基于三維技術(shù)的汽車造型設(shè)計(jì)研究

李 和

（襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，襄陽 441053）

0 引言

隨著世界的快速發(fā)展，汽車在人們生活中的地位越來越重要，汽車行業(yè)的競爭也日益激烈。汽車造型設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)提升汽車競爭力的重要手段，已被各大汽車生產(chǎn)廠商加以重視。

對于現(xiàn)代汽車造型設(shè)計(jì)來說，計(jì)算機(jī)輔助的應(yīng)用推動了其快速發(fā)展?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用于汽車造型設(shè)計(jì)方面的已開發(fā)出多種軟件，像PRO/E，UG，Solidworks，Catia等軟件應(yīng)用都非常廣泛[1]。

1 汽車造型的性質(zhì)和特點(diǎn)

汽車造型設(shè)計(jì)屬于多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，主要涉及工程與藝術(shù)、技術(shù)與美學(xué)兩大方面[2]。汽車造型設(shè)計(jì)是對汽車進(jìn)行全面的系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，要考慮汽車多方面之間的聯(lián)系，首要的就是安全，其次是舒適性，最終要與實(shí)用美觀性達(dá)到高度的統(tǒng)一。因此，汽車造型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合的復(fù)雜的工程，它不僅對美學(xué)有很高的要求，同時對空氣動力學(xué)的要求也很苛刻。

汽車造型設(shè)計(jì)的復(fù)雜性決定在開展這項(xiàng)工程時是一個繁瑣細(xì)致的過程。傳統(tǒng)的汽車造型設(shè)計(jì)流程是一種局部修形優(yōu)化的方法，即先由工業(yè)設(shè)計(jì)師提出美學(xué)造型方案，再由空氣動力學(xué)工程師對方案進(jìn)行仿真和局部優(yōu)化以確定最終外形[3]。這個方法要花費(fèi)設(shè)計(jì)者大量的時間和精力，稍有疏忽就容易出錯。

因此，需要通過新的方法來不斷改進(jìn)該工程的設(shè)計(jì)方式。

2 基于三維技術(shù)的汽車造型設(shè)計(jì)研究

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為汽車造型設(shè)計(jì)提供了一個新的方法，為了便于分析，本文以Catia為例，對汽車造型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2.1 CATIA簡介

Catia軟件的英文全稱是Computer Aided Tri-Dimension al Interface Application，是目前應(yīng)用廣泛的一款計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，它是由法國的達(dá)索公司所開發(fā)，它的風(fēng)格獨(dú)特、界面友好、功能強(qiáng)大，能夠?yàn)槠囋煨驮O(shè)計(jì)提供良好的服務(wù)，為廣大汽車生產(chǎn)廠商所歡迎。采用Catia軟件能夠建立車身精確的3D曲面模型，百分之百地反映出造型師的意圖，使造型師設(shè)計(jì)的復(fù)雜、優(yōu)美、流線型的汽車曲面得以實(shí)現(xiàn)[4]。該軟件在車輛的生產(chǎn)過程中提供了端對端的一個整體解決方案，因而廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造這些行業(yè)的復(fù)雜曲面造型設(shè)計(jì)中。

當(dāng)代汽車的外觀形式復(fù)雜，這對計(jì)算機(jī)輔助軟件提出了較高的要求，Catia軟件擁有特殊的混合建模技術(shù)，其中包括一種樹結(jié)構(gòu)，這使得汽車造型設(shè)計(jì)在進(jìn)行修改時顯得十分方便，解決了其他軟件修改不便的弊病。Catia軟件的數(shù)據(jù)平臺也與其他軟件有所不同，該軟件的各個模塊是基于同一個數(shù)據(jù)庫，因此設(shè)計(jì)時各模塊間的關(guān)聯(lián)性比較大，便于統(tǒng)籌開展工作。這些特點(diǎn)極大地提高了汽車開發(fā)效率，所以，Catia是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最為專業(yè)的軟件之一。

2.2 CATIA曲面造型原理

曲面造型是三維中的高級技術(shù)，也是逆向造型的基礎(chǔ)。無論是簡單的空間曲面還是復(fù)雜的空間曲面都可以看作是無數(shù)點(diǎn)的集合。線源于點(diǎn)而展成面，是“承下啟上”的造型元素；面最能表達(dá)形態(tài)的全部內(nèi)容[5]。因此在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中往往由點(diǎn)成線，之后線再成面來輔助設(shè)計(jì)。為此，選擇承上啟下的線顯得至關(guān)重要。在計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)中，Bezier曲線、B樣條曲線都被普遍認(rèn)為是理想的構(gòu)造自由曲線和自由曲面的曲線[6]。其中B樣條曲線應(yīng)用較為廣泛，圖1是B樣條曲面。

圖1 B樣條曲面

在圖中我們可以看到，在一個方向上設(shè)定一些點(diǎn)，然后在該方向上采用相關(guān)數(shù)學(xué)方法不斷的逼近，逐步形成一條曲線，這樣就形成了B樣條曲線，換個方向采用同樣的方法也可以形成B樣條曲線。在形成B樣條曲線時，通過在基函數(shù)里采用節(jié)點(diǎn)的不均勻分割可以來適應(yīng)特征頂點(diǎn)或型值點(diǎn)嚴(yán)重不均勻的情況[7]。然后將B樣條曲線進(jìn)行直積就可求得B樣條曲面。所生成的該B樣條曲面就是我們所要描述的任意復(fù)雜空間曲面。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為如下所示：

上述表達(dá)式說明形成的B樣條曲線的多少與實(shí)際曲面的相符度是成正比的，B樣條曲線越多，隨之帶來的計(jì)算量也會越大，但也越精確，CATIA曲面造型就是運(yùn)用B樣條曲線來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于汽車車身外部覆蓋件和車廂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件都是由一些曲率變化不規(guī)則的復(fù)雜型面組成，因此僅有一張光滑的曲面無法構(gòu)成汽車的模型，必須由一些大小不一、形狀各異的曲面片連接而成。因此，先應(yīng)生成無數(shù)點(diǎn)，然后需要經(jīng)過擬合、逼近和優(yōu)化而生成的高級曲線，再者根據(jù)不同的控制條件由曲線生成最終的理想曲面,也就是汽車的曲面片。

2.3 汽車車身三維建模

三維模型是物體的三維多邊形表示，三維模型經(jīng)常用三維建模工具這種專門的軟件生成，從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的角度出發(fā)，三維建模就是三維幾何造型，其本質(zhì)就是點(diǎn)、線、面和體的集合。汽車車身適合于表面模型，表面模型即為曲面模型。

2.3.1 車身造型設(shè)計(jì)過程

汽車的車身無論是外表面還是內(nèi)部的輪廓，雖然看上去很復(fù)雜，但是仔細(xì)分析，可以發(fā)現(xiàn)其是由一些不規(guī)則的三維曲面所構(gòu)成，車身設(shè)計(jì)是汽車開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)程中最為基礎(chǔ)也是最為重要的一個環(huán)節(jié)。汽車設(shè)計(jì)主要是由車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車身造型設(shè)計(jì)所組成。要對汽車車身曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要的過程是：先將車身曲面進(jìn)行分塊，當(dāng)曲面分塊完成后，生成曲線、曲面，然后對單塊的曲面進(jìn)行質(zhì)量評價，將評價好的曲面拼接起來，再步入車身曲面品質(zhì)評價，若評價OK，即完成車身造型設(shè)計(jì)，若NG，返回曲線、曲面的生成，再進(jìn)行單塊曲面的質(zhì)量評價，曲面的連接，直到整體曲面評價滿意為止。為了更直觀地展示出車身造型設(shè)計(jì)的過程，用流程圖來表示，如圖2所示。

圖2 車身造型設(shè)計(jì)流程圖

2.3.2 設(shè)計(jì)車身曲面關(guān)鍵點(diǎn)

由汽車的具體外形可知，要對整個車身進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須設(shè)計(jì)出不同的曲面，這樣才能形成一個完整的車身。在對車身曲面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時需要根據(jù)車身盡可能多，盡可能細(xì)的去劃分特定的曲面，然后將對不同曲面用B樣條曲線擬合優(yōu)化，形成理想的車身曲面。在用B樣條曲線進(jìn)行擬合優(yōu)化時需根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)設(shè)置多條曲線，以使曲面更加切合實(shí)際，更加完美。在曲面的劃分是也許注意以四邊形區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

因此綜合考慮以上準(zhǔn)則，本文將整個車身曲面分為為四塊，首先對車頭進(jìn)行曲面建模，接著對車尾進(jìn)行曲面建模，然后將車頭曲面與車尾曲面連接起來，即采用過渡曲面形成車廂中部的曲面。車頂曲面由曲線放樣生成，通過調(diào)節(jié)曲率使車頂曲面與車身其他曲面之間的連接光滑、平順、和諧。下面就按照此種曲面分塊的方法建立了轎車的車身模型。

2.3.3 車身曲面建模

2.3.3.1 車頭曲面建模

車頭的造型具有重要的意義，決定了整車造型的好壞，是整車造型的關(guān)鍵，車頭一般都是放置發(fā)動機(jī)的，從造型角度出發(fā)，可將車頭分成五個部分：發(fā)動機(jī)散熱罩、發(fā)動機(jī)蓋、保險(xiǎn)杠和前左、右翼子板。由于轎車屬于流線型，車頭造型的曲面形狀比較多，曲面構(gòu)成也最復(fù)雜。但引入NURBS曲面通過調(diào)整形狀可以獲得車頭模型，由于NURBS具有此種優(yōu)勢，不管多么復(fù)雜的外形，通過控制點(diǎn)的調(diào)整都能生成需要的曲面形狀，這也是本文采用NURBS曲面建模的原因。轎車車頭的初始曲面模型即由兩塊平行的NURBS可控曲面通過它們之間的過渡曲面拼接而成。然后對車頭曲面模型進(jìn)行細(xì)部的編輯修改，用曲線剪切曲面的方法生成發(fā)動機(jī)散熱罩、發(fā)動機(jī)蓋、保險(xiǎn)杠、前左、右翼子板。如圖3所示。

2.3.3.2 車尾曲面建模

轎車的車尾造型是轎車造型的一個比較重要的部分，它影響到整個汽車的造型，汽車車尾的造型主要是后部的端部形狀、尾燈的型式及與牌照之間的相互關(guān)系。雖然車尾比起車頭制作要簡單一些，但其造型也需要與車頭的造型相一致，否則將整個汽車的美觀。車尾的初始曲面由上下兩塊平行的曲面形成，再通過修改編輯生成車尾的形狀，其建模方法與車頭建模方法相類似如圖4所示。

圖3 車頭曲線建模

圖4 車尾曲線建模

2.3.3.3 整車的三維模型

對車身表面分塊造型后，將各部分的曲面模型裝配到一起，然后先對車身各部分曲線進(jìn)行縫合，再對其進(jìn)行曲面的縫合。為了曲面達(dá)到光滑過渡，以及平順、和諧的效果，對一些區(qū)域進(jìn)行必要的細(xì)化處理。最后生成的汽車三維建模如圖5所示。

2.3.4 車身曲面品質(zhì)評價

曲面質(zhì)量對汽車的外覆蓋件起著重要的作用，但是獨(dú)立曲面連接并不能保證一定生成光順高質(zhì)量的整體曲面，因此當(dāng)車身的曲面拼接后，要對整體曲面進(jìn)行評價，以確保整體曲面能達(dá)到預(yù)期的要求，所以曲面光順性評價在曲面重構(gòu)過程中有著很重要的作用，是一個必須加以重視的環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

圖5 汽車車體的三維模型

本文在基于三維技術(shù)引入CATIA軟件對汽車造型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，建立了汽車車身三維數(shù)學(xué)模型。在曲面數(shù)學(xué)建模中，引入了非均勻有理B樣條作為建模的手段。結(jié)果表明：CATIA軟件的技術(shù)為汽車造型的設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)、方便、快捷的方式，不但能簡化整個汽車造型設(shè)計(jì)的進(jìn)程，而且在縮短了開發(fā)周期的同時保證了開發(fā)精度，最關(guān)鍵的是設(shè)計(jì)開發(fā)成本的不斷下降，極大地提高了汽車開發(fā)效率。

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