基于CATIA 3D體驗平臺的汽車造型設計流程改進

王震亞 李海旺

摘 要：目的：將最新的CATIA 3D體驗平臺在造型設計領域新開發模塊的創新，應用到汽車造型設計中并得到基于此軟件的改進后的汽車造型設計流程。方法：以研究傳統的汽車造型設計流程以及加入計算機輔助設計技術后的現代汽車造型設計流程的現存弊端為基礎，再與CATIA相應模塊的改進相結合。結果：得出基于CATIA 3D體驗平臺的改進后的汽車造型設計流程圖和其相對于現有流程的優勢。結論：新的CATIA 3D體驗平臺各設計環節協同的、網狀連接的汽車造型設計流程將會使得設計迭代周期縮短，節約成本及時間，符合汽車設計發展快速更新迭代的時代趨勢，是汽車造型設計向前邁進的重要一步。

關鍵詞：CATIA；3D體驗平臺；汽車造型；計算機輔助設計；設計流程

經過汽車自誕生以來一個多世紀的發展，全球汽車企業的內部工程技術基本成熟，汽車設計的革新主要體現在電子設備和造型的革新上。在汽車造型上取得優勢，已經成為全球各大汽車企業提升行業地位的重要途徑。在汽車造型設計過程中，汽車造型設計流程對于項目周期、項目管理、設計協同以及最終設計成果具有極其重要的影響。汽車造型設計流程在上世紀五十年代基本成熟，并隨著計算機技術的出現、飛速發展以及在汽車領域的滲透（即計算機輔助設計，Computer Aided Design，CAD）而不斷優化甚至是革命性的改進。CAD進入汽車領域的具體途徑是各種軟件在汽車設計各個環節的引入，CATIA作為目前廣泛使用的最著名的CAD軟件之一，自其由航空領域進入汽車行業以后，CATIA V4、V5版本已對汽車造型設計乃至整個汽車行業產生巨大影響。隨著法國達索公司（Dassault Systemes）于2013年推出CATIA V6版本，即CATIA 3D體驗平臺（3DEXPERIENCE Platform），其中眾多創新設計可為目前汽車造型設計流程的再次改進帶來新的思路。

1 傳統汽車造型設計流程

在計算機輔助設計沒有引入汽車造型設計之前，汽車的車身設計屬于傳統設計方法階段。這一階段的設計流程可以這樣描述：在經過市場調研之后，初步形成對車型的整體要求，然后參與設計的人員進行初期創意階段構思，這個階段更多地應用手工繪圖方式繪制設計效果圖確定初期的造型方案；從大量繪制的方案中選取幾種方案制作縮小比例的油泥模型，再次經過修改和評審從中選取一個制作1：1油泥模型；對模型經過反復的推敲修改后進入工程設計階段，繪制結構和模具圖進行結構設計；最后制作樣車進行各種實驗，確定后批量生產，設計流程概覽見圖1。

圖1傳統汽車造型設計流程圖

傳統汽車造型設計流程是一種線性工作流程，每個項目階段依附于前一階段的成果，各個項目階段的容錯性很低，迭代成本高，所以對造型設計的參與人員素質和經驗要求很高，但仍然不能避免重復性的工作。于是在傳統汽車造型設計流程中，設計人員的工作量很大，設計開發周期經常會延長以適應某些不大的改動，最終導致設計成本很高而設計成果不一定符合最初的設計意圖。這一階段的汽車設計流程大量應用純手工工序，是早期汽車設計發展經驗的積淀，雖然不可避免地存在很多無法適應新時代的劣勢，但是具有很強的實用價值，現代幾乎所有的汽車企業所采用的設計流程仍然是在傳統設計流程基礎上改進得來的。

2 現代汽車造型設計流程

計算機輔助設計和計算機圖形學的快速發展及其在汽車設計流程中的引入標志著傳統汽車造型設計流程開始向現代汽車造型設計流程轉變。數字技術逐步進入汽車造型設計的各個環節，大大縮短了汽車造型設計的周期，減少了設計人員的工作量和制作費用，加強了設計人員及管理者之間的協作和溝通以及數據管理，最終也提高了設計的質量和水平，在各個環節的具體體現如下：草圖和效果圖的數字化創作技術；三維數字建模技術；三維打印等快速原型制作；逆向工程中A級曲面模型制作等。在創意構思階段，很多創意設計師仍然習慣于使用最初的紙筆來進行想法的快速表現，這主要是由于此階段所需要的快速出創意的要求和模糊的概念特征是計算機難以勝任的，在后期要表現精確的數據時計算機的優勢就會體現出來；初步概念展現出以后，二維圖像處理軟件（例如最常使用的Photoshop）開始被用來表現概念方案，并且可以表現精細的部分，一些汽車設計師能在這一階段幾乎就能展現車輛的逼真的最終效果圖，當然最終的形態、比例等在真實的三維空間中具體樣子并不一定符合效果圖中所展示的效果；隨著計算機輔助造型（Computer Aided Styling， CAS）技術的應用，三維建模這一步驟逐漸滲透到設計的更多環節中，而不僅限于造型基本確定之后，這樣就使得油泥模型師、結構設計師和模具設計師等其他角色盡快熟悉造型的成果；然后使用快速成型技術替代小比例油泥模型進行方案評審并選出進入下一步制作等比例油泥模型的方案；制作等比例油泥展示模型，可以使用上一步的數據模型制作基礎的油泥骨架，然后再在骨架上覆蓋油泥并修改推敲；接下來以三坐標掃描或激光掃描的方式生成基于油泥的點云數據，數字模型師再根據點云數據模擬A級曲面，這是逆向工程的應用。最終得到的數據模型可以在車廠內各部門之間共享以便于并行工作，很大程度上縮短了設計周期、提高了設計精度并且節約了人力和資金成本。

圖2現代汽車造型設計流程圖

根據現在各個車廠所采用的汽車造型設計流程可以得知，CAD技術雖然在其間得到長足發展，這種流程仍然存在著許多缺陷：

汽車造型設計流程之間環節的孤立數字化。現在所采用的汽車造型設計流程雖然在各個環節引入了CAD技術，但這種孤立的引進僅僅只能是用更新的工具重復原來的流程而已，各個環節之間仍然處于被隔離狀態。例如設計草圖仍然由設計師手工繪出，使用二維圖像處理軟件進行初步渲染之后得到效果圖，然后數字模型造型師根據草圖再進行下一步的建模工作，這兒的建模工作代替了小比例模型制作的過程，再次評審后仍然需要制作等比例油泥模型，并沒有體現出革命性的改進。

沒有體現概念設計的創新過程。傳統的CAD系統主要用于細化設計階段，幾乎沒有涉及到對概念設計階段的支持，這樣就把整個設計流程中創意設計階段的發展拋在了后面。傳統CAD系統不允許快速輸入創意階段模糊的概念造型，基本上可以看做是一個在設計方案基本定型之后的概念化繪圖工具，而不是創意設計輔助工具。

設計意圖的保留問題。依照目前汽車造型設計流程的一步步地推進方案進展，設計意圖即最初的設計師的想法是逐步衰減的，可能由于實際生產或者經濟方面的原因不斷折衷，最終的設計效果不能滿足于預期。所以這種設計流程不是設計驅動型、創意驅動型的，依然是以制造為主導的。

協同設計的問題。協作概念設計包括不同領域專家關于產品功能、原理、布局、形狀等各方面的協作設計，還包括不同環節，如客戶、設計者和制造者之間的協同設計。這種協同的概念設計能夠集成設計所需的各種知識，尤其適合涉及多學科的復雜的汽車概念設計。目前在汽車造型設計的過程中雖然存在跨學科不同知識領域的交流，但這種交流不能做到實時、充分交流，往往積壓到問題十分顯然、不得不解決的階段才將所涉及的知識領域納入進來。

3 CATIA 3D體驗平臺在汽車造型設計領域的主要功能模塊

CATIA 3D體驗平臺是達索系統公司長期以來在為數字化企業服務過程中不斷探索的結晶。圍繞數字化產品和電子商務集成概念進行系統結構設計的 CATIA 3D體驗平臺，可為數字化企業建立一個針對產品整個開發過程的工作環境。在這個環境中，可以對產品開發過程的各個方面進行仿真，并能夠實現工程人員和非工程人員之間的電子交流。產品整個開發過程包括概念設計、詳細設計、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個生命周期中的使用和維護。在這里只說利用CATIA 3D體驗平臺在概念設計方面的創新。CATIA 3D體驗平臺為造型設計開發的主要是四個模塊加上其它公共輔助模塊：三維手繪、快速建模、A面設計和實時渲染，分別適用于汽車造型設計流程中的創意階段、CAS曲面、A級曲面和評審階段。

3.1 三維手繪（Natural Sketch，NTS）

CATIA V6新增加了一個新的模塊——三維手繪，NTS可以讓創意設計師使用二維手繪線和路徑線創建三維模型。旨在為創意設計師在使用繪圖板和筆時提供個性化的、像真實紙一樣的體驗，它同樣支持鍵盤和鼠標的操作。此模塊創建三維曲線的工作原理就是采用投影原理，在一個平面創建一條曲線后切換到另一個平面，然后再次創建曲線，通過計算兩條曲線的在空間中的投影相交得到三維曲線。NTS的優勢就是在三維空間中探索造型，更前期的思維創意可以在其它二維工作平臺上完成，它填補了計算機輔助設計軟件的空白區域，而不是為了代替其他二維繪圖軟件而存在。

3.2 快速建模（Imagine & Shape， IMA）

CATIA的快速建模模塊是為設計流程前期開發的一種革命性的設計產品的方式。IMA的技術原理是細分曲面技術（Subdivision），這是一種基于NURBS曲面建模原理并添加細分算法的一種建模方式，保留NURBS曲面精確的優勢的同時使曲面易于編輯和修改調整，尤其適合前期造型探討時不斷修改方案的情況。IMA由于其操作簡單方便，類似油泥制作模型，創意設計師和數字設計師都能勝任，也便于創意設計師利用此工具輔助造型生成以及對自己方案的優化，幫助設計師簡單快速地將一個想法變成三維的空間曲面。另外IMA的數據可直接輸出為.stl格式，可直接用于3D打印，便于方案實體化進行評審，避免了制作縮小比例油泥模型，節省時間與資源。

圖3 CATIA 3D體驗三維手繪模塊

圖4 CATIA 3D體驗快速建模模塊

3.3 A面設計（Icem Shape Design，ISD）

在A級曲面構建領域，ICEM Surf是業界標桿，在達索析統收購ICEM Surf后，CATIA的A級曲面構建模塊ISD整合了ICEM Surf的A級曲面構建技術ICEM和CATIA參數化建模的便于小幅度修改的優勢。這樣就使得在保證滿足汽車設計高質量曲面要求的前提下，使整個汽車A面設計的周期縮短。

3.4 實時渲染（Live Rendering，LRE）

從設計評審到傳達設計想法概念，可視化是其中重要的一部分，CATIA實時渲染以NVIDIA Mental Ray為渲染引擎在設計的評審階段可以進行實時可視化和逼真的渲染。LRE作為整個解決方案的一部分是一個關鍵的優勢，加速驗證過程并減少物理樣機的制作，允許更快地決策、降低成本并縮短設計周期。

圖5 CATIA 3D體驗A面設計模塊

圖6 CATIA 3D體驗實時渲染模塊

4 CATIA 3D體驗平臺對汽車造型設計流程的創新與改進

根據以上對傳統和現代汽車造型設計流程的分析并結合CATIA 3D體驗平臺的特性，可以對目前設計流程做出如下改進：在共同的工作空間中（以CATIA Swym或CATIA Community為平臺），首先制作總體項目規劃，明確各部門及人員的角色和任務分工，在以后各自的工作進度也可以在工作平臺中共享。由得到的市場調研數據、公司總體發展策略和工程初步需求，創意設計師開始根據得到的主題意象進行二維手繪繪制或者直接在工作空間上用Natural Sketch進行創意構思；這一階段所得到的成果可直接被CAS模型師利用，使用Imagine & Shape數字油泥建模工具快速制作模型；然后可以利用三維打印或者虛擬現實1：1全息投影驗證，多次評審修改后進入逆向工程階段；逆向工程師直接根據數字油泥建模數據使用CATIA Icem進行A面建模得到外形工程數據。在整個流程中，各環節間產生的數據可以構建相應關聯關系，一旦方案中某些特征進行了修改，其他設計者角色的數據也會隨之更新。管理者或者決策者的介入貫穿于整個設計流程，他們的方案評審不再僅限于最終的設計結果。后續工程部門的工作不再僅能在設計工作結束之后開始，而是可以根據曲面設計甚至是手繪設計階段就開始準備，見圖7。

新的改進后的設計流程，有如下幾點主要優勢：

從三維手繪出發的全三維設計環境。手繪線可以讓創意設計師自由地表達他們的想法，路徑線可以讓設計師的想法以三維曲線的形式表達出來。借助于這個模塊，CATIA 3D體驗平臺完成了設計流程完全在全三維環境下工作的轉變，創意設計師能夠快速感受方案的在三維空間的實際效果，可以進行各個視角的驗證，盡可能的避免由于過于夸張的藝術表現效果帶來的難以解讀造型本身特點的負面影響。創意設計師所繪制的想法的三維數據不僅能提高數模師的工作效率，還能用于以后任何評審、制造、驗證等各個階段，設計意圖在整個流程得以保留。

數據整合。CATIA 3D體驗平臺將數字化的設計流程通過數據的整合變得連貫，任何模塊的數據如手繪數據、CAS建模數據、A面建模數據、逆向數據以及以后的所有工程數據統一采用3dxml的格式進行工作和保存，避免了現在在各個環節文件數據不統一、在轉換過程中數據丟失等問題，不僅造型設計內部各環節無縫協同，還與工程設計環節無縫協同，從而形成了連貫的全流程造型設計解決流程。

設計平臺的創建。3D體驗平臺不僅包含了在設計過程中使用的各個泛義的建模模塊，還包含了公司內部各部門的協作以及利用云端平臺進行公司之間的協作。如設計流程的詳細規劃及展示、每人所擔任的設計角色及任務安排、與公司外部的接口（如3D打印）等等，所以CATIA 3D體驗平臺能將設計流程中的所有工作納入到這個平臺中，完成整個設計流程的數字化，構成了設計流程所涉及各部門之間的網狀聯系、扁平化協作。

圖7基于CATIA 3D體驗平臺的汽車造型設計流程圖

5 結語

由于汽車是具有“高技術”與“高情感”的復雜產品設計，傳統及現有汽車造型設計流程的弊端隨著數字技術日漸成熟而逐漸放大，只有快速響應市場需求、縮短設計周期、降低設計成本以及更高質量的設計輸出才能在激烈的市場競爭中獲勝。新的CATIA 3D體驗平臺各設計環節協同的、網狀連接的汽車造型設計流程將會使得設計的迭代變得更加方便，節約成本及時間，符合汽車設計發展快速更新迭代的時代趨勢。基于CATIA 3D體驗平臺的設計流程是計算機輔助設計繼續發展的結果，整個流程創新除了設計角色的分配、全三維設計環境、數據整合、設計平臺的創建等等以外，也拋棄了實體物理樣機的制作。誠然由于汽車是一類高度復雜的產品設計，為了多方面的考慮在目前情況下完全拋棄實體物理樣機是不可能的，但隨著數字技術在設計流程中的不斷深度滲入，對物理樣機的依賴性也會越來越小，相信最終會被完全虛擬的數字樣機所取代。

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