汽车外饰正向CAS设计的要点及步骤

江淮汽车股份有限公司
员工成长路径专业论文
题目正向CAS设计的要点及相关步骤
单位技术中心
姓名黄健昆
工号20060777
晋升职级技术师
指导教师徐志海
日期2010 年 5 月 5 日
目录
目录 (1)
中文摘要 (2)
英文摘要 (3)
1 引言 (4)
正向CAS设计的必要性和可行性 (4)
2 正向CAS设计的流程及原则 (5)
2.1 正向CAS设计的流程 (5)
2.1 正向CAS设计的流程 (5)
2.2 正向CAS设计的原则 (6)
3 正向CAS设计的应用………………………………………
结论…………………………………………………………………………………谢辞…………………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………指导教师评语………………………………………………………………………附录………………………………………………………………………………
摘要：在汽车造型设计中数字化技术已经获得了广泛应用，相关学术文章也有不少，但是绝大多数是论述汽车逆向CAS设计的工作。

本文有针对性地论述汽车正向CAS设计在造型设计阶段的应用，阐述了汽车正向CAS设计的必要性和可行性，并试图归纳汽车正向CAS 设计的要点和相关步骤。

关键词：正向CAS设计效果图特征线AliasStudio 虚拟仿真样机
Abstract:This paper firstly presents the importance of optimal design in the car industry, describes the function, composition and classification of the suspensions and analyzes the form of ………………
Keywords: CAS car_style ALIAS styling
1 引言
正向CAS设计的必要性和可行性
早期的汽车造型设计基本上是按照一种线性的设计流程来进行的。

从创意到物理模型、工程设计、产品设计基本都是通过手工来完成。

没有仿真设备和软件，一直等到物理模型才能看到造型。

近年来，低碳经济要求在制造出物理模型之前进行虚拟仿真样机展现、评审、分析；随着三维软件的广泛使用，汽车设计人员已经完全可以在制造出物理模型之前，通过三维数模对整车及零部件的造型、功能结构进行评审和模拟分析，从而使汽车的研发周期大大缩短，成本也大大降低，资源消耗也大幅降低。

伴随着这一趋势，曲面建模也在经历着一场颠覆性的革命。

与以往基于油泥模型的点云逆向的曲面建模不同，数字化环境下正向造型设计完全不依赖于实物的点云，所有的操作都将在计算机中依据二维效果图完成。

目前它已经成为造型设计流程的一个重要阶段，大有将油泥模型阶段取而代之的趋势。

这一阶段称作CAS阶段（CAS 是Computer Aid Style的缩写），三维设计师通过对效果图的理解以及和二维设计师的充分沟通，运用三维软件进行曲面建模，在电脑的显示器上把平面的效果图变成有三维立体空间感的数字模型（下文统称“虚拟仿真样机”），给评审者提供近乎真实的视觉效果，给相关的决策提供依据。

与油泥模型相比，CAS数字模型的制作及评审成本更低，周期更短，精度更高，效果也更好。

目前三维软件的集成功能越来越强大，可以渲染，可以绘制效果图，甚至可以插入图片。

比如AutoDesk公司开发的AliasStudio。

这就为汽车正向造型设计提供了软件支持。

那么我们怎么利用“插入图片”这一技术来变革传统的曲面建模？这种变革称“正向CAS设计”。

2 正向CAS设计的流程及原则
2.1正向CAS设计的流程
2.1.1研发中心造型设计流程
经过这几年宾悦、同悦、和悦、悦悦等车型的研发，造型设计流程基本完善。

图1为研发中心正向造型设计流程。

图1
从图中我们可以看出CAS模型阶段处于物理模型阶段之前。

也就是说，先有虚拟仿真样机才有物理模型。

2.1.2正向CAS设计流程
经过M209、重卡、N721等车型的研发，正向CAS设计流程基本完善。

图2试图归纳技术中心正向CAS设计流程。

图2
2.2正向CAS设计的原则
逆向CAS模型的面要求无限拟合点云；同样，正向CAS模型的造型要求无限拟合效果图。

这是总原则，实现这个总原则有以下三个分原则：
2.2.1 CAS模型的神韵与效果图的神韵一样
因为效果图是设计师把想象的造型及其阴影关系绘制在平面中，或多或少跟实物有一些偏差。

所以，当遇到这种情况时，要保证CAS模型的神韵与效果图的神韵一样。

2.2.2 CAS模型的比例无限拟合效果图的比例
在设计造型特征线、分缝线和零部件的时候，比例一致性及其重要，只有比例一致的时候才能保证CAS模型的神韵与效果图的神韵一样。

3 数字化环境下汽车正向造型设计的应用
3.1正向CAS设计的概述
正向CAS设计是没有点云的情况下，根据效果图和设计师的要求在计算机中运用三维设计软件建立数字化虚拟仿真样机的模型。

如果说汽车制造是一个很多部件组合起来的很复杂很繁琐的过程，那么CAS设计也是由很多曲面（部件）组合起来的很复杂很繁琐的过程。

下文中以我公司的一款在研产品的外饰前脸造型改型设计实践为例，采用目前国内外汽车造型设计业界应用最为广泛的AliasStudio 作为平台软件，详细论述汽车正向CAS设计的要点和步骤。

3.2汽车正向造型设计的要点及其步骤
3.2.1 设计输入
1、设计任务输入
根据项目管理部的计划要求，开展**车型正向CAS设计。

2、效果图输入
根据多轮次公司领导的评审，最终确定一款造型效果图，有两幅图，分别为前45度视图、前视图。

图片如下：
图3 图4
3、总布置输入
必须有以下几个关键参数：
1）、前悬长度输入：如果是新车型开发，需要提供总长总宽、白车身总高；坐标原点位置以及姿态角。

2）、发动机舱需要的最小空间输入：提供一个“黑匣子”，该“黑匣子”包括车身所需要的尺寸。

3）、关键断面输入。

4）、灯具需要的最小空间输入、脱模角以及安装方向等。

以上输入既需要数据输入也需要提供纸质签字报告。

这样才能保证这些输入是严谨的，避免后期不必要地重复设计CAS模型。

重点注意事项：
1）、总布置必须牵头，把所有数据要求统一汇总后输入造型部。

2）、数据之间不能有矛盾；否则题目无解。

比如：发动机舱需要的最小空间不能与前悬长度相矛盾。

3）、造型部收到输入，必须第一时间验证，确保题目有解；如果题目无解，立刻反馈，让结构工程师作出解释和更正输入。

人员配备：结构工程师5-6名、造型总监1名
图5 Y=418mm截面线图6 Y=705mm截面线
3.2.2 确定主辅视图
纵观效果图中的45度视图与前视图，发现45度视图更全面地表达造型特征的相互关系；所以应该以45度视图为主，前视图为辅。

重点注意事项：不要弄错了主辅视图，否则本末倒置。

人员配备：效果图工程师1名、CAS工程师1名、造型总监1名。

3.2.3 识别造型特征及其关系
需要与效果图设计师沟通，充分识别效果图造型特征及其关系。

有以下几点：
1、识别效果图的神韵：比例很协调、稳重中有轻盈、粗放中有纤细。

2、关键造型特征线：从A柱两边的线条分别延伸到引擎盖以及翼子板上，形成凸形弧线与凹形弧线相呼应。

3、呼应关系：
1）格栅侧边界与引擎盖特征线几乎平行呼应；
2）格栅上倾斜造型特征线与格栅侧边界平行呼应；
3）保险杠倾斜特征线与引擎盖特征线几乎平行呼应；
4）前大灯主体部分的边界近似平行四边形；
5）雾灯侧面与前大灯侧面几乎平行呼应；
6）保险杠的肩膀与侧面防擦条肩膀呼应；
7）中网侧边界与保险杠特征几乎平行呼应。

重点注意事项：
1、引擎盖特征线是决定全局的关键；
2、保险杠肩膀与倾斜特征形成三面交汇；
3、看似平行的边界几乎有微弱的“V”型夹角。

人员配备：效果图工程师1名、CAS工程师2-3名、造型总监1名。

3.2.4 分工安排以及介入时间
根据造型特征合理分工和确定介入的时间点，是提高效率的推手。

分工安排如下：
1、该CAS模型主工程师介入：因为引擎盖特征线是决定全局的，而且发动机舱的结构硬点已经布置好了，不可改变，所以引擎盖的大面和特征线必须首先建立。

并且只能一个CAS 工程师承担。

2、CAS模型辅工程师介入：主工程师完成引擎盖的大面、特征线、与保险杠之间分缝线的设计后，辅工程师（1名）可以依此开展保险杠CAS模型建立。

3、待主工程师确定灯具以及格栅的边界后，辅工程师（2名）可以介入，分别进行格栅以及灯具内部的CAS模型建立。

4、待中网边界、雾灯边界确定后，可以再介入1名辅工程师设计中网以及雾灯格栅的内部细节。

重点注意事项：
1、引擎盖与保险杠之间的分缝线需要尽快确定。

2、引擎盖特征线是决定全局的关键，而前大灯的造型好坏对整个CAS造型起重要作用。

人员配备：效果图工程师1名、CAS工程师3-4名、造型总监1名。

3.2.5 大面设计及造型特征构建
大面设计的合理性会直接影响造型和后面设计的工作量。

造型特征构建的好不好会直接影响该虚拟仿真样机造型的神韵。

次序如下：
1、把透视的效果图导入软件AliasStudio 2009的camera视图中。

效果图中的有效部分尽量大，这样既保证有效部分都看见，并且造型特征最清晰。

2、根据总布置的坐标原点的位置和总长总宽总高输入设计一个长方体。

该长方体的就确定了该车的总体大小，原则上该车的部位不能超出该长方体的面。

如图7、图8所示。

3、设置zoom,使该长方体的广角和景深与效果图一致。

4、设置BookMarks，记录该zoom广角和景深。

记录与前45度视图对齐的视角为zoom1，如图9所示；记录与前视图对齐的视角为zoom2。

5、构造关键Nurbs曲线和关键Nurbs曲面。

CAS的关键Nurbs曲线和关键Nurbs曲面与汽车制造过程的关键生产线和关键模块相似。

CAS设计过程中，构建漂亮的关键Nurbs曲线和关键Nurbs曲面会使整个过程事半功倍，反之，会使整个过程事倍功半。

见图的Nurbs曲线的曲率。

此正向CAS设计中，引擎盖上表面和翼子板上表面是关键Nurbs曲面。

它们的型
面以及关系如图10所示。

6、确定关键造型特征线。

在本案例中，引擎盖的造型特征线是关键。

它不仅决定前格栅和前大灯的位置，而且决定保险杠造型特征线的位置，保险杠造型特征线又决定了前雾灯和中网的位置。

此外，它的上端是顺着A柱内边线过来的，另一端根据它所在前视图的比例确定：约从侧面往中间走到1/4处的位置，这过程中随时用BookMarks回到zoom1或者zoom2，验证它是否都对齐，如果不能都对齐则需要权衡一下他们之间哪个位置的造型更优。

这是无限拟合与权衡的过程。

如图11、图12所示。

这条关键造型特征线后，前格栅侧边界、前大灯内边界、保险杠造型特征线都可以根据它的位置以及比例关系确定。

7、确定高光区域和斑马纹走势。

保证高光区域和斑马纹走势合理。

如图13、图14所示。

8、合理处理面的搭接。

造型特征决定大面的搭接，比如：保险杠三面交汇特征必须先接好倾斜面，后接肩膀面；前围红线倒角必须扎入倾斜面里，逐渐消失。

如图15、图16所示。

至此，大面及关键造型特征线设计完毕。

如图17所示。

重点注意事项：
1、根据侧围以及不变动部分作为参考来调整zoom的广角和景深。

2、一定要运用BookMarks，记录该zoom广角和景深。

3、看似平行的线，一定要以不平行来制作；
4、中间的线条最好往下走一些，略呈“U”型。

5、逐渐展开或者逐渐收缩的线条，要用“复制--找恰当的旋转点--旋转”的方法制作，才能一步到位。

人员配备：CAS工程师2名、效果图工程师1名、造型总监1名
图7 设置长宽高范围图8 图9
图10 关键曲线构建图11 拟合造型特征线图12 zoom1视角
图13 合理的斑马纹走势图13 不合理的斑马纹走势图14
3.2.6 分缝线确定
大面及关键造型特征确定后，有难度的工作基本完成，剩下的就是零部件边界的确定，也即分缝线的确定。

根据前面的造型特征分析，结合比例关系，可以很快确定零部件的边界，再结合zoom1视角和zoom2视角微小调整，即可拟合效果图的分缝线。

重点主要事项：
1、最受关注的零部件首先确定，此案例中，前大灯大灯最受关注，格栅次之，雾灯再次之。

2、相邻的分缝线即使是平行的，也不要设计完全平行，也是有一定小夹角，以此弥补视角的误差，使看起来更舒服。

因为完全平行的线比较死板，看起来会“弯”。

人员配备：CAS工程师2名、效果图工程师1名、结构工程师1名、造型总监1名。

3.2.7 零部件设计
各零部件分缝线确定后，零部件的外形就确定，此时可以开展零部件可见的内部设计。

此时会涉及更多的工艺工程问题，必须有工程师的参与。

重点注意事项：
1、首先把握造型与比例关系。

2、其次需要体现与大面的参数关系。

3、设计前必须弄清楚三个因素：脱模方向、脱模角度以及安装方向、安装方式等。

人员配备：CAS工程师2名、效果图工程师1名、结构工程师2-3名、造型总监1名。

3.2.8 细节调整
此时，大功基本告成，后头重点检查：
1、面的CV走势、高光以及斑马纹以及面与面的搭接需要无限优化。

必要时重建Nurbs 曲面。

2、三线交汇的转角边界优化、影响造型的倒角等需要经过多轮调整才能无限接近效果图。

重点注意事项：
1、引擎盖与翼子板交汇处的斑马纹；
2、保险杠肩膀与倾斜特征形成三面交汇的斑马纹走势；
人员配备：效果图工程师1名、渲染工程师1名、造型总监1名。

3.2.9 渲染
CAS模型已经完成，可以输出给结构部门做分析了。

但是要展示、评价，还需要渲染，但到虚拟仿真样机的效果。

渲染有以下步骤：
1、恰当分层，便于后期更新替换。

2、运用好场景,才能出好效果。

如果现有的场景不适合，则需要编辑场景。

3、如果需要更加逼真的效果，可以配合AutoDesk公司开发的软件OpticoreRealier渲染（OpticoreRealier可以直接导入AliasStudio的.Wire格式）。

重点注意事项：
最好用室内的场景，光线单一，造型特征线能看得很清楚；而室外场景的光线走得很乱，而且容易造成局部曝光过度，导致很多造型特征线看不见。

人员配备：效果图工程师1名、渲染工程师1名、造型总监1名。

图15 渲染图16
图17 渲染图_45度视图图18 渲染图_前视图图19 渲染图_室外场景
3.2.10 评审及其修改
渲染完毕，经过造型总监的审核，可以通知公司领导来评审。

投影到比车身长高尺寸都要大的屏幕上，可以体验到任何视角的1：1立体虚拟仿真样机。

如果虚拟仿真样机没有得到领导们确认，那么根据领导们的评审意见，调整数据；直至领导确认。

如果虚拟仿真样机得到领导们确认，那么进入下一个环节。

3.2.11 设计输出
设计输出给两个对象：
1、总布置部。

设计输入是该部门给出的，设计输出理所当然是他们接受。

也就是布置作业者需要改作业的原理。

其实在大面设计及造型特征构建完成后就应该分阶段输出给总布置校核了，这样能及时发现问题及时更改，节约修改的时间。

到虚拟仿真样机评审阶段就已经解决所有工艺工程问题了。

2、物理模型制作业务组。

虚拟仿真样机数据输出时应该转换为数控加工和地盘车身软件可以接受的数据格式（一般用公认格式.Iges或者.stp）。

图20 数控加工物理模型图21 物理模型1 这样一个汽车前脸正向CAS设计流程就结束了，整车外饰或者内饰的正向CAS设计流程也是这样的。

以下表1试图归纳正向CAS设计整车车身造型工艺流程与逆向CAS（传统）整车车身造型工艺流程的各个阶段所需时间以及消耗材料：
表1
从表中可以看出正向CAS设计可以代替逆向CAS设计的1：5油泥模型以及1：2油泥模型。

正向CAS设计时间需要15天（不修改）或者20天（修改）；1：5油泥模型以及1：2油泥模型时间需要40天（不修改）或者55天（修改）。

正向CAS设计比逆向CAS设计节省时间大约25天，节省材料费大约20万。

结论
本论文通过正向CAS设计可行性论述、试图归纳正向CAS设计的流程和要点，结合公司在研产品阐述在软件AliasStudio支持插入图片的情况下，完全可以颠覆传统的基于点云的逆向CAS设计，建立新的基于效果图的正向CAS设计。

正向CAS设计使成本更低，周期更短，精度更高，效果也更好。

从这个角度讲，正向CAS 设计是十分必要的。

正向CAS设计技术在国内汽车厂和设计公司应用的不多，市场广阔，前景无量。

造型部已经完全掌握了该技术，填补了公司这个领域的空白。

谢辞
这次实践使我掌握了新的技术----基于效果图的正向CAS建模，培养了我理论联系实际的能力，并且在实践的基础上对几年来所学知识有了更新、更系统、更深刻的领悟。

感谢中心给我提供了施展的舞台，感谢徐志海总监多年来的关心和帮助，感谢胡锦春主管的悉心指导！
参考文献
1.马铁利《汽车车身光顺曲面模型创建与评价方法研究》。

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