基于NX的汽車車身A級曲面設計與質量分析

劉鋒

(浙江水利水電學院 機械與汽車學院，浙江 杭州 310018)

基于NX的汽車車身A級曲面設計與質量分析

劉鋒

(浙江水利水電學院 機械與汽車學院，浙江 杭州 310018)

摘要：介紹了車身A級曲面設計的一般流程。以某汽車前保險杠蓋板A級曲面實現為例，通過車身曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構建及曲面品質檢測等設計過程，探討了實現汽車A級曲面建模和曲面質量檢測的關鍵技術和方法。

關鍵詞：汽車；車身；曲面設計；質量分析；

Design and Quality Analysis of Car Body Class-A Surface Based on NX

LIU Feng

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The car body class A surface design workflow is introduced in the paper. A car front bumper surface design is taken for example, the key techniques and methods of car body class A surface design and analysis are presented after discussion on these critical procedures of class A surface design and according to the surface geometry characteristics division, main and auxiliary surface creation and surface quality analysis.

Keywords:car; car body; surface design; quality analysis

0引言

在現代汽車工業中，車身作為汽車四大總成之一和新車的象征，它的研制與生產技術水平是汽車工業水平的重要標志。一個總體設計優良的汽車品牌在市場競爭中的成敗，除了其功能上的體現，還取決于其外形能否吸引顧客。如何利用現代設計方法，加快車身總體和外觀設計，縮短車身的設計周期，提高車身的制造精度和經濟效益，實現產品不斷的推陳出新是汽車品牌在市場競爭中立于不敗之地的重要因素之一。

文中探討了自由曲線、曲面在NX中的描述方式，總結了一些有創意的曲線、曲面編輯特性，并以某汽車前保險杠蓋板曲面實現為例，通過曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構建以及曲面品質檢測等設計過程，探討了在NX中實現汽車A級曲面[1]建模和曲面品質檢測的關鍵技術和方法。

1車身A級曲面設計流程

圖1為車身A級曲面開發流程圖，在車身總體布置方案完成后進入車身外形設計階段。首先通過繪制草圖，進行概念草模的構建、渲染、評審、修改，設計草圖主要突出設計創意，是設計師快速捕捉創意靈感的最好方法。接著進入精細效果圖繪制階段，即產品數據模型建構階段，通過添加局部細節細化模型，添加前大燈，前格柵等細節部分，確定具體樣式，內部評審、修改數字模型，將最后確定的數字模型反饋到1∶5小比例油泥模型即數模驗證模型上。經過反復評審，修改、檢測、完善，直到確定符合要求的1∶1全尺寸油泥模型，并將最終確定的全尺寸油泥模型，通過逆向工程反饋成計算機數據模型。該數據模型是用于后期工程輸入的數據，因此對數據模型曲面質量要求很高，即A級曲面標準。A級曲面完成后即可對該車進行數字模型發布，該車的外形設計階段也到此結束。從圖1可以清楚地看到如何由掃描油泥模型得到的點云數據快速實現精確曲面的構建，成為車身A級曲面設計最關鍵的一環。

圖1　車身A級曲面設計流程

2曲線、曲面編輯操作特性

貝塞爾-Bézier曲線(曲面)和 非均勻有理b樣條-NURBS曲線(曲面)是CAD軟件中常見的兩種自由曲線(曲面)表達方法[2]，圖2為3次Bézier曲線圖，圖3為4段3次NURBS曲線圖。

圖2　3次Bézier曲線

圖3　4段3次NURBS曲線

圖4　NURBS的Bézier理解圖

圖5　4段3次NURB極點控制區域

貝塞爾-Bézier曲線 (曲面)是由單一的表達式控制的單段(片)曲線(面)，其形狀由控制頂點和插值方式決定。Bézier曲線(曲面)內部光滑，其形狀調節有很強的整體性，移動一個控制點對整個曲線(曲面)都有影響，可通過增加次數來實現形狀調節的靈活性。但隨著其次數的增加，調控性變差。與Bézier曲線(曲面)曲面相同，NURBS曲線(曲面)形狀同樣是由控制頂點和插值方式決定。NURBS樣條曲面表達式更復雜，但更靈活，通過調整插值方式改變曲面形狀，復雜的形狀可通過低階的次數獲得，并可準確表達二次曲面(線)[3]。NURBS曲線(曲面)可以認為是多段(片)Bézier曲線(曲面)首尾相接而成(見圖4)，每一段(片)有自己的控制表達式[3]。圖5為4段3次NURBS極點控制區域示意圖。Bézier曲線(曲面)可看作是只有一段(片)的特殊NURB曲線(曲面)。通過增加NURBS曲線(曲面)次數或內部的段(片)數來改善樣條局部屬性，提升其形狀控制靈活性。曲線(曲面)內部參數連續性[3]由插入的節點數量來決定(見圖6)。

圖6　3次NURBS曲線參數連續性與節點插入重復次數關系

3車身A級曲面分類、建構和檢測

NX工業設計模塊提供了強大的高級曲面構建和分析工具，能快速實現汽車A級曲面建模以及曲面品質評估。汽車保險杠外板是汽車外形的重要裝飾部件，是整車造型風格的重要體現，具有極高的外表面品質要求[1]。以某汽車前保險杠蓋板A級曲面的建模實現為例，從曲面幾何結構分類、曲面構建方法以及對構建曲面品質檢測3個方面探討汽車車身A級曲面在NX中實現的過程。

3.1車身A級曲面幾何結構特征類型

汽車外表面是由多張大面、過渡面、圓角面等通過一定的幾何拓撲關系組合的幾何體。根據汽車外表面幾何特征，將汽車外表面幾何特征結構劃分為圖7所示的幾種類型：

主曲面：相對獨立的，大面積，小曲率且無曲率反轉片體，根據能否由掃掠特征構建，又分為均勻和非均勻主平面，能由單一的掃掠特征構建的為均勻主平面，反之為非均勻主平面。

圖7　車身曲面幾何結構特征類型

藝術圓角：兩主曲面之間過渡橋接的面片，通常表現為窄、長特征，截面呈現藝術圓弧形。

倒角面：通常出現在三個面相接的位置，呈現空間倒角結構。

橋接過渡曲面：連接主曲面，不表現為藝術圓角表現的窄、長圓角特征的橋接面。

消失面：外觀上的局部特征從突出逐漸變化到和其他外觀融合并消失的曲面。

翻邊面：平面部分或曲面部分的邊緣，沿一定曲線翻起豎立的曲面。

汽車外表面幾何特征劃分將有助于確定正確的造型思路，明確每個曲面的類型和生成方法，即通過先主后輔的建模思想，選定合理的造型方法。先構建各主曲面，再細化輔助區域，如橋接過渡面、圓角面、消失面等，來達到方便建模的目的，同時有規律的構面比較容易獲得較高的面片品質和配合精度，也有利于建模經驗積累。

經過對油泥模型相應部位掃描點云數據處理(去噪點、拼接、稀疏、光順等)[4]得到如圖8示點云數據，并通過對點云與油泥實物模型對照分析，將保險杠蓋表面結構特征劃分為：主片體，藝術圓角，橋接過度曲面，消失面，翻邊面等細化結構。

圖8　輸入點云數據

3.2 車身曲面構建

曲面構建是車身A級曲面設計的關鍵環節，通過所劃分的幾何特征結構，選定合理的造型方法，先構建各主曲面再構建輔助區域：橋接過渡面、圓角面、消失面等，來實現曲面建模。

主曲面構建方法一般遵循1)由點→線→面；2)由點→面的原則進行。

a) 基于曲線的構件方法

根據能否由掃掠特征構建汽車內、外飾面中相對獨立、大面積、小曲率且無曲率反轉的片體，基于曲線的構建方法可分為下面兩類：

1) 過網格曲線

直接由掃描數據點擬合網格曲線， 再通過這些網格曲線構建主片體。曲面品質主要有輸入擬合曲線決定。網格線要求：與輸入點數據貼合度高(可由deviation gauge-偏置誤差檢測保證)，分布均勻，走勢合理、一致、漸變(由curve analysis-曲率梳檢測保證)，光順度高達G2以上連續(curve continuity-曲線間連續性檢測保證)。通常是根據輸入點云輪廓走勢，截取特征輪廓線，輪廓線采樣，再由藝術樣條(studio spline)、圓弧、直線、二次、三次曲線等擬合采樣點構建，且NX提供了強大的擬合曲線功能(fit curve)來擬合曲線。接著應用過網格(through curve mesh)，過曲線網格(through curve mesh)等命令構建曲面。圖9為一過網格曲線構面示例。

圖9　過網格曲線構面

2) 掃掠

通過對輸入的數據點的幾何拓撲結構進行分析，確定掃掠區域：相對獨立的、大面積、小曲率且無曲率反轉片體，構建掃掠截面線和軌道線，生成掃掠主片體。該方法的難點在于抽取合理造型特征主輪廓和引導曲線，相較過網格線法有較少的擬合曲線過程。通過掃掠由輸入點數據得到的高品質擬合曲線構建相應的曲面特征。圖10為一掃掠構面示例。

圖10　掃掠構面

b) 基于曲面的構件方法

該方法不需要提前構建任何輸入曲線，是由輸入數據點直接擬合特征曲面。一般是先構建4點面(four point surface)或擬合面(fit surface)覆蓋輸入的點云(覆蓋范圍比點云片略大)，然后應用NX高級曲面編輯功能X成型(xform)拖拽調節控制極點逐步達到所需面體形狀，并結合實時的面品質分析工具來保證所構建面的品質。該方法對設計人員的要求比較高。圖11為一由拖拽控制點構建曲面示例。

圖11　由輸入點云直接構面

各主曲面構造完成后，應用NX提供的曲線擬合(fit curve)、橋接曲線(bridge curve)、藝術圓角(styled blend)，藝術倒角(syled corner)，法蘭構建(silhouette flange)等命令完成輔助特征曲面的構建。注意在構建橋接過渡面片所需網格曲線時，為保證橋接片體與主體面間的光順性，一般要求連接主片體的過渡線連續性滿足G2以上[5]。在曲面建構過程中，如果零件對稱，只需對一半進行建模后鏡像，最后再填充兩者之間的間隙，這樣可以減少建模工作量。圖12為某汽車前保險杠蓋板曲面數據模型。

圖12　保險杠蓋曲面三維模型圖

造型時所采用的方法、步驟、技巧往往因設計師的經驗和技術特點而有所差異。在設計中一般混合使用上述方法。過網格曲線是一種傳統方法；而對表面幾何特征明顯，分布均一的大曲面可以通過掃掠快速獲取；對表面形狀幾何不宜描述清楚的面片，則通過拖拽控制點的基于曲面的構建方法的實現。同時對一些特征比較明顯的規整部位，可由NX提供的造型功能直接實現，如連接大片體間過渡曲面通常可考慮由二次曲面組功能，藝術圓角功能，藝術倒角功能等。

3.3A級曲面品質檢測方法

汽車A級曲面檢測包括曲面特征檢測和曲面品質檢測, 曲面特征檢測指造型人員根據汽車造型要求評價所做的曲面是否符合造型意圖(即構建好的曲面與原始輸

入數據間的貼合程度)， 曲面品質檢測指對組成它的每張曲面片的品質及面片之間連續性進行檢測。NX提供了一組豐富的、功能強大的曲線、曲面檢測工具，如偏置公差檢測，高斯曲率檢測，曲率梳檢測，高亮檢測，斑馬條紋，曲線間連續性檢查，曲面間連續性檢查等。在設計過程中可以實時對造型結果進行評估，能有效及時修正設計缺陷，保證設計意圖和設計品質。為滿足A級曲面要求,如對高光面檢測方法要求高光走勢一致，條文均勻，過渡光順，無扭曲; 對曲率梳檢測方法則要求曲率梳均勻或漸變、走勢有規律、無跳動、扭曲、突變、反曲等都是結果品質的判定標準[5-6]。圖13為保險杠蓋A級曲面斑馬條紋檢測分析結果。

圖13　保險杠蓋曲面斑馬條紋檢測分析結果

4結語

分析了CAD軟件常見曲線曲面的基本構造原理，有利于從本質理解把握軟件功能，為構建高品質的A級曲面打下堅實基礎，并以某汽車前保險杠蓋板的A級曲面數據模型構建為例，通過曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構建以及曲面品質檢測等設計過程，探討了在NX中實現汽車A級曲面和曲面品質檢測的關鍵技術和方法，對縮短車身產品的設計周期，提高車身產品的制造精度，增強車身開發經濟效益有較強的借鑒意義。

參考文獻:

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[3] 施法中. 計算機輔助幾何設計與非均勻有理B樣條[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,1994.

[4] 姜元慶，劉佩軍. 逆向工程培訓教程[M]. 北京: 清華大學出版社，2003.

[5] 徐家川,雷雨成,洪英武, 等. 逆向工程中A級曲面的評價方法[J]. 汽車技術,2007，(4):4-8.

[6] 吳怡文,李宏華. 基于ICEM surf的汽車A級曲面評價方法[J]. 汽車技術,2011，(12):51-55.

收稿日期：2014-12-30

中圖分類號：U463.82

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0059-04

作者簡介：劉鋒(1978-)，男，湖北荊門人，講師，碩士，研究方向為CAD/CAM與遞向工程。