CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計上的應用

2016-12-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

圖1 汽車Class A曲面

采用CATIA V5的Class A曲面建模功能來進行汽車車身表面設(shè)計,可以有效地縮短車身的開發(fā)周期,其應用日益廣泛,并且備受用戶好評。

汽車車身是一個品牌的標志和象征,直接代表著汽車的開發(fā)水平。汽車車身的發(fā)展歷史是設(shè)計師不斷開發(fā)新資源,采用新技術(shù)并按照審美的規(guī)律進行開發(fā)的歷史?，F(xiàn)代車身設(shè)計,尤其是外觀件的設(shè)計已經(jīng)完全擯棄了由二維到三維的階段,而是直接由虛擬三維到實際三維。由于先進設(shè)計方法和開發(fā)工具的出現(xiàn),車身的開發(fā)周期已經(jīng)大大縮短了。

車身是汽車產(chǎn)品的外衣,它不僅影響汽車造型的外觀質(zhì)量,而且也影響汽車車身的選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝、生產(chǎn)技術(shù)等。一個外觀質(zhì)量良好的汽車產(chǎn)品,會給人一種賞心悅目的感受,會激發(fā)人們的購買欲。因此,汽車車身外形設(shè)計一直是各汽車公司產(chǎn)品開發(fā)的重點工程。

ClassA曲面簡介

Class A一詞最初是由Dassault System公司提出并付諸應用的,常譯作A級曲面,專指車身模型中對曲面要求質(zhì)量較高或者有特殊要求的一類曲面,如外形曲面、儀表板和內(nèi)飾件的表面等。所謂A級曲面的定義,是必須滿足相鄰曲面之間的間隙在0.005mm以下,切矢改變在0.16°以下,曲率改變在0.005°以下的曲面。因此,Class A曲面是既滿足幾何光滑要求,又滿足審美要求的曲面。

在具體采用Class A曲面功能進行汽車外形設(shè)計以前,下面將介紹與此相關(guān)的概念。

1、曲面片

曲面片是構(gòu)造曲面的基本單元,它是由兩個參數(shù)u、v來表示的。關(guān)于u、v參數(shù)的范圍對于曲面片來說,u向參數(shù)值從0~1,v向參數(shù)值也從0~1。

CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計上的應用Catia應用技術(shù)圖片2

圖2 發(fā)動機罩外板曲面數(shù)模

2、曲面的階數(shù)

曲面由兩個參數(shù)u、v來表示,在曲面的兩個方向上可以賦予不同的階數(shù),曲面u方向的階數(shù)等于該曲面在u方向的控制點數(shù),而曲面v方向的階數(shù)等于曲面在v方向的控制點數(shù)。

3、曲面的幾何連續(xù)性

曲面的幾何連續(xù)性是指兩曲面在邊界處兩曲面間的幾何連續(xù)性。連續(xù)性包括點連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)等。

4、光順性

光順是一個工程上的概念,主要包括光滑與順眼兩個含義,帶有一定的主觀色彩,由設(shè)計工程師根據(jù)自身的經(jīng)驗做出判斷,包括:曲線、曲面具有二階幾何連續(xù)性,即光滑性;沒有多余的拐點;曲率變化較均勻;符合設(shè)計師的主觀感覺要求。

通過參閱一些資料,并做大量的曲面和零件設(shè)計,對Class A曲面的要求包括:曲面片由B樣條方法描述,節(jié)點向量采用累加弦長參數(shù)化法;曲面在u、v方向上次數(shù)在三次(四階)至七次之間(八階),最高不要大于九次(十階);相鄰曲面片滿足G2連續(xù),至少滿足G1連續(xù),特殊要求滿足G3連續(xù);大的曲面片為全凸的。

CATIA軟件Class A曲面造型功能介紹

CAITA V5軟件是法國Dassault System公司開發(fā)的一種主流的CAD/CAM/CAE一體化軟件。CATIAV5是汽車工業(yè)的實施標準,是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所選用的核心系統(tǒng)。

CATIAV5在造型風格、車身及引擎設(shè)計等方面具有獨特之處,為各汽車廠商的設(shè)計和制造提供了端到端(End-to-End)的解決方案。該系統(tǒng)具有很強的曲面造型功能,主要的曲面造型模塊包括:創(chuàng)成式曲面設(shè)計、自由外形設(shè)計、創(chuàng)成式曲面設(shè)計優(yōu)化、白車身設(shè)計等。CATIA外形設(shè)計和風格設(shè)計解決方案為Class A曲面的生成提供了廣泛的集成化工具。

CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計上的應用Catia應用技術(shù)圖片3

圖3 發(fā)動機罩外板等照度線(Isophote)分析效果圖

設(shè)計人員采用CATIA V5實時建模,關(guān)聯(lián)性曲面建模、捕捉設(shè)計意圖和整體曲面修改等卓越的曲面造型技術(shù),可生成構(gòu)造既美觀又符合人體工程需要的CLASS A 汽車外形,還可實時渲染,產(chǎn)生高質(zhì)量的逼真的效果圖(如圖1)。

ClassA曲面的技術(shù)要求和生成方法

1Class A曲面的技術(shù)要求

Class A曲面的具體技術(shù)要求是:

(1) Class A曲面必須是光順曲面;

(2) Class A曲面的特征網(wǎng)格線必須均勻合理地分布,最好在某一投影面上以矩形方式分布;

(3) Class A曲面的特征網(wǎng)格節(jié)點上表示曲面曲率方向的箭頭最好指向一致;

(4) 兩相鄰曲面在與兩曲面相接線的垂直方向,兩曲面的階數(shù)最好一致,這樣在曲面匹配處理后不會產(chǎn)生不必要的曲面扭曲變形。

2Class A曲面的生成方法

(1) 特征分析

在進行車身Class A曲面設(shè)計之前,首先要對點云進行特征分析,定義車身上曲面的分塊原則以及分塊方式,捕捉車身特征線等。

(2) 單個曲面片設(shè)計

首先,用一個階數(shù)較小的曲面進行擬合,一般是4×4階曲面,這樣就能較容易地調(diào)整出一個較為近似的曲面。該曲面的基本特征是擬合精度不是太高,但曲面光順性良好。

其次,提高曲面階數(shù)的方法,來提高曲面的擬合精度。但是隨著曲面階數(shù)的提高,給曲面的調(diào)整帶來許多的困難與工作量。一般來說,Class A曲面的u、v方向的次數(shù)要控制在5次(6階)高不超過7次(8階)。

最后,對曲面進行曲面精細調(diào)整,應將曲面上所有的橫向、縱向網(wǎng)格線投影到不同平面上,以生成高質(zhì)量的曲面。

(3)曲面匹配處理

曲面片生成之后,對相鄰的曲面片之間必須進行匹配處理,以生成曲率連續(xù)的曲面組。曲面匹配就是將一個曲面的邊界在保證一定連續(xù)性的情況下匹配到另一個參考曲面的邊界上。在曲面匹配的過程中要保證匹配后的曲面不會產(chǎn)生扭曲變形,曲面的網(wǎng)格相對整潔。

(4)曲面質(zhì)量檢查

曲面生成之后,采用各種曲面質(zhì)量檢查工具,判斷曲面的生成質(zhì)量,以便做出相應的修改來滿足車身外形設(shè)計的技術(shù)要求。CATIA V5主要的Class A曲面分析工具有:

a、環(huán)境影響分析:該功能主要通過虛擬環(huán)境圖像投影到曲面上的影像來分析曲面的質(zhì)量;

b、斑馬線分析:通過在曲面上生成黑白相間的條紋來檢查曲面的質(zhì)量,它是常用的檢查曲面質(zhì)量的方法之一;

c、曲面斷面線分析:該方法是用一組平面去切割要分析的曲面,分析這組平面與曲面的交線,即斷面線的質(zhì)量,來判斷曲面的質(zhì)量。該方法也是一種常見的曲面質(zhì)量評價方法;

d、幾何連續(xù)性分析:該工具用于分析兩曲面間的幾何連接性關(guān)系,可以分析兩曲面在連接處的點連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)等幾何連續(xù)性的狀況。這種方法是用于判斷兩曲面在相接處的幾何連續(xù)性的主要方法。對曲面進行修剪處理,以生成給定大小與范圍的曲面形狀與邊界。

應用實例

現(xiàn)在以某車型的發(fā)動機罩外板為例,來說明如何采用CATIA V5軟件的Class A曲面造型功能進行車身外形設(shè)計。

1 、特征分析

通過對發(fā)動機罩外板點云的分析,確定了發(fā)動機罩外板Class A曲面的分塊方法。具體的分塊方法是:發(fā)動機罩外板的中間主體一般由兩塊曲面來擬合;發(fā)動機罩外板兩側(cè)一般由兩塊曲面來擬合;同時,發(fā)動機罩外板兩棱線處的曲面可采用橋接曲面來過渡。

2 、曲面創(chuàng)建

(1)發(fā)動機罩外板中間曲面采用6×6階曲面進行擬合,以點云的剖切斷面線為基準,采用控制點編輯功能,通過Class A曲面的特征網(wǎng)格的優(yōu)化等方法獲得,同時,對于兩側(cè)的曲面可采用同樣的方法來進行。

(2)在處理發(fā)動機(轉(zhuǎn)p107) (接p105)罩外板棱線處的曲面時,首先根據(jù)點云生成決定棱線曲面的邊界條件,通過投影將這兩條曲線分別投影到發(fā)動機罩外板中間曲面和兩側(cè)曲面上,通過橋接功能生成棱線處的曲面。

(3)發(fā)動機罩外板曲面生成之后,根據(jù)點云數(shù)據(jù),生成發(fā)動機罩外板的外形輪廓曲線。外形輪廓線的兩側(cè)必須與翼子板的對應輪廓線保持均勻的間隙,輪廓線的前端必須與散熱器面罩和前燈具的上邊界線保持均勻的間隙。通過投影將這些曲線投影到曲面上,并作相應的修剪處理。這樣就得到完整的曲面(如圖2)。

3、曲面質(zhì)量檢查

我們可以利用曲面斑馬線分析檢查功能、曲面斷面線分析功能、幾何連接性分析功能、曲面反射線分析功能等分析手段來檢查所生成曲面的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)問題,及時對相應的部位進行修改,以滿足Class A曲面的要求(如圖3)。

CATIA V5的Class A曲面建模功能為汽車車身外表面的幾何造型提供了極其豐富的建模手段和曲面品質(zhì)檢驗手段,它已越來越廣泛地應用于世界各大汽車公司的車身外形設(shè)計上,并發(fā)揮了巨大的作用。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才