Class A曲面在汽车车身外形设计上的应用-3

1、Class-A曲面在汽车车身外形设计上的应用迅利科技有限公司卢金火、张慧波、刘文龙AbstractThis paper introduces related concepts of Class-A surfacemodeling and the Class-A surfacemodeling methods provided in CATIA software. and the technicalrequirements and creation methods of Class-A surface are discussed. In the end, take the surfacemode

2、ling of engine cover outer panel as an example to present a practical modeling methods of the Class-A surface.摘要本文介介绍了与与Claass-A曲面面建模有有关的概概念和CCATIIA VV5软件件Claass-A曲面面造型功功能的使使用方法法，还论论述了CClasss-AA曲面的的技术要要求与生生成方法法，最后后以某车车型的发发动机罩罩外板为为例，提提出了CClasss-AA曲面的的实际造造型方法法。Topiic wwordds: Autto-bbodyy, SShappe dde

3、siign, Cllasss-A surrfacce, smooothh关键词：车身，外形设设计，CClasss-AA曲面，光顺前言目前，我我国的汽汽车工业业，特别别是轿车车工业正正以前所所未有的的速度发发展。各各汽车公公司为了了迅速地地占领汽汽车市场场，获得得更大的的市场份份额，纷纷纷推出出款式新新颖、性性能良好好、价格格适中、乘坐舒舒适的汽汽车产品品，以满满足广大大汽车用用户的需需求。车身是汽汽车产品品的外衣衣，它不不仅影响响汽车造造型的外外观质量量，而且且也影响响汽车的的乘坐舒舒适性和和空气动动力性等等。一个个外观质质量良好好的汽车车产品，会给人人一种赏赏心悦目目的感受受，会激激发人们们

4、的购买买欲。因因此，汽汽车车身身外形设设计一直直是各汽汽车公司司产品开开发的重重点工程程。本文文将介绍绍采用CCATIIA VV5 CClasss-AA曲面功功能进行行汽车车车身外表表面设计计的方法法。与Claass-A曲面面建模有有关的概概念在具体采采用Cllasss-A曲曲面功能能进行汽汽车外形形设计以以前，有有必要介介绍与此此相关的的概念。2.1曲曲面片曲面片是是构造曲曲面的基基本单元元，它是是由两个个参数uu、v来来表示的的。对曲曲面片而而言，曲曲面的uu 向参参数值从从0到11，v向向参数值值也从00到1。2.2 曲面的的阶数曲面由两两个参数数u、vv来表示示，在曲曲面的两两个方向向

5、上可以以赋予不不同的阶阶数，曲曲面u方方向的阶阶数等于于该曲面面在u方方向的控控制点数数，而曲曲面v方方向的阶阶数等于于曲面在在v方向向的控制制点数。2.3 曲面的的几何连连续性曲面的几几何连续续性是指指两曲面面在边界界处两曲曲面间的的几何连连续性。连续性性包括点点连续、切矢连连续、曲曲率连续续。2.4 光顺性性光顺是一一个工程程上的概概念，主主要包括括光滑与与顺眼两两个含义义，它带带有一定定的主观观色彩，并由设设计工程程师根据据自身的的经验作作出判断断。概括括起来，包括以以下几个个内容：曲线、曲面具具有二阶阶几何连连续性，即光滑滑性；没没有多余余的拐点点；曲率率变化较较均匀；符合设设计师的的

6、主观感感觉要求求。CATIIA软件件Claass-A曲面面造型功功能介绍绍曲面生成成功能3.1.1简简单曲面面生成功功能该功能可可以利用用两个点点生成平平面片，选取的的两个点点作为生生成平面面片的角角点；也也可以利利用四个个点生成成简单曲曲面片，这些曲曲面u、v方向向可赋予予相应的的阶值，它是曲曲面修改改变形的的基础。3.1.2填填充曲面面该功能用用于填充充几何元元素之间间的空隙隙区域，其要求求是参与与填充的的几个元元素相互互间只能能有一个个公共点点。这些些元素可可以是曲曲线或曲曲面。用用该功能能可以填填充以下下类型的的空隙区区域：由曲面构构成的区区域（见见图1所所示）。由曲线构构成的区区域（

7、风风图2所所示）。两相交面面构成的的区域（见图33所示）。图1.三三边域填填充图2.多边域域填充图3.开放域域填充3.1.3网网格面该功能是是一种基基于曲线线构造曲曲面的方方法，它它是由一一组轮廓廓线和一一组引导导曲线插插值所产产生的曲曲面。3.1.4扫扫描面该功能是是一种基基于曲线线构造曲曲面的方方法，它它是由轮轮廓线沿沿引导曲曲线按一一定的规规律运动动、变化化所生成成的曲面面。3.1.5桥桥接曲面面该功能用用于在两两个已知知曲面间间生成满满足给定定几何连连续条件件的过渡渡曲面。桥接曲曲面与原原始曲面面之间有有如下几几种几何何连续条条件。点连续：桥接曲曲面以两两个已知知曲面上上的曲线线为边界

8、界曲线来来生成直直纹面。切矢连续续：桥接接曲面以以已知曲曲面上的的曲线为为边界曲曲线，并并与已知知曲面相相切来生生成曲面面。曲率连续续：桥接接曲面以以已知曲曲面上的的曲线为为边界曲曲线，并并与已知知曲面曲曲率连续续来生成成曲面。3.1.6倒倒圆曲面面在两个曲曲面之间间生成给给定连接接条件的的圆滑曲曲面。连连接条件件包括切切矢连续续和曲率率连续。3.2曲面修修改功能能3.2.1使使用控制制点编辑辑曲面这是一个个功能非非常强大大的曲线线、曲面面编辑工工具。根根据曲线线、曲面面理论，任意曲曲线、曲曲面均可可以采用用特征多多边形或或特征网网格来表表示，修修改特征征控制点点的位置置可以引引起曲线线、曲面

9、面形状的的变化。该工具具提供了了丰富的的编辑控控制点的的方法，采用该该工具可可以完成成如下编编辑任务务。编辑曲线线、曲面面的形状状；光顺曲线线、曲面面的形状状编辑曲面面的边界界曲线。该功能由由下列几几个部分分组成：3.2.1.11控制制点的移移动方式式控制点有有如下几几种移动动方式在平面内内移动，控制点点在与罗罗盘平面面平行的的平面内内进行移移动。沿某一方方向移动动，控制制点在指指定的方方向进行行移动。沿网络线线方向移移动，控控制点在在网格线线方向进进行移动动。沿局部的的切矢方方向移动动，控制制点沿切切矢方向向进行移移动。沿局部的的法矢方方向移动动，控制制点沿曲曲面的法法矢方向向进行移移动。3

10、.2.1.22所选选控制点点的变化化规律控制点的的变化规规律有如如下几种种方式平行移动动，所选选控制点点一起平平行移动动。线性移动动，所选选控制点点线性移移动。凹型规则则移动，所选控控制点按按凹型规规则移动动。凸型规则则移动，所选控控制点按按凸型规规则移动动。S型规则则移动，所选控控制点按按S型规规则进行行移动。3.2.1.33对称称编辑功功能在曲面编编辑修改改中，我我们可以以定义一一个对称称平面，使编辑辑的曲面面具有对对称性，这在汽汽车车身身外形设设计上是是非常有有用的。3.2.1.44网格格优化在曲面编编辑修改改中，经经常会使使曲面的的网格变变得很混混乱，这这样会使使曲面产产生扭曲曲变形。

11、CATTIA的的曲面编编辑功能能提供了了网格优优化功能能，这样样就确保保生成的的曲面具具有良好好的内在在质量。3.2.1.55曲线线、曲面面光顺在CATTIA的的曲面编编辑功能能中，提提供了曲曲线、曲曲面的光光顺处理理功能，可以对对整个曲曲线、曲曲面进行行光顺处处理，也也可以对对曲线或或曲面的的局部进进行光顺顺处理，这样就就为曲线线、曲面面的光顺顺提供了了方便的的手段。3.2.1.66把控控制点投投影到平平面上CATIIA的曲曲面编辑辑功能提提供了把把网格控控制点投投影到定定义的平平面上的的功能，这一功功能在汽汽车外覆覆盖件的的Claass-A曲面面造型中中是非常常有用的的。为了了使曲面面间有

12、良良好的几几何连续续性，最最好的方方法是先先把曲面面定义成成矩形形形状，然然后把曲曲面的所所有u、v方向向网格线线分别投投影到不不同平面面上，使使构成曲曲面的所所有网格格曲线具具有均匀匀、整齐齐的分布布。这样样处理的的优点是是：避免免曲面内内部产生生扭曲变变形；曲曲面匹配配处理后后，匹配配曲面间间会产生生很合理理的曲面面网格分分布，确确保造型型质量；如在通通过控制制点投影影到平面面上的优优化处理理后的两两个曲面面之间，创建桥桥接曲面面，这样样能确保保待生成成的桥接接曲面具具有整洁洁的曲面面网格分分布。3.2.2曲曲面匹配配该功能用用于将一一个曲面面的一个个边界匹匹配到另另一个参参考曲面面的指定

13、定边界上上，使这这两个曲曲面在匹匹配边界界上满足足一定的的连续条条件（点点连续，切矢连连续，曲曲率连续续）。曲曲面匹配配是Cllasss-A曲曲面创建建过程中中非常关关键的步步骤。因因为汽车车外表面面件（如如发动机机罩外板板）是由由许多块块曲面构构成的，在各块块曲面生生成后，必须把把相互连连接的曲曲面，进进行曲面面匹配处处理，以以生成造造型所需需的曲面面。如两两曲面间间要达到到曲率连连续，则则就需要要曲面间间进行曲曲面曲率率连续匹匹配处理理。为了了使曲面面匹配达达到较为为理想的的状态，必须对对待匹配配的曲面面进行变变阶数和和网格优优化处理理。如在在两曲面面连接线线的垂直直方向，把它们们的阶数数

14、定义为为相同，而且在在这个方方向上两两曲面的的特征曲曲格线最最好分布布在同一一平面上上，这样样就会使使匹配后后的曲面面，不会会产生扭扭曲变形形，并具具有整洁洁的曲面面网格。3.2.3拟拟合到几几何体该功能可可以把一一条曲线线或一个个曲面按按指定的的条件拟拟合到点点云数据据上，我我们可以以指定曲曲线或曲曲面的阶阶数，以以及指定定曲线、曲面的的张量系系数和光光顺系数数，来拟拟合曲线线和曲面面。3.2.4曲曲面整体体变形该功能可可以对一一组曲面面进行整整体处理理，并保保持被变变形曲面面间的相相互逻辑辑几何连连接性关关系，它它是一个个功能很很强的曲曲面编辑辑功能，经常用用于多个个曲面的的整体变变形处理

15、理，并保保持原有有曲面的的连接性性关系。3.2.5曲曲面延伸伸处理该功能用用于改变变曲线或或曲面的的长度或或大小。曲线或或曲面的的延伸可可以是按按切矢或或曲率延延伸处理理，以满满足设计计要求。3.3几何操操作功能能3.3.1修修剪几何何体该功能用用于修剪剪曲线或或曲面，它提供供了两种种修剪方方式。一一种是修修剪后的的曲线或或曲面可可以被恢恢复，它它只是重重新限制制了曲线线或曲面面的范围围。另一一种是修修剪后的的曲线或或曲面不不可以恢恢复，它它是对曲曲线、曲曲面重新新进行参参数化处处理。3.3.2恢恢复被修修剪几何何体该功能用用于恢复复被修剪剪几何体体的原始始状态。3.3.3连连接几何何体该功能

16、用用于把多多条曲线线或多个个曲面连连接成一一条曲线线或一个个曲面。3.4几何分分析功能能我们可以以利用CCATIIA的分分析功能能完成所所有几何何元素的的各种分分析和检检查工作作，以确确保所生生成的曲曲线或曲曲面满足足设计者者的要求求。3.4.1环环境映像像分析（Envviroonmeent Mapppinng）该功能是是通过样样本环境境图像投投影到曲曲面上而而得到的的映像来来分析曲曲面质量量的一种种分析方方法。3.4.2曲曲面斑马马线分析析检查（Isoophootess Annalyysiss）斑马线检检查是指指在被检检查的曲曲面上生生成黑白白相间的的条纹线线来检查查曲面质质量的方方法，它它

17、是一种种检查曲曲面质量量的最常常见的方方法之一一。如在在被检查查的曲面面上生成成分布均均匀的斑斑马线，则表明明被检查查的曲面面是光顺顺的高品品质曲面面；如在在被检查查曲面上上所生成成的斑马马线出现现了旋涡涡，则表表明被检检查曲面面在旋涡涡处，曲曲率变化化不均匀匀或出现现了拐点点。如在在两曲面面相接处处，斑马马线分布布均匀、合理，则表示示两曲面面在相接接处，曲曲面具有有良好的的连续性性，满足足了曲面面曲率均均匀变化化的要求求；如在在两曲面面相接处处，斑马马线出现现折线，则表示示被检查查的两曲曲面在相相接处，曲率变变化较大大，不能能满足曲曲面光顺顺性要求求。3.4.3曲曲面断面面线分析析该工具分分

18、析曲面面品质的的方法是是用一组组平面去去切割要要分析的的曲面，分析这这组平面面与曲面面的交线线，即断断面线的的质量，来判断断曲面的的质量。该方法法也是一一种常见见的曲面面质量评评价方法法。为了了较为准准确地判判断曲面面的质量量，我们们可以合合理地定定义两相相邻平面面之间的的间距，生成一一组能反反映被检检查曲面面特征的的断面线线，同时时也可以以把断面面线的曲曲率分布布图打开开，以便便详细地地观察曲曲面在各各个断面面上的曲曲率分布布情况，准确地地判断曲曲面各处处的曲率率分布状状况。3.4.4几几何连续续性分析析该工具用用于分析析两曲面面间的几几何连接接性关系系，可以以分析两两曲面在在连接处处的点连

19、连续、切切矢连续续、曲率率连续等等几何连连续性的的状况。这种方方法是用用于判断断两曲面面在相接接处的几几何连续续性的主主要方法法。3.4.5曲曲面反射射性分析析该工具是是将给定定数量和和位置的的氖灯光光照射到到被检查查的曲面面上，用用户从一一定的位位置去观观察曲面面对灯光光的反射射效果，来分析析曲面的的质量。Classs-AA曲面的的技术要要求和生生成方法法4.1Claass-A曲面面的技术术要求Classs-AA曲面的的具体技技术要求求是：Classs-AA曲面必必须是光光顺曲面面；Classs-AA曲面的的特征网网格线必必须均匀匀合理地地分布，最好在在某一投投影面上上以矩形形方式分分布；C

20、lasss-AA曲面的的特征网网格节点点上表示示曲面曲曲率方向向的箭头头最好指指向一致致；两相邻曲曲面在与与两曲面面相接线线的垂直直方向，两曲面面的阶数数最好一一致，这这样在曲曲面匹配配处理后后，不会会产生不不必要的的曲面扭扭曲变形形。4.2Claass-A曲面面的生成成方法Classs-AA曲面的的生成步步骤是：先用一个个阶数较较小的曲曲面进行行拟合，一般是是4x44阶曲面面，这样样就能较较容易地地调整出出一个较较为近似似的曲面面。该曲曲面的基基本特征征是拟合合精度不不是太高高，但曲曲面光顺顺性良好好。如4x44阶曲面面不能很很好地拟拟合点云云数据，则采用用提高曲曲面阶数数的方法法，来提提高

21、曲面面的拟合合精度。但随着着曲面阶阶数的增增加，会会给曲面面的调整整带来许许多困难难和增加加许多调调整曲面面的工作作量。一一般的CClasss-AA曲面的的阶数是是6x66阶，最最多不超超过8xx8阶。理由是是6x66阶的曲曲面一般般能对曲曲面进行行较好的的拟合，可以满满足曲面面拟合精精度要求求，而且且也不会会对曲面面调整带带来许多多困难与与工作量量。曲面精细细调整时时，有必必要把曲曲面上所所有的横横向、纵纵向网格格线投影影到不同同平面上上，以生生成高质质量的曲曲面。单个曲面面生成后后，对相相邻曲面面进行匹匹配处理理，以生生成曲率率连续的的曲面组组。采用各种种曲面质质量检查查工具，判断曲曲面的

22、生生成质量量，以便便做出相相应的修修改，来来满足车车身外形形设计的的技术要要求。对曲面进进行修剪剪处理，以生成成给定大大小与范范围的曲曲面形状状与边界界。应用实例例我们以某某车型的的发动机机罩外板板为例，来说明明如何采采用CAATIAA V55软件的的Claass-A曲面面造型功功能进行行车身外外形Cllasss-A曲曲面的设设计方法法。5.1点云数数据处理理在利用点点云数据据进行CClasss-AA曲面造造型以前前，必须须对点云云数据进进行处理理，以生生成创建建Claass-A曲面面所需的的点云数数据。5.1.1点点云数据据的输入入进行CAATIAA V55的点云云处理模模块DSSE（DDi

23、giitall Shhapee Edditoor），选择点点云输入入(Immporrt aa clloudd poointt)图标标，显示示点云输输入对话话框，在在指定的的目录下下选择发发动机罩罩外板的的点云数数据。5.1.2点点云数据据的过滤滤点云数据据有如下下两种方方法进行行过滤：球过滤法法为了对点点云数据据进行有有效地过过滤处理理，可定定义一个个半径为为R的球球，在球球体范围围内的数数据点只只保留一一个数据据点，其其它数据据点将被被过滤掉掉。弦高过滤滤法弦高过滤滤法是指指通过第第一点和和第三个个点作一一条直线线，如中中间点与与直线之之间的垂垂直距离离小于指指定的弦弦高偏差差值，则则中间点

24、点被过滤滤掉，这这是一种种高效的的自适应应点过滤滤方法。5.1.3点点云数据据的删除除为Claass-A曲面面造型提提供良好好的点云云数据，有必要要删除点点云数据据中的“坏点”。我们们知道，由于被被扫描零零件的表表面状况况，扫描描时的电电流、电电压稳定定性、周周围环境境的振动动等原因因，经常常会在扫扫描数据据点中出出现跳点点、跳行行等不良良数据点点，这些些数据点点如不去去除掉，势必会会影响后后续造型型的精度度，因此此有必要要把这些些坏点从从点云文文件中删删除。5.1.4点点云数据据的色彩彩渲染为了提高高点云数数据的可可视性，以提高高曲面造造型的效效率，我我们往往往把点云云数据处处理成彩彩色渲染

25、染的图片片，它是是点云数数据构成成的三角角片图像像。5.1.5点点云数据据的剖切切点云数据据的剖切切是指利利用平面面去切割割点云数数据，生生成一组组剖面线线的方法法。点云云数据的的剖切有有如下几几个作用用：为后后续造型型准备所所需的断断面形状状；为生生成零件件上的特特征曲线线提供基基准；为为检查所所生成的的曲面与与原点云云数据之之间的偏偏差分布布规律提提供基准准。5.2曲面分分块与创创建曲面分块块是车身身外表面面Claass-A曲面面造型的的核心，也是能能否创建建出理想想的Cllasss-A曲曲面的关关键所在在，而创创建高质质量的CClasss曲面面也需要要许多技技巧与经经验。5.2.1曲曲面

26、分块块曲面分块块必须根根据被造造型零件件的形状状特征、所选曲曲面的类类型、曲曲面的阶阶数等方方面来综综合考虑虑。对发发动机罩罩外板而而言，具具体的分分块方法法是：发发动机罩罩外板的的中间主主体曲面面一般由由两块66x6阶阶的曲面面来拟合合，靠近近挡风玻玻璃侧的的曲面沿沿车身坐坐标系的的X方向向的长度度较大；而靠近近散热器器面罩侧侧的另一一块曲面面沿车身身坐标系系的X方方向的长长度较短短，而这这两块曲曲面在YY方向的的长度一一致。这这样处理理的目的的是：由由于发动动机罩外外板头部部的形状状的变化化较大，且曲率率半径较较小；而而尾部的的形状较较为平坦坦，且曲曲率半径径较大，因此，用这样样两块曲曲面

27、进行行拟合，就能较较好地解解决曲面面光顺和和拟合精精度的问问题。发发动机罩罩外板两两侧的两两块曲面面一般由由两块66x4阶阶的曲面面来拟合合，曲面面在X轴轴方向为为6阶，且与发发动机罩罩外板的的中间主主体曲面面相一致致，它们们的边界界曲线具具有相同同的X值值，曲面面在Y轴轴方向为为4阶，因曲面面在Y轴轴方向比比较平坦坦，故44阶曲面面就能很很好地拟拟合点云云数据。发动机机罩外板板两棱线线处地曲曲面，可可采用桥桥接曲面面来拟合合。5.2.2曲曲面创建建5.2.2.11中间间曲面的的创建中间曲面面的创建建步骤如如下：以点云数数据的剖剖切断面面线为基基准，利利用四点点生成简简单曲面面片功能能，生成成

28、一个简简单曲面面，它是是一个44x4阶阶的简单单曲面。使用控制制点编辑辑功能，选择法法向移动动方式和和凸型变变化规律律来调整整，使曲曲面逼近近点云数数据，在在移动控控制点的的过程中中，可动动态地计计算点云云数据与与待生成成曲面间间的偏差差值，并并以图像像方式显显示出来来，供设设计者做做出精度度方面的的判断。当4x44阶曲面面大约逼逼近点云云数据时时，我们们把曲面面的阶数数升为66x6阶阶，这样样就为曲曲面更逼逼近于点点云数据据提供了了条件。当逼近近精度基基本上接接近要求求时，曲曲面进入入精细调调整阶段段。曲面的精精细调整整主要集集中在曲曲面的特特征网格格的优化化上，如如采用网网格优化化功能，或

29、把曲曲面的uu、v向向网格线线投影到到给定的的平面上上等编辑辑处理方方法，使使曲面的的特征网网格得到到优化，从而提提高了曲曲面的造造型质量量。通过过精细调调整后的的曲面具具有如下下特征：曲面的的所有uu、v向向特征网网格线分分布在不不同的平平面上，特征网网格节点点上表示示曲面曲曲率方向向的箭头头指定一一致。5.2.2.22棱线线处曲面面的创建建发动机罩罩外板两两侧的曲曲面生成成方法与与中间曲曲面的生生成方法法类同，这里不不再讨论论。下面面将讨论论发动机机罩外板板棱线处处曲面的的生成方方法。根据点云云数据，生成决决定棱线线曲面的的两条边边界曲线线，这两两条边界界曲线必必须具有有保凸性性和曲线线光顺性性，而且且这两条条曲线的的阶数控控制在88阶以内内。把这两条条曲线分分别投影影到中间间曲面或或两侧曲曲面上，然后利利用曲面面修剪功功能，对对中间曲曲面和两两侧曲面面进行修修剪处理理，以生生成所需需的修剪剪曲面。利用桥接接曲面功功能，选选择在中中间曲面面和两侧侧曲面上上的修剪剪边界线线为待