汽車曲線曲面設計軟件介紹及橫向探討

山西中北大學機械與動力工程學院 賀曉斌 楊世文

1 車身設計軟件的發展現狀與意義

隨著汽車行業的發展，中國汽車市場產銷量急劇增加。同時，汽車品牌越來越多，汽車企業面臨的挑戰也越來越多，競爭壓力激增。在汽車市場越來越趨于同質的形勢下，怎樣設計生產出消費者喜歡的產品，獲得消費者的認可，成為了汽車企業急需關注的問題。而汽車外觀是消費者選擇車輛的一個關鍵，因此如何設計就變得尤為重要[1]。

20世紀80年代以前，汽車造型設計一直依賴工程師個人的專業技能，從概念到草圖、從產品的二維效果圖到比例模型，以及最后的全尺寸模型，這么多的工作全部通過設計師手工完成[2]，周期很長，效率很低。所以工程師個人需要有很高的設計能力和動手制作模型的能力。從80年代開始，隨著計算機技術的發展，越來越多的設計工作由于計算機的引入，極大地縮短了汽車設計流程的周期，并且在造型設計中運用三維模型，使得設計人員可以直觀地看到汽車整體影像。

現在經過多年研究，三維軟件得到了深入發展，它能夠形象地展示產品的設計效果，通過運用光照模型、紋理映射、表面渲染[3]等顯示技術。設計人員運用三維軟件設計出的汽車整體模型效果圖，在顯示效果方面，設計師手繪的精細效果圖是無法達到的。尤其是計算機三維軟件的動態模擬功能，能夠在三維空間內，把虛擬的汽車幾何模型以二維圖像無法表現的角度展示出來，并從三維的角度進行分析與修改[3]。現在市場上曲線曲面設計 軟 件 多 種 多 樣， 如Pro/E、CATIA、SolidWorks、UG、Alisa、I-DEAS、Rhino等。那么，選出一個符合自己研究要求的軟件非常重要。

2 常見曲面設計軟件的特點

80年代初期計算機硬件和軟件技術不足，在進行汽車車身設計時，計算機使用的輔助設計軟件大多以線框建模為主。AutoCAD就是于1982年由美國的AutoDesk公司所研發的。80年代中期，計算機技術得到了長足的發展，硬件和軟件都有了一定的提高。PTC參數科技公司開發出能用輸入特定參數的方式對二維模型參數進行定點修改的軟件，這就是現在汽車設計人員常用的參數化設計。隨著計算機在軟硬件技術上的進一步發展，這種在三維實體造型上設定參數的改良設計軟件迅速占領CAD軟件市場，同時在運動學分析、物理特性計算、裝配干涉檢驗、有限元分析等方面有了廣泛的應用[4]。

隨著汽車設計軟件的頻繁使用，設計人員發現簡單的設計方式已經不能夠滿足日常設計的需要了，所以對設計軟件提出了更高的要求，從而出現了復合式建模模式。復合式建模是把線框建模、曲面建模和實體建模技術結合到一起產生的綜合性技術，軟件以功能模塊形式將各種建模功能融入到軟件設計中，并采用部分參數化的設計，具有多種優勢。比較著名的三維設計軟件有UG、CATIA、SolidWorks，他們都采用了這種技術。這種建模技術的強大功能體現在三個方面：智能模型、目標驅動的設計能力和開放的可擴展的開發環境。

現有二維、三維設計軟件的種類非常多，行業中常用的這類軟件的操作方式和建模方式都沒有太大的差別。Pro/E、Solid-Works主要采用參數式、變量式實體建模技術；Alias、Rhino以NURBS曲面為主要建模方式；UG、CATIA則使用復合式建模技術。以下對幾種常用的曲線曲面設計軟件進行簡單介紹。

（1）CATIA

CATIA這款軟件，是法國達索公司開發的產品，是以CADAM系統為基礎而擴充開發的，曾經用于飛機開發，現在由于汽車設計要求越來越高，也廣泛應用于汽車行業。這款軟件運用了該復合式的建模技術，也就是把設計實體的模塊和設計曲面的模塊一同放在了軟件當中，使該軟件不僅具備實體建模的優點，也具有全面建模的優點。CATIA包含多種設計模塊，這些模塊互不干涉，用戶可根據設計需要組合來達到自己的設計目的。在曲線曲面設計過程中，設計人員運用行為建模模塊，根據自己的設計靈感，定好設計參數，規劃出滿意的解決方案，然后由計算機計算出最佳解決方案，無需花費大量的時間在重復的設計、操作與計算分析上[5]。行為建模模塊對于設計人員來說有很大的幫助。在CATIA的設計環境中，建立實體和曲面都可以做到真正的互操作；變量設計與參數化設計的混合性建模：在設計過程中，設計人員可以不考慮參數化設計目標，因為CATIA的后參數化能力是它的一大特色。CATIA對于航空與汽車工程的發展有著深遠的影響，在分析與環境模擬的功能上表現尤為出色，但是其渲染的功能相對于其它軟件則顯得比較薄弱。

（2）UG

UGNX是美國UGS公司PLM產品的核心組成部分，它是具有CAD、CAM和CAE三種功能為一體的三維參數化設計軟件。UG軟件廣泛應用于交通、航空航天、日用消費品、通用機械以及電子工業等領域。UG用虛擬產品開發的新理念，提供了多極化、集成化的企業級軟件產品與服務，為客戶提供了完善的解決途徑。同時，UG軟件也是一個交互式的CAD/CAM系統，它功能強大，能夠很容易地設計出各類復雜實體和造型的建模。過去它主要應用于工作站，但隨著計算機硬件的發展和個人計算機用戶的飛快增長，已經成為模具行業、造型設計、機械設計等需要三維設計技術行業的一個主流應用[6]。UG在制造業，特別是汽車制造業中得到了廣泛的應用。

（3）Pro/ENGINEER

Pro/E是由PTC參數科技公司所開發的三維設計軟件，是第一種可以用參數來控制和修改實體模型的軟件[7]。而且這款軟件最大的特點是運用了非單一相關的全關聯技術。

在設計時，運用Pro/E設計的三維模型之間相互關聯。當設計員做出某一項需要修改時，計算機會根據關聯規則，自動調整整個設計模型，更改相關的零件、組件和工程圖等設計參數。同時由于關聯和調整規則的存在，能夠確保數據的準確性，無需反復修改。這種參數化修改功能非常符合現代產業中所謂的同步設計觀念[8]。但是，Pro/E也有自身的缺點，它在處理使用參數式實體建模設計出的比較復雜的產品曲面造型時，難度較大，所以使用Pro/E設計曲面造型時，需要輔助插件的幫助，才能順利地進行設計研究。

（4）Alias

Alias是Alias/Wavefront公司開發的一套完全以NURBS自由曲面模型為計算核心的三維設計渲染綜合性軟件，最大特點是其渲染功能十分強大[4]，所以這款軟件主要應用在對畫面效果要求很高的動畫設計和產品造型上。曾經計算機技術水平不夠，這款軟件只能在具有SGI服務器級別的電腦上使用。隨著計算機技術的發展，并且與Windows系統的兼容，這一軟件才被眾多設計人員所熟識。這款軟件相比其他同類軟件，在草圖方面有其獨特優點，在最新的版本中，設計人員可以通過觸屏在屏幕上直接對草圖進行設計、修改、渲染等完美地體現設計師的創意。同時使得計算機輔助設計的工作更加簡單化和人性化[9]。最終效果是使得設計的直觀性大幅提高，從而直接提高設計師的工作效率。

（5）SolidWorks

該軟件是由成立于1993年的SolidWorks公司所研發的。這款軟件是用全參數化特征式實體建模技術建模的，軟件功能由零件設計、零件裝配和工程圖繪制三個基本模塊組成[9]。自帶的特征形體和零件資料庫是其最大特點，可以使設計人員避免設計多種標準件的麻煩。同時，配合布爾運算，使用簡單的操作就可以組合出設計者要求的復雜模型。

新版的SolidWorks軟件，其完全集成的高級渲染軟件有效地展示了概念設計，減少了后期的設計費用，可以更快地將產品投入市場。

3 設計的橫向探討

各類軟件各有特點，選擇一款適合自己研究的軟件很重要。經過對比，筆者認為比較適合應用于曲面設計工作的建模軟件依次為CATIA、UG、Pro/E、Alias和Rhino。而目前國內在造型設計工作上，應用得最為廣泛的3種曲面設計軟件依次為CATIA、Pro/E、Alias和Rhino。在軟件運用中發現，Pro/E的渲染功能較弱；Alias的操作界面設計比較復雜，操作方式也缺乏靈活性；Rhino的編輯修改功能較差；SolidWorks曲面建模能力較差；UG比較容易學習，很好上手，但是自身沒有特別突出的優勢；CATIA在國內運用非常廣泛，功能強大且靈活，使用簡單方便，但設計時用時比較長。筆者認為，軟件多種多樣，軟件的功能也是多種多樣，在選用軟件時，設計人員可根據自己課題研究項目的特點，選擇滿足要求的設計軟件進行深入研究，設計出自己滿意的作品。

4 總結

CAD/CAID軟件的功能特性會對企業和個人的最終選擇產生直接的影響，這些功能特性包括：曲面建模能力、編輯修改能力、渲染能力、文件的兼容性、操作難易度、操作界面的人性化程度、學習難易度等。同時不同的軟件有自身的優勢，要想充分發揮優勢，那么軟件就必須具備強大的建模能力和優秀的兼容性才能滿足這一要求。

隨著計算機和軟件技術的發展，曲線曲面的設計會越來越精確，功能會更全面，筆者認為，擁有好的兼容性，更突出的軟件特色是將來軟件設計的一個方向。

[1]米寶山,靳明.設計基礎教學問答系列叢書—工業設計[M].石家莊：河北美術出版社,2001.6.

[2]王虹,沈潔,張展.產品設計（第2 版中國高等院校藝術設計專業系列教材）[M].上海：上海人民美術出版社,2005.12.

[3]vanElsas PA,Vergeest J S M，New functionality for computer-aided conceptual design：The displacement feature[M].Design Studies,1998,19(1)：81-102.

[4]許喜華.計算機輔助工業設計[M].北京：機械工業出版社,2005.4.

[5]黃少剛.Rhino3D 工業級造型與設計[M].北京：清華大學出版社,2005.4.

[6]崔鳳奎.I-DEAS 機械設計[M].北京：機械工業出版社,2004.3.

[7]賈寶賢,趙萬生.SolidWorks 在工業造型設計中的應用[M].機械設計與制造,2003（04）：116-117.

[8]倪培銘,郭盈.計算機輔助工業設計[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.6.