车身复杂曲面的建模方法与应用

8 B-I 造型软件
要高质量地完成一个较复杂零件的造型，除了需要具备计 算机图形学、 机械制图、 机制工艺等方面的知识， 造型软件是计
& 来稿日期： D@@A & @D & DV & 辽宁省科学技术自然基金资助项目 7 项目编号： D@@DD@AV C
=============================================> 中图分类号：F,8DD FOAX89 YD
< ; = 根据影像信息、 外部已知信息、 参照功能和工作原理进 行推理， 分析产品的结构和材料。 < @ = 为了较准确地得到产品形体的尺寸，需要根据影像信 息， 采用透视图原理求出各尺寸之间的比例， 然后用参照物对比 法确定其中某些尺寸，通过比例求得物体的全部尺寸。参照物 可为已知尺寸的人、 物或景。 < A = 可借助计算机图像处理技术来处理影像信息。可利用 摄像机将照片中的图像信息输入计算机，经过处理得到三维 ,-0 实体模型及其相关尺寸。
;> * 车身曲面的实物逆向设计
通常实物反求的对象大多是比较先进的设备、 产品， 包括从 国外引进的先进设备、 产品和国内的先进产品， 在此基础之上， 开发创新新的产品。当今国内汽车工业在引进、 消化、 吸收国外 的先进技术及创新设计时需对车身实物进行反求数学模型，建 < ? = 设计思维； < * = 二维图 < 零件或总成图 模的数据信息来源有： < ; = 实物； < @ = 三维图。逆向工程实物测量就是对实物进行 纸=； 特征点测量，再利用计算机拟合特征点成曲线曲面以便对其个 和加工。通常，解决此问题的方法是使用三坐标测量机采集海 量点，再利用商品软件进行曲面造型以生成高质量的曲面。在 逆工程中， 准确、 快速、 完全的获取实物的三维几何数据， 即对物 体的三维几何形面进行三维离散数字化处理，是实现逆工程的 基础。
设计， 如汽车、 飞机、 船舶等， 这些物体在空气、 水流等流体中相对 运动，由于流体对运动物体产生阻力，运动物体的外形设计将变 得十分重要， 运动物体外形的光滑与否将直接影响其运动性能。 现代汽车车身造型技术是车型开发系统工程中最为基础的一个 必须充分考虑空气动力学与美学要求， 车身造型不仅要 环节 J 8 K ， 使汽车外观赋予浓郁的时代感， 而且要使表面光滑、 美观， 使所设 “流线型” 计的运动物体的外形具有 ， 因此， 对汽车覆盖件的曲面 造型提出了更高的要求。汽车工业发展到今天， 各大汽车公司为 了树立自己的品牌形象，已愈来愈重视汽车造型所起的作用，造 型已成为汽车产品竞争的最有力手段之一。 轿车的变化则通过换代、 换型， 还有年度车型来体现， 所有 这些变化是通过汽车科技含量的提高，外观造型的变换，局部 细节的差异来实现。 这里涉及车身的建模方法、造型技术的原理和过程，分析 了车身曲面建模的特点和主要问题。
《机械设计与制造 》 UG;9 D@@A 文章编号： 8@@8 & AXXY 7 D@@A C @V & @@88 & @A
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7 8 东北大学， 沈阳 88@@@A； D 沈阳工业大学， 沈阳 88@@DA C !"# $#%"&’ ()’ (**+,-(%,&) &. /#",-+# 0&’1 -&$*+#2 345.(-# $&’#+,)6 !" #$% & ’(%)* +,-./ /0( & 1’(%)* 2- 3’4 & 54$(* 2- 64% 7 89 .(:;’<$=; "%4><:=4;?* 3’<%?$%) 88@@@A B’4%$ C ========================> 7 D9 3’<%?$%) "%4><:=4;? (E F<G’%(H()?* 3’<%?$%) 88@@DA* B’4%$ C =============================================> 【摘要】 汽车车身是复杂的空间自由曲面， 在汽车设计开发过程中， 车身设计是直接影响设计成功 ========================> 与否的重要因素， 而在车身的计算机辅助设计当中， 复杂曲线和曲面的设计又是一个核心的问题。将 设计思想或实物原型转变为 B-I 模型，是加速引进车型的国产化与产品创新设计的关键技术。通过 对目前工程界采用的整体造型、 参数法及工程图纸、 三维测量等反求工程建模方法的介绍， 讨论其造 型技术的原理、 过程和方法， 分析了车身曲面建模的特点和主要问题。 关键词： 车身； 几何建模； 计算机辅助设计； 反求 【 703%5(-%】 #$%&’($ )*+, ’*-.&./. *0 ’*12(&’3/$+ .23/&3( 04$$ ! 0*41 .5403’$6 754&-8 /%$ +$9$(*21$-/ *0 ’34 +$.&8-: /%$ +$.&8- *0 &/. )*+, &. /%$ &12*4/3-/ 03’/*4 ;%&’% ;&(( +$’&+$ ;%$/%$4 /%&. +$.&8- &. .5’’$..05(*4 -*/6 <5/ /%$ +$.&8- *0 ’*12($= ’549$ 3-+ ’549$ .5403’$ &. /%$ ’*4$ &- /%$ >?7 *0 9$%&’($ )*+,6 @/ &. /%$ A$, .A&(( /* .2$$+ 52 /%$ (*’3(&B3/&*- 3-+ *4&8&-3(&/, *0 &12*4/$+ 24*+5’/. /%3/ /%$ +$.&8- /%*58%/ *4 *)C$’/ 24*/*/,2$ ’3)$ ’%3-8$+ &-/* >?7 1*+$(.6 D%$ 0$3/54$. 3-+ /%$ 13&- 24*)($1. 0*4 1*+$(&-8 *0 ’34 )*+, .5403’/ 34$ 3-3(*,B$+ ), &-/4*+5’&-8 /%$ 4$9$4.$ $-8&-$$4&-8 1$/%*+.: .5’% 3. /%$ 8$*1$/4&’ 1*+$(&-8 1$/%*+. *0 /%$ ;%*($ .%32$: 23431$/$4: +$.&8- 2E2$4 3-+ F7 1$3.54&-8 3-+ +&.’5..&-8 /%$ 24&-’&2($.: 24*’$..$. 3-+ 1$/%*+. *0 &/. 1*+$(&-8 /$’%-&E5$.6 8#1 9&5’3: ;#",-+# 0&’1< =#&$#%5,- $&’#+,)6< >&$*4%#5 (,’#’ ’#3,6)< ?#/#53# 文献标识码：算机辅助产品造型设计的核心，也是造型师利用计算机进行产 品设计的最基本的要求，重构曲面的品质客观上取决于所选用 的造型软件的功能，因此，选用一种合适的建模软件就相当重 要。 在三维建模软件中， 目前世界上比较流行的几种是： B-FL-、 每种软件都各有其自身的结构 3(H4M NM)<、 "/、 O:( P N%)4%<<: 等， 体系和模型表现方法。 美国 OFB 公司的 O:( P N%)4%<<: 7 以下简称 O:( P N C 软件是一 个 B-I P B-N P B-2 一体化的软件系统，以其参数化、基于特 征、全相关等新概念闻名于 B-I 界，其曲面造型集中在 O:( P 更好的 3"QR-BN 模块。提出了一种比无约束自由造型更新颖、 算法—— — 参数化实体造型方法。它主要的特点是： 基于特征、 全 尺寸约束、 全数据相关、 尺寸驱动设计修改， 它具有优于同类软 件产品较强的实体造型和曲面造型功能。O:( P N 是用 S & 3TH4%< 7 S 样条 C 来描述自由曲面， 可通过扫描、 拉伸、 抽壳、 旋转以及自 定义曲面的方法构建光滑的车身曲面， 还可利用 O:( P 30:E$G< 曲 面模块， 构造平面轮廓、 偏移、 倒圆、 拔模、 拟合曲面， 使车身表面 设计更为美观、 光顺。 O:( P N 参数化技术的应用主导了 B-I 发 展史上的第三次技术革命。 汽车业， 美国 "%4):$T’4G= 3(H0;4(%= 公司的 "/ 源于航空业、
* 实体造型建模
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论 给设计带来了惊人 上有助于统一 ,-0、 ,-:、 ,-9 的模型表达， 的方便性。它是利用一些基本体素， 如长方体、 圆柱体、 球体及 扫描体等通过并、 交、 差等集合运算 < 布尔运算 = 来构成三维物 体的一种建模方法，能提供车身实体所有的几何信息，已成为 造型设计的核心技术。 对于客车等车型， 车身曲面比较规则， 自由曲面较少， 这种 特点适合于整体成型的建模方法—— — 实体建模。将整个车身初 始模型用一个立方体表示， 再对模型进行挖孔、 切减、 倒角、 抽 壳等，构造出客车各部分的形状。实体建模的最大特点是模型 具有整体性，可实时观察整个车身的造型效果。对车身作为一 个整体来建模只适合于建模的初期，对于局部更详细的造型， 则仍然大量使用曲线曲面的修改编辑功能。
; 车身的反求工程与设计
;> ? 影像透视投影作图法
既无实物， 又无技术软件， 仅有产品照片、 图片、 广告介绍、 参观印象和影视画面等， 设计信息最少， 基于这些信息来构思、 想象开发新产品，这是反求对象中难度最大的并最赋有创新性 的反求设计—— — 影像反求 ) ; + ) @ + 。 此种作图法具有简单、 准确、 明了、 易于布图， 不必给出复 杂的辅助投影图和省去许多辅助作图线条等优点。透视投影是 一种中心投影，视点就是投影中心。影像反求目前还未形成成 熟的技术， 一般要利用透视变换和透视投影， 形成不同透视图， 从外形、 尺寸、 比例和专业知识， 去琢磨其功能和性能， 进而分 析其内部可能的结构，并要求设计者具有较丰富的设计实践经 验。在进行影像反求时， 可从下面一些方面来考虑。 < ? = 可从影像资料得到获得一些新产品设计概念，并进行 创新设计。 < * = 可根据产品的工作要求分析其功能和原理方案。
在 B-I 领域，许多曲线曲面的设计涉及到运动物体的外形
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以 !"#"$%&’( 几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模和 传统的几何建模为一体的复合建模技术 ) * + 。 采用曲面实体造型， 使线框模型、曲面模型和实体模型融为一体将基于约束的特征 建模和传统的几何建模方法融于一体，能构造多种类型的曲 面； 具有各种曲面的分析与编辑功能； 能对曲线和曲面、 曲面和 曲面进行拼合、 曲面裁剪和延伸。 ,-./- 软件是由法国 0"$$"1&2 宇航公司从七十年代开始开 发研制的， 自二十世纪九十年代初进入中国， ,-./- 进入中国， 无疑为中国汽车业架起通向成功的桥梁，它的外形设计和风格 设计解决方案对设计零件提供了广泛的集成化工具。,-./- 提 供了可便于用户建立、修改和光顺零件设计所需曲面的一套工 具，对 34567 的支持使得曲面的建立和修形以及与其它 ,-0 系 统 的 数 据 交 换 更 加 轻 而 易 举 ， 是 一 个 广 泛 的 ,-0 8 ,-9 8 ,-: 8 !09 应用系统。 采用 ,-./- 软件的曲面设计功能能够建立白车身精确的 百分之百地反映出造型师的意图。使造型师设计 ;0 曲面模型， 的复杂、 优美、 流线型的汽车曲面得以实现。
;> *> ? 三维测量建模
目前车身三维几何形状的测量方法，可分为接触式和非接 触式测量两种。接触式通过接触被测车身表面，逐点获取数字 化值，采用设备以三坐标测量仪为代表。非接触式测量主要为 基于声学、光学和电磁的测量方式。为了使重构获得的几何模 型与实物模型相一致，在进行曲面重构之前需要对测量获得的 “点云 ” 数据进行相应的预处理， 实现对测量数据的优化。 测出车身关键截面和边界的数据， 通过 ,-0 系统的数据处 理功能， 生成光顺的曲线、 曲面， 最后完成车身的实体模型。具 < ? = 在适当的截面位置上进行数据的采集； < * = 对测 体过程如下： < ; = 生成相应的曲 得的数据进行文本编辑， 生成系统所需格式； < @ = 光顺曲面的生成； < A = 实体模型生成。 线， 并进行光顺；