的核心关键技术，是一个国家汽车工业成 败的一个关键问题。 i 2 2 课题的意义与目的 本课题的意义在于：i 臌用c a d c a m 软件系统对汽车造型的设计，可以大大的缩 短汽车造型设计的周期，提高设计生产的效率，进而缩小与国外之间的差距。 本课题的目的是旨在提出通过建立计算机辅助汽车造型设计，使其具有良 好的实用性、通用性、结构性，从而达到便于改造。加快实现产品的创新，为开 展产品并行设计打下基础，简化设计过程，缩短了产品的开发周期。 l i3 论文的研究内容 阐述计算机辅助汽车造型设计的工作内容 造型软件和造型方法的选取 自由曲线曲面造型的数学基础 汽车车门模型的生成过程 曲面的后续处理 曲线曲面的光顺分析 重构曲面的光顺品质分析方法进行综合评价 一3 沈阳工业大学硕士学位论文 2 计算机辅助汽车曲面设计 在传统的车身造型设计中，浑然一体的车身外表面要经过美工雕塑人员、工程设计 人员及技术工人的通力合作，经过一整套复杂的设计程序才能完成。不仅劳动强度大， 物资消耗多，且精度低，设计可信度低【6 l 。近年来，随着计算机技术的飞速发展，设计 任务日益复杂化，大量技术新产品不断涌现，使传统的设计工具与设计方法无法满足当 今设计的要求。汽车行业为了产品竞争力，节约能源，满足用户对汽车舒适性和外形行 得更高要求，发达国家各大汽车企业竟相采用计算机辅助工业设计( c a i d - - c o m p u t e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 并取得了重大的经济效益，缩短了汽车换型和新产品投放 市场的周期1 7 l 。 2 1 榻- 述 c a i d 是以计算机作为主要技术手段，来生成和运用各种数字信息与图形信息，以 进行工业设计的各类创造性活动。它是以计算机技术为支柱的信息时代的产物。工业设 计是一门综合性的交叉、边缘学科，涉及到诸多学科领域，由此决定了c a i d 技术也涉 及到了c a d 技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、模糊技术、人际工程学 等信息技术领域。广义上，c a i d 时c a d 的一个分支，许多c a d 领域的方法和技术都可 以加以借鉴和引用。 2 0 世纪8 0 年代初，随着计算机图形学的发展，三维设计软件逐步走向实用，c a d 技术开始走进工业设计领域。特别是在一些发达国家，c a i d 在工业设计领域迅速发展 起来。美国率先研制成功c a i d 软件系统，并进入实用化、商业化阶段，广泛应用于汽 车、飞机、船舶和机电产品造型设计中。进入到9 0 年代后，由于复杂光照技术的应 用，三维造型软件产生的图形的真实感已达到很高的水平，为计算机辅助工业造型设计 奠定了基础。 由于计算机本身结构的特点，可使设计过程视觉化。屏幕显示方式开辟设计传达的 新领域，计算机构造物体的模式及图像处理上的特点，使计算机设计的作品表现出了新 的风格。图像的生成过程能得到有效的控制，并直接反馈出控制的效果。在设计过程 中，只要随时存储变化的结果，就能在任何时候回到设计过程的任何一点，这时设计过 4 + 沈阳工业大学硕士学位论文 程不再是单向发展的，而是多向反复的。在设计过程中，以笔、纸、颜料作为绘图工具 的传统模式已被计算机取代。在以后的发展中，鼠标器及数字化仪、数字颜色以及计算 机屏幕为工业产品造型设计开创了新的天她。 计算机进入到汽车造型设计领域，并开始取代了造型师的大量工作。在传统的设计 过程中，设计表达占据了设计师的大部分时间和精力用以完成汽车造型效果图、车身工 程制图以及模型，用图纸和模型实物来表现造型师的创意构思。由于每一种方案都要制 作缩小比例模型个全尺寸模型，因此存在着修改困难、设计周期长、成本费用高等一系 列问题。现在，在造型设计过程中引入计算机，由计算机接管了这部分工作，使造型设 计师更多地致力于概念设计、创意构思以及方案选择评价等方面的工作。创意构思成为 一种新车型造型设计过程中的主要组成部分。许多大汽车公司不断推出新的概念车就是 为了表现自己在仓q 意构思和技术进步方面的突破。当一种新车型成熟后，就交由计算机 去修饰、扩展、完善这个构思，使造型师的创意构思迅速反映出来。设计者只要在计算 机终端前明确对车身的要求，在造型分割、美学特点及良好的空气动力学性能方面体现 新产品开发的意向，调用专用或通用的造型软件，反复修改原设计，直到满足设计要 求。这样，大大地提高了设计效率，缩短了设计周期，提高了产品设计质量。计算机的 使用更易于发挥造型师的创造性和智慧，加速了汽车产品的更新换代，c m d 必将使汽 车造型设计进入到一个新阶段。 2 2 汽车造型设计的性质和内容 汽车造型设计是车身设计的最初步骤，是整车设计最初阶段的一段综合构思。汽车 造型设计是依据汽车整体设计的多方面要求来塑造最理想的车身形状，是汽车外部和车 厢内部造型设计的总和。它不是对汽车的简单装饰，而是运用艺术的手法科学的表现汽 车的性能、材料、工艺和结构特点。汽车造型的目的是以其美去吸引和打动观者，使其 产生拥有这种车的欲望。汽车造型设计虽然是车身设计的最初步骤，但却是决定产品命 运的关键。汽车造型最终通过车身结构设计而体现为产品，它是科学技术与艺术手法相 结合的产物。 汽车造型设计是现代化工业设计的一个重要方面，它能够体现工业设计工作的特 色。汽车造型要能表现出汽车的特征，使人们对这种交通工具的性能、材料等内容产生 5 沈阳工业大学硕士学位论文 美感。例如，汽车外形的商速感和稳定感，内饰造型的舒适感和安全感等。造型设计的 目的是使使用者由审美、鉴赏上升为对产品内容更为深刻的理解，并由此产生去使用和 占有这种产品的欲望。如果造型的结果不能达到这样的效果，则绝非是成功的造型。现 代汽车造型是从产品形式上考虑如何满足人们的生理和心理的需要，所以对于汽车工 业，造型是产品方案选择的决策性步骤，由此其设计才被工业界认为是决定产品命运的 关键州。 现代汽车造型设计是- - i 1 科学与艺术相结合的技术，它涉及很多门类的科学领域， 如人机工程学、空气动力学、各种材料的工艺学、汽车机构布置、经济成本、商业心理 学等等。另外，汽车造型中美的概念和时代感不是抽象的或固定的，它随着科学物质条 件、时间、人的审美格调和经济水平而不断的演变。至于民族风格问题也是一样，不同 国家和民族具有不同的审美格调，做生产的汽车也具有不同的特点。如美国车给人的感 觉是豪放、狂野，注重车厢宽敞、豪华、外观大方。有派头。日本车小巧玲珑，轻便省 油，重经济性甚于安全性。德国车沉静、深藏不露，很少以外观“哗众取宠“。而意大 利车则外形超前，马力强劲、追求速度，艺术色彩很浓【9 】。 不可否认，汽车造型工作中视觉美的规律和汽车结构形式之间存在矛盾，因为汽车 整车及各部结构本身只是对功能的保证，材料只是组成特定结构的需要，而造型设计的 任务是利用其已有的条件，从视觉规律上予以发挥、协调，在这些矛盾中寻求一种既能 满足结构功能需要又可在视觉上体现这种结构或材料质地的特有美感的效果。例如，某 一特定的车型可能使人感到其比例不协调，不平衡、不稳定等，在这种情况下，强调横 向的形状或线条可使造型效果产生低稳的感觉；适当的采用曲面可以从视觉上产生实际 面积减小了的感觉，也可阻产生突出某个局部的作用；色彩的调配可产生不同温度感 觉，也可以产生心理紧张和放松的效果：形体上的线条可使形体上产生方向的动感等 等。通过造型设计，因用各种手法可以从视觉上使汽车本身结构性能更适合人的正常视 觉，从而产生美感。 综上所述，汽车造型工作具有边缘科学的性质，它既是一门独立的技术，又是与科 学技术和艺术创作有多方面的联系。 2 3 汽车造委 计算机辅助设计的应用状况 6 沈阳工业大学硕士学位论文 在国际汽车行业中，为了保持产品的竞争能力、节约能源、符合越来越严格的污染 控制标准及满足用户对汽车舒适性和外形多样化方面的更好的要求，汽车制造厂商在产 品与工装的设计制造上竟相采用计算机辅助设计技术并逐步发展成为汽车设计和制造上 的c a d c a m 一体化。目前，c a d c a m 技术的应用水平是衡量一个国家汽车工业水平的重 要指标之。 国际上，美国福特汽车公司在c a d c a m 技术方面处于领先地位。早在8 0 年代初， 福特公司就着手c a d c a m 系统的规划，建立了以工作站为主体的环形网络系统，1 9 8 5 年已经有一半以上的产品设计工作是用图像终端实现，1 9 8 6 年新开发的t a u r u s 和 s a b l e 轿车，大约7 0 的外板件采用c a d c a m 设计，福特公司提出了 c 3 p ( c a d c d m c a f p d m ) 概念，并决定今后将采用i d e a s 软件作为其主流核心软件： 美国通用公司应用c a d c a m 技术的情况与福特类似，其软件主要为自行开发的 c g s ( c o r p o r a t eg r a p h i c ss y s t e m ) ，c a d a m 公司的c a d a m 系统和m c d 公司的 u n i g r a p h i c s 系统，这三种软件系统构成公司的三维c a d c a m 数据库基础，以供全部设 计、工程和制造使用。 法国雷诺汽车公司应用e u c li d 软件系统作为c a d c a m 的主导软件，目前已有9 5 的设计工作量用该软件来完成。雷诺公司在e u c l i d 主导软件的基础上，开发出很多适 合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的m e g a c v i s i o n ，用于钣金成型分析的o p t r i s 等。 德国各大汽车公司普遍采用c a t i a 作为其c a d c a m 系统的主导软件。1 9 9 4 年，德 国大众集团决定用c a t i a 和p r o e n g in e e r 作为其将来开发新车型的主导c a d 系统。至 于模具结构设计，目前正在考察合适c a d 专用软件，如德国o e b i s 公司的v a m o s 软件， 印度k e l t o ng r a p h i c 公司的c a d e 软件等。 在计算机造型技术( c a s ) 应用方面，国外大汽车公司及设计公司已建立了相当规 模的成套的硬件、软件系统，运用三维c a d c 麒技术替代了“主图板、主模型”为主的 传统射击方式；近年来开始应用c a s 技术( 使用a l i a s 软件或者p r o e 的c d e s 软 件) ，从概念草图生成、二维渲染到三维表面生成、修改、三维演染、检测等都在计算 机上完成，从而将逐步替代费时费力的油泥模型制作。传统方法只有做出油泥模型后才 7 沈阳工业大学硕士学位论文 能评价，而c a s 可随时评价三维电子模型，而且模型师、结构设计师、模具设计师可以 早期介入造型工作；传统方法修改方案很费时，c a s 修改方案很容易，适于作出多方案 的优选。 并且大大减少了模型制作工作量。当然，“替代油泥模型”并不是不要物理模型。 为了验证设计效果以及为决策层最后定型的需要，可将三维电子模型数控加工出1 ：l 的车身塑料内、外模型来。 2 4 计算机辅助汽车造型的创作过程 与传统的手工造型方法相比，计算机辅助汽车造型的高效率是令人刮目相看的。无 论是复杂的还是简单的设计对象，采用计算机辅助设计均能大大节省时间。利用构思草 图和产品数据，我们就能在计算机中构筑汽车的初始模型框架，然后进入较为深入的模 型修正工作。在修正阶段，i 蝴态的加与减，以及细节的补充，即可获得完整的模型 系统。这时，我们可是以线框方式，或以简单的彩色渲染方式，从各种角度观察自己的 初始设计成果， 平价设计的优劣，如果有必要，还能做进一步修改与补充。继而对初始 的三维模型经过表面处理，即赋以各种材质。搬据设计方案结合现实世界中的情景，给 汽车模型的每个部分赋予极为真实的材质，包括色彩、纹理、材料类型( 如车身的金属 材质、装饰条的橡胶材质、风挡的玻璃材质、反光与否、透明与否等等) 。比传统模型 制作优越的是，我们可以为汽车模型赋予多种配色方案，甚至可以将模型进行多次拷 贝，再赋以不同的配色方案；在同场景中进行渲染，更加便于评价车身的配色方案， 从中选择最佳色彩效果。在最后的场景设计与渲染阶段，我们可以为设计主题赋予一个 极为真实的场景。 计算机辅助汽车造型设计的创作过程大致可分为四个阶段：建模、渲染、模型的后 处理、模型分析与评价。 1 ) 建模 建模是计算机产品造型设计中最基本、最主要的工作。在建模阶段，设计人员需要 将创意构思用三维线框表现出来。描述汽车的各种数据，包括曲面形状、尺寸、高度以 及细部结构等，被一并输入到计算机，然后由计算机生成三维模型。建模时首先应保证 所建模与真实物体的形状尽可能完全一致；其次要考虑模型表面的细分程度，因为它直 8 沈阳工业大学硕士学位论文 接影响模型的编制和着色效果。建立产品的三维模型需要用到建模软件。使用这些建模 软件，可以在计算机屏幕上从任意角度观察编辑和修改三维线框模型。三维建模软件一 般都提供了多种建模方式，对于同一个物体而言，有时几种建模方式都可正确的建立起 它的三维模型，但由于每一种建模方式都有其各自的特点，因而所见的三维模型的内部 结构都会有所不同，这时就要考虑以后模型的编辑方式和着色效果而正确的选择一种建 模方式。 2 ) 渲染 建模只是建立了物体的线框模型，即用线条表示的三维模型，为了使其具有真实 感，还需要对模型的表面进行材质指定、表面贴图等。线框模型建好并经检查准确无误 后，便可进行渲染。所谓渲染，是指给模型的表面“贴上材料的图案，包括之感和色 彩。各种材料图案经渲染被- “贴”在三维线框模型的各个表面后，模型看上去就像是真 的一样。 该阶段使用的软件都有自身的渲染模块，经渲染后的模型可以储存未影像文件。常 用的文件格式有：t 6 、t i f f 、g i f 、j p 6 、r g b 、b m p 、p n g 等。这类影像文件一般是二 维的，具有如同照片那样的表现效果。 3 ) 影像后处理 后处理是对二维影像进行图形修整、编辑、补充，以提高影响的整体表现效果。经 渲染而得到的二维影像可以在这个阶段被调整明暗、色彩效果；可以被添上各种背景； 可以被重叠印上文字或其他所需要的影像图案等。 4 ) 模型分析与评价 模型分析就是在模型产生以后，对它的曲面的各种参量进行理论上的分析，也是 p r o e 中的专用模块来实现。主要是分析曲面的高斯曲率、斜率、高亮度线和拔模检测 等参量；而模型的评价主旨是利用模糊数学对模型方案的可行性、实用性、经济性、技 术性等各方面进行评定和估计。 建模、渲染、后处理是产品造型设计过程的基本步骤，最终得到的结果是产品效果 图。而模型的分析与评价是对模型的种后续补充。在计算机辅助造型设计中，这四步 是息息相关的，不可分割的。当然，这种说法适合于一般的建模过程。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 2 5 汽车造型的工作方法 现代汽车工业造型设计的工作方法是根据实际生产规模和方式的要求而形成的。目 前在国际上较为普遍采用的汽车造型设计工作方法可咀分为以下几个过程1 1 0 j ： 】) 收集资料形成造型设计概念 收集资料的含义很广泛，资料不应局限于成文的或成型的东西，很多极为有用的资 料都是从某些别的东西上得到启发而后构思出来的。特别对于竞争厂家产品应特别重 视，通过对比自己产品与先进产品存在的差距，从而找到改进自己产品的途径和方法。 2 ) 造型构思效果图 这种图画产生在真实车型之前，只是造型师头脑中对于新车形状的构想。但是这种 表现必须具有真实感，亦即车身整体及细部的形状、色彩、反光效果以及各种不同部分 不同材料的质感都应当预想并反映出来。它是一种构思的形体，这种构思应与新车型整 车总体设计的比例、功能要求相符合。 3 ) 缩小比例模型 缩小比例模型的用途是将车身造型构思初步的用形体表达出来。缩小比例模型由于 尺寸缩小若干倍，既易于制造与修改，又可以作为全尺寸模型塑料时的参考依据。缩小 比例模型一般采用的比例为1 1 0 ，1 5 。 4 ) 胶带图 所谓胶带图就是使用不同宽度和不同色彩的胶带代替笔在标有坐标网格的白色图版 上粘贴出车身轮廓及布置图。胶带图为全尺寸，即比例为l ：1 。胶带图所粘贴的内容 除车身三个视图( 主要是侧视图) 的轮廓曲线、开缝线外，还将内部尺寸、座椅投影、 发动机轮廓、操纵机构布置轮廓和人体样板都反映出来。这样在制作全尺寸车身模型之 前可根据缩比模型的轮廓曲线放大为l ：l ，按坐标贴出。经过在胶带图验证过的曲线 可移植到全尺寸模型上，作为下一步造型的依据。 5 ) 全尺寸外部油泥模型 全尺寸( 即1 ：1 比例) 油泥模型是车身造型设计定型的最终步骤。在全尺寸油泥 模型雕塑过程中全部造型设计的构思已与准确的车身布置尺寸统一融汇成车身的全部表 1 0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 面。车身的主要控制尺寸是雕塑全尺寸油泥模型必须严格遵循的。车身外表面的所有曲 面、覆盖件之间间隙都必须准确而列顿j 地表现清楚。 6 ) 全尺寸内部模型 全尺寸内部模型亦称“内饰模型”，简称“内模型“，这是设计车厢内部造型和室 内装备环境的定型模型。内部模型的装备应用囊实内饰材料制成，比较真实的表达乘车 时的环境状态和质感。内部模型另一个重要作用是最终验证内部空间尺寸、乘车的舒适 性和驾驶操作的方便合理性。近代的汽车车身内饰设计以外型设计愈来愈讲求造型格调 的统一和整体感，所以内部模型必须和全尺寸油泥模型同时进行。 7 ) 车身外形模型的空气动力试验 近代汽车，特别是轿车，对车身造型起决定性作用的空气动力性能成为整车性能指 标中不可忽视的部分，所以车身造型除艺术效果之外必须取得空气动力性能的最佳状 态。车身的空气动力性能设计需要在车身模型阶段就进行对比试验。为了改善空气动力 性能，造型设计必须对模型进行风洞试验，选定最佳方案。 8 ) 车身表面线图或主图板 车身表面线圈和主图板在车身造型和结构设计中是一个重要步骤。车身表面线图或 主图板使全尺寸油泥模型的最直接的图画转化结果。车身全部表面的空间形体经过人工 测量或三位坐标仪测量之后转化为每一根线条的数据，而后又把数据绘成图形。在这两 次转化之后显示在图板上的曲线并非必然是光顺美观的，还必须对任何不理想的曲线进 行修整，然后再从三个视图上审查修正后的全部曲线在各个视图上的效果。 在车身表面线图与主图板完成时，汽车造型设计可算完结，但是在样车试制后很多 造型设计的不足之处会更真实的反映出来。有部分造型形体可能在制造工艺上存在困 难，有的局部会影响制造成本。这是必须对样车的全部造型效果作一次全面的检查并根 据有关部门提出的要求做出必要的改善。只有经过所有这些步骤地改进、探索，一个造 型的方案才真正经过考验，很有把握的完成生产的依据。同时不难看出一个造型设计方 案从最初的构思经过反复修改、验证到最后成为产品时，肯定有很多于最初构思不同的 地方。这可以认为是造型设计的必然规律。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 计算机曲面造型的数学基础及软件系统分析 由于c a d c a m 系统快速的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论应运而生，如 b e z i e r 、b - s p l i n e 、n u r b s 等。对符合曲线而言，b e z i e r 、b - s p i n e 曲线适合处理较平 坦的数据点。对于不平坦的数据点，曲面则会有局部平坦活扭结的现象。和b e z j e r ， b - s p l i n e 曲线相比较，n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p i n e ) 曲线则对于不平坦的 数据点有较好的处理结果。另外，对一般曲线而言，曲线的阶次愈高，愈易产生震荡现 象，而不易控制，且计算上将更加复杂。一般而言，二阶曲线是较常用应用的曲线阶 次，并且能满足大部分的应用。 3 1b e z i e r 曲线曲面的数学模型 b e z i e r 曲线是2 0 世纪7 0 年代法国雷诺车厂工程师b e z i e r 于1 9 6 2 年提出了以逼 近为基础的曲线曲面设计系统，名为u n i s u r f l 川f j 2 列。随后，f o r r e s d ”j ，g o r d o n 和 r i e s c n f e l d ! ”1 等对b e z i e r 方法进行了深入地研究，从而建立了b e z i e r 方法坚实的理论基 础。除此之外，英国剑桥大学在以b c z i e r 理论的基础上，开发了d u c t 系统【1 6 】。 f r a i n 1 刀和p e i g l t l 3 1 则研究了有理b c z i g r 曲线。到此，b e 圪i e r 方法就完整的建立起来。由 b e z i e r 方法发展出来的自有曲线模型，由于其几何造型的设计，可依据较少数量的控制 点来操作和控制，对于造型的设计有相当大的弹性。b e z i e r 的曲线方程式： c ( “) = 占。( ) 只 ( o “1 ) ( 3 1 ) 式中： b 。( “) b e z i e r 基函数： p 控制点或控制端点； n 阶数； u 参数值： b e z i e r 基函数b 。扣) 定义为： b j ( 炉c “叫广1 k 芒( 1 叫户1 1 ( 3 - 2 ) 以三阶( n = 3 ) 的b e z i e r 曲线为例： 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 c ( “) = ( 1 一“) 3 r + 3 u ( t 一“) 2 只+ 3 u 2 ( 1 一“) r + “3 只 ( 3 3 ) 若将上式以矩阵方式表达，则有： ( 1 - u ) 3 3 u ( 1 - u ) 2 姘p 帅3 ，陲 ：b 3 “2 “l 】 一l33l 3630 3300 100o 岛 鼻 p 2 只 = 哪p 式中：卜三阶b e z i e r 曲线的通用矩阵( u n i v e r s a lm a t r i x ) 。 图3 1 所示为两条三阶( n = 3 ) 的b e z i e r 曲线，有四个控制点所控制。图3 2 为三阶的 b e z i e r 基函数。 p 圈3 1 - s i n 的b e z i e r 曲线圈基蕊羹 b j 0 蟹3 2 三阶的b e z i e r 曲线基蠢数圈 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 b e z i e r 曲线有如下优点i ”1 ： 控制点多变形即曲线的形状可由控制点来任意操控。 凸包性质即曲线被包含在所有控制点所构成的多边形内对于处理曲线相交时 相当有用。 控制点与曲线端点熏合这一特点有利于曲线与曲线的接合，使复合曲线容易 被建立。 b e z i e r 曲线的缺点则是缺少区域性控制，即当曲线上的任意一个控制点波动时， 整条曲线都要受到牵动。因此，b e z i e r 曲线缺乏局部修改的能力1 2 0 j 。 b e z i e r 曲线若有一位参数( u ) 延伸至二维参数( u ，v ) ，则可得b e z i e r 曲面。其 特性和b e z i e r 曲线形似，其表示式为： s ( u ，v ) = 吼，。( “) 蛾，如) 与 o u，o u u 加若蠢“1 叫广 ( 3 4 ) 张v ) = 石( 1 _ v r 。 式中：曰。( h ) 以，j ( v ) b e z i e r 基函数： m ，n 在u 和v 方向上的阶数。 图3 3 为三阶b e z i e r 曲面和其控制点网格。 口 p 豳3 3 三阶b e z i e r 曲面和控制点网格 3 2b - s p l i n e 曲线曲面的数学模型 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 由于b e z l e t 曲线缺乏局部控制能力，在2 0 世纪8 0 年代由d eb o o r l 2 。】瞄1 和c o x 2 3 1 便兴起了有局部控制功能的b - s p l i n e 2 4 1 曲线。b - s p i n e 曲线方程式表示为： c ( “) = n 。( “) 尸 ( 3 5 ) i = 0 式中：尸控制电； n + l 控制点数； n 。b s p l i n e 的基函数： 一阶数。 b - s p l i n e 基函数对b - s p l i n e 曲线的影响如同b e z i e r 基函数对b e z i e r 曲线的作 用一样，都是属于混合函数的一种。不同的实在b - s p li n e 基函数的定义中b - s p l i n e 增 加了节点向量，使得当控制点改变时，只会影响部分曲线( 见图3 4 ) ，使其有较好的 局部控制性。此外，可改变控制点的位置，或重复多个控制点子同一位置，或选择不同 的阶次而改变曲线的形状。阶数愈大，曲线就愈远离其控制点( 见图3 5 ) 。而重置控 制点将增加该控制点附近的曲率。控制点重置愈多，使得曲线愈接近该控制点( 见图 3 6 ) 。 o 顸点 圈3 4 控制点对曲线局部的影响 顶点 圈3 5 阶数对曲线的影响 1 5 ， 顶点 沈阳工业大学硬士学位论文 图3 6 控制点重量对曲线的髟喻 b - s p l i n e 基函数定义如下： 炉 ： ( 3 e ) ) _ 芝者u 咖等杀胁) ( 3 t ) 由上述定义可知：它采用递推运算方式( r e c u r s i v e ) 作为其操作的定义，而其节 点定义如下： i r = 如i e f 0 ，n + p 】 ( 3 8 ) 而节点向量不同，将造成函数n 。( “) 值得不同，曲线的形状也会跟着改变，假如 两端的节点重复p + 1 次，称为非周期向量，使得曲线会通过首尾两个控制点。节点向量 呈等距分布的称为均匀节点向量，否则为非均匀节点向量。在对曲线的影响方面，非均 匀节点向量比较均匀节点向量有较好的控制和较多的变化且均匀节点向量可能会造成震 荡情形。若没有内部节点，则b - s p l i n e 基函数”( “) 将成为b e z i e r 基函数b 。( “) 。 b - s p l in e 曲线具有以下的性质陆3 ： 良好的区域控制性( 1 0 c a lc o n t r 0 1 ) ； 控制点多变性( c o n t r o lp o l y g o n ) ； 凸包性质( c o n v e xh u l lp r o p e r t y ) 。 b - s p l i n e 曲面则具有和b - s p l i n e 曲线相同的性质，基本上是由一位参数( u ) 延 伸至二维参数( u ，v ) ，其方程式描述如下： 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 mn s ( u ，v ) = n 。( “) j v 。( v ) 乞 ( ： 9 ) j = o ，= 0 b 样条方法在表示与设计自由型曲线曲面形状时显示了强大的威力，然而在表示与 设