曲面造型方法的分析與應用

郭艷艷

（武漢鐵路職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430205）

0 引言

曲面是一種厚度為零的幾何體，若想生成曲面，可以使用與生成實體相同的許多工具，如拉伸、旋轉、掃描、放樣等，曲面還有一些其他的功能或特征，如剪裁、解除剪裁、延伸以及縫合等。從實體的曲面造型入手創(chuàng)建實體比直接從實體造型出發(fā)創(chuàng)建實體要具有優(yōu)勢，及更大的靈活性，因為可等到設計的最終步驟后再定義曲面之間的邊界，此靈活性有助于產品設計者操作平滑和延伸的曲線。盡管在不同的三維軟件如Pro／E、UG、CATIA和SolidWorks中所使用的指令有所差別，但基本的造型策略都是類似的。充分理解各種曲面造型方法以及所生成曲面的特點對于曲面創(chuàng)建是非常重要的。

1 常用曲面造型方法

（1）曲面拉伸：以某一草圖作為拉伸特征，沿設定的方向、距離、傾斜角度拉伸所創(chuàng)建的曲面。本例中的曲面在創(chuàng)建中只用到一個草圖，如圖1 所示。

圖1 曲面拉伸

（2）曲面旋轉：以某一草圖作為旋轉特征，沿設定的旋轉軸、方向、角度旋轉所創(chuàng)建的曲面。該曲面在創(chuàng)建中要用到一個草圖和一個旋轉軸，所創(chuàng)建的曲面為回轉曲面，如圖2 所示。

（3）曲面掃描：以某一草圖作為掃描輪廓，以另一草圖作為掃描路徑所創(chuàng)建出的曲面，如圖3 所示；有時根據(jù)需要還需要加入引導線草圖，如圖4 所示。

（4）曲面放樣：由若干個不同的草圖特征按照一定順序平滑過渡所創(chuàng)建的曲面，如圖5 所示；必要時也可以加入引導線草圖，如圖6 所示。

除了上述幾種基本曲面造型方法外，為了達到創(chuàng)建復雜曲面的目的，通常還要對已有的曲面進行曲面編輯，如縫合曲面、延伸曲面、剪裁曲面、移動／復制曲面、刪除面、曲面圓角等。

圖2 曲面旋轉

圖3 曲面掃描（無引導線）

圖4 曲面掃描（有引導線）

圖5 曲面放樣（無引導線） 圖6 曲面放樣（有引導線）

2 應用舉例

對于復雜的曲面形狀造型，一般不能單純使用某一種方法，通常都是綜合運用各種方法來參與構建。復雜曲面的構建除了局部形狀構面方法的選擇外，建模的順序也尤為重要，通常依據(jù)的建模順序原則是：先主體后細節(jié)，先平滑后變化。即首先要創(chuàng)建主體的大面，然后再創(chuàng)建曲面上的各種局部特征；首先創(chuàng)建相對比較平滑的曲面，然后再創(chuàng)建變化比較快的曲面。下面，以SolidWorks軟件為操作軟件，通過一個實際例子來說明曲面造型方法的具體應用。

圖7 為噴嘴的外形，要求創(chuàng)建其外形曲面。首先應對該曲面進行構形分析：該曲面由（如圖8 所示）把手、底座、連接部分、嘴部4部分組成。由于連接部分的形狀和位置是由其余3部分的形狀和位置決定的，因此在造型時，可以先從把手、底座、嘴部入手，再創(chuàng)建連接部分。具體創(chuàng)建方法和步驟如下：

（1）創(chuàng)建底座。該底座是一個圓臺形，可以在兩個平行基準面上分別創(chuàng)建上、下兩個底面圓的草圖，如圖9所示。草圖1 為下底面圓，草圖2 為上底面圓，再利用曲面放樣命令完成。

圖7 噴嘴外形 圖8 噴嘴組成部分

（2）創(chuàng)建把手。該把手的截斷面均為圓頭四邊形，靠左邊從上到下是沿直線發(fā)展的，靠右側是沿手指抓柄的曲線發(fā)展的，因此在建模時不能簡單地利用曲面拉伸建模，而要使用掃描曲面工具生成噴嘴把手，如圖1 0所示，其中，草圖5 為掃描輪廓草圖，草圖3 為掃描路徑（控制掃描方向），草圖4 為掃描引導線（控制截斷面形狀大?。?/p>

圖9 創(chuàng)建底座

圖1 0 創(chuàng)建把手

（3）創(chuàng)建嘴部。該部分的截斷面均為圓形，上沿為一大圓弧，下沿為一小圓弧，同樣可以利用掃描曲面工具創(chuàng)建，如圖1 1所示，其中，草圖8 為輪廓，草圖7 為掃描路徑，草圖6 為掃描引導線。

（4）創(chuàng)建連接部分。該部分是整個噴嘴曲面創(chuàng)建的難點，該部分將同時光滑連接底座、把手和嘴部。為了將各部分連接起來，我們可以將已經(jīng)創(chuàng)建出來的各部分曲面分割成多個曲面，再利用曲面放樣將它們連接起來。具體步驟如下：①分割嘴部：如圖1 2所示，利用分割線命令，將草圖9作為投影的草圖，對嘴部曲面進行分割；②分割底座：如圖1 3所示，再次利用分割線命令，將草圖9作為投影的草圖，對底座曲面進行分割；③連接把手和嘴部：如圖1 4所示，利用放樣曲面命令，將輪廓1和輪廓2選為放樣曲線，并設置開始和結束約束條件均為與面相切，合并切面即可；④用同樣的方法，將底座與把手、底座與嘴部連接起來。如圖1 5所示。

圖1 1 創(chuàng)建嘴部

圖1 2 分割嘴部

圖1 3 分割底座

圖1 4 連接把手和嘴部

（5）將各曲面縫合為一個整體，縫合曲面不會改變曲面的外觀。

（6）使用填充曲面工具填充在底座、把手及嘴部之間閉合區(qū)域的每個側邊，完成曲面的創(chuàng)建。

圖1 5 連接底座與把手、底座與嘴部

3 結束語

要創(chuàng)建高質量的曲面，造型的方法和步驟是至關重要的，同時還要靈活應用各種曲面造型方法，特別是掃描和放樣曲面造型，當其中引導線繪制和設置不合適時將直接導致曲面造型歪曲或者失敗。因此，正確分析各曲面是整個曲面造型中的關鍵。