汽車造型設(shè)計(jì)流程中A級(jí)曲面的探析

陳紅

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 201210)

在汽車工業(yè)不斷發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)新技術(shù)不斷應(yīng)用及人們消費(fèi)需求的不斷變更，促使汽車工業(yè)要努力縮短產(chǎn)品生命周期，不斷推陳出新，以便在激烈的市場(chǎng)竟?fàn)幹腥〉弥鲃?dòng)權(quán)。在汽車造型階段的關(guān)鍵是向后續(xù)環(huán)節(jié)提交汽車車身的數(shù)字化外形模型——A級(jí)曲面模型，經(jīng)使得后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析、樣車制造和模具制造等環(huán)節(jié)，有統(tǒng)一化的依據(jù)而提前啟動(dòng)并逐步展開工作[1]。

1 A級(jí)曲面的定義

汽車A級(jí)曲面是指滿足設(shè)計(jì)審美要求、曲面內(nèi)部質(zhì)量要求、工程布置及后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和模具制造工藝要求的可見車身外表面。

2 構(gòu)建A級(jí)曲面的前提條件

確定整車的坐標(biāo)基準(zhǔn)，避免基準(zhǔn)點(diǎn)變換造成零件公差加大。尺寸偏大給整車匹配帶來(lái)的麻煩較大，間隙和面差不合格且原因查找較為困難，因此保證尺寸精度是每個(gè)汽車制造企業(yè)追求的目標(biāo)。

全車的玻璃必須是規(guī)則幾何體，并且能夠保證運(yùn)動(dòng)。玻璃與周圍件的匹配關(guān)系很復(fù)雜，項(xiàng)目前期必須確定好玻璃的曲率、與雨刮的配合及玻璃成型問(wèn)題。前風(fēng)擋玻璃與頂蓬間距、A柱的間距、與內(nèi)飾儀表板搭接以及與儀表板上的安全氣囊都有一定的關(guān)系。

整車油泥模型制作或者模型加工樣車必須有參考樣車的斷面，才能保證整車總布置尺寸要求。油泥模型或者模型加工樣車細(xì)節(jié)特征交代清楚，大的表面平整光順，相關(guān)硬點(diǎn)的安裝位置準(zhǔn)確，整車硬點(diǎn)尺寸關(guān)系的保證。

3 A級(jí)曲面的光順原則

A級(jí)曲面的光順原則：汽車外車身表面中的高可見區(qū)域，包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩、葉子板、前后保險(xiǎn)桿、前后車門、A柱、B柱、C柱、頂蓋、側(cè)圍以及內(nèi)飾件中的可見區(qū)域等零件，曲面的質(zhì)量要達(dá)到3階曲率連續(xù)，局部少可見區(qū)達(dá)到2階曲率以上連續(xù)[2]。

特征具有可擴(kuò)展性和編輯性。制作的曲面都必須是Bezier曲面（即UV兩個(gè)方向上是單補(bǔ)片的B樣條曲面）。曲面的邊界超過(guò)零部件的邊界，但是不能超過(guò)太多。這一方面是為基本曲面和周邊曲面的過(guò)渡搭接做準(zhǔn)備，另一方面也為后續(xù)的光順或結(jié)構(gòu)工程師延伸曲面用以滿足實(shí)體建模、設(shè)計(jì)修改、工藝補(bǔ)充面、鉆模和夾具的需要。

漸消的特征必須有實(shí)際的理論交線。在整車曲面中，有相當(dāng)多的逐漸消失的特征，前保險(xiǎn)桿與葉子板相接合處，因?yàn)橛星办F燈布置了一些造型特征，在與葉子板接合處漸漸消失。消失的特征通常是有過(guò)渡面，最后是倒角與倒角相連接，基本的原則是倒角之前一定有實(shí)際的理論交線，這樣倒角高光就不會(huì)扭曲。在這種情況下，再去微調(diào)控制點(diǎn)，就能保證消失的特征看起來(lái)自然、流暢[3]。

所有對(duì)稱零件在Y=0處的曲面曲率在3階以上連續(xù)。在建模過(guò)程中，對(duì)稱零件一般是只建一半數(shù)據(jù)，然后利用對(duì)稱命令，鏡像成一整個(gè)零件。一般情況下很容易忽視Y=0以上的3階曲率變化，以頂蓬為例，先不要考慮分面，左右兩邊當(dāng)成一個(gè)零件分成一大塊曲面，調(diào)控制點(diǎn)來(lái)貼合點(diǎn)云時(shí)，在指令中把“symmetry”這個(gè)選項(xiàng)勾上，在調(diào)整曲面過(guò)程中，左右兩邊都是一起來(lái)控制的，可以看到曲率梳完全對(duì)稱。

汽車車身零部件的邊界必須光順。整車的分件處理也是一項(xiàng)較復(fù)雜的技術(shù)，盡量避開分件線在特征面上，一是零件后期匹配不好，二是從外形上看，分件線會(huì)扭曲。還需要注意2點(diǎn)：一是邊界曲線的對(duì)稱；二是相配合的零部件之間的等距和等面差問(wèn)題。

所有種類的曲面，都滿足以下要求：設(shè)計(jì)部門從美學(xué)角度通過(guò)的造型形狀面數(shù)模要符合所有已知的結(jié)構(gòu)工程、制造工程和人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)，并且要滿足所有的模具制造工程和工裝夾具的要求。但在不改變風(fēng)格基礎(chǔ)上或造型能忍受的情況下，要盡力放寬曲面與測(cè)量點(diǎn)云或者模型樣車之間的變化范圍，以獲得較好的曲面質(zhì)量[4]。

4 A級(jí)曲面的要求

汽車開發(fā)流程可以分為造型、工程和制造3個(gè)主要階段。其中造型階段又可細(xì)分為概念草圖、彩色效果圖、前期數(shù)字模型、油泥模型、造型凍結(jié)后掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及A級(jí)曲面建模等。在汽車開發(fā)流程中A級(jí)曲面是造型階段最終輸出的三維數(shù)字模型，也是后續(xù)工程階段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的依據(jù)。A級(jí)曲面作為造型階段對(duì)工程階段的最終遞交物，反映理論狀態(tài)的造型特征和造型質(zhì)量，在汽車開發(fā)流程中起到一個(gè)承上啟下的橋梁作用。因此，A級(jí)曲面不僅需要反映設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，符合大眾的審美需求，還需要滿足后續(xù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工工藝等相關(guān)需求。

對(duì)A級(jí)曲面的主要要求有以下幾個(gè)方面：第一，掃描油泥模型得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差在±2 mm內(nèi)，如特殊部位與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差大于±2 mm，需經(jīng)設(shè)計(jì)師確認(rèn)；第二，曲面模型的連續(xù)性與其精度要求，車身和外飾主要造型曲面連續(xù)性的精度要求為G0≤0.002 mm，G1≤0.05°；第三，曲面應(yīng)為單一的Bezier格式；第四，曲面控制點(diǎn)應(yīng)盡能有規(guī)律的排布，曲面的階數(shù)應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)化，其U和V方向控制點(diǎn)的數(shù)量最多不應(yīng)超過(guò)8×8；第五，汽車各個(gè)部件間的面差和間隙應(yīng)滿足DTS（Dimernsion Technology ）的要求；第六，除后葉子板油箱蓋、后視鏡等特殊部位外，其他各部件都應(yīng)與汽車中心線、轉(zhuǎn)向管柱中心線保持對(duì)稱性；第七，曲面應(yīng)滿足模具成型要求的拔模角。

5 A級(jí)曲面的分析與檢測(cè)方法

為了能夠更好的構(gòu)建精準(zhǔn)、高質(zhì)量的曲面數(shù)據(jù)，各個(gè)軟件都提供了多個(gè)診斷工具，以便建模工程師能夠在其建立期間或建立之后對(duì)各單個(gè)曲面或面與面之間的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。雖然各軟件對(duì)各個(gè)診斷工具的命名、操作方式會(huì)有所不同，但總的評(píng)價(jià)方式相差不多。歸納起來(lái)，對(duì)曲面內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估主要有以下幾種分析與檢測(cè)方法。

第一，視覺(jué)檢測(cè)法，在渲染狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)光源或物體，視覺(jué)上不應(yīng)用瑕不掩瑜；第二，斑馬線法，給曲面上賦予黑白相間的標(biāo)準(zhǔn)貼圖，利用標(biāo)準(zhǔn)光源照射表面產(chǎn)生的類似斑馬紋圖形，再根據(jù)斑馬紋流暢度、粗細(xì)變化程度來(lái)判斷曲面質(zhì)量[5]；第三，曲率梳截面分析法，對(duì)曲面進(jìn)行剖切得到一個(gè)斷面線，以該曲線任意點(diǎn)的法線為方向，曲率大小為長(zhǎng)度，并將多個(gè)法線的端點(diǎn)相連接得到曲率梳圖，通過(guò)分析連接處曲率梳的變化情況來(lái)判斷兩曲面的連接質(zhì)量；第四，其他方法，如高斯曲率圖、反射圖、紋理圖、最大與最小曲率圖等。

6 汽車設(shè)計(jì)流程中A級(jí)曲面質(zhì)量控制

汽車設(shè)計(jì)流程中A級(jí)曲面質(zhì)量控制一般可分2個(gè)階段。第一階段為A級(jí)曲面數(shù)模首發(fā)，以造型凍結(jié)后掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)，參照詳細(xì)工程輸入信息構(gòu)建的初版，包含第一道造型翻邊倒角可見曲面的數(shù)據(jù)模型。首次發(fā)布的A級(jí)曲面數(shù)模可提供至內(nèi)部質(zhì)量評(píng)審小組，依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀造型及曲面內(nèi)部質(zhì)量評(píng)估與檢測(cè)，同時(shí)首次發(fā)布的A級(jí)曲面數(shù)模是下游相關(guān)工程部門如車身部、內(nèi)外飾部門制作第一階段工程數(shù)據(jù)的依據(jù)，是相關(guān)工程部門分析、檢測(cè)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性與模具制造可行性的依據(jù)。如有需要，還可以根據(jù)首次發(fā)布的A級(jí)曲面數(shù)模開始造型驗(yàn)證模型SRM的加工制作。

第二階段為A級(jí)曲面凍結(jié)，該數(shù)模修正了首次發(fā)布的A級(jí)曲面數(shù)模的不足，在設(shè)計(jì)師的支持下，確保生成的曲面恰當(dāng)?shù)倪_(dá)到審美上的高光要求、詳細(xì)完整的反映了造型特征、滿足DTS要求、內(nèi)部曲面質(zhì)量要求、最小圓角的要求及安裝方式等約束要求。A級(jí)曲面數(shù)模在凍結(jié)發(fā)布之前還應(yīng)通過(guò)虛擬評(píng)審，凍結(jié)的A級(jí)曲面數(shù)模是相關(guān)工程部門制作第二階段工程數(shù)據(jù)的依據(jù)。如有需要，還可以根據(jù)凍結(jié)的A級(jí)曲面數(shù)模開始模型TRM的加工制作。

7 結(jié)束語(yǔ)

汽車造型是汽車設(shè)計(jì)中確定產(chǎn)品形象的過(guò)程，A級(jí)曲面作為造型階段的最終遞交物，反映理論狀態(tài)的造型特征和造型質(zhì)量，是汽車造型階段的關(guān)鍵。A級(jí)曲面質(zhì)量的提高，必將更好的為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析與樣車制造等環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)，縮短開發(fā)周期，為新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)奏提供強(qiáng)有力的保證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃欣,汽車曲面質(zhì)量分析及光順?lè)椒?科技信息.2009.

[2]馬鐵利,林逸.車身class-a曲面模型的構(gòu)造.汽車技術(shù).2004.

[3]高尚鵬,高永光,高相森,徐家川.基于曲率梳的車身A級(jí)曲面評(píng)價(jià)方法.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009.

[4]王承翔,顏運(yùn)昌,黃天澤.汽車車身表面測(cè)量數(shù)據(jù)光順?lè)椒ㄑ芯?機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1996.

[5]李卓森,現(xiàn)代汽車造型[M].北京;人民交通出版社,2007.