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(fā)展現(xiàn)狀與意義

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，中國汽車市場產(chǎn)銷量急劇增加。同時，汽車品牌越來越多，汽車企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也越來越多，競爭壓力激增。在汽車市場越來越趨于同質(zhì)的形勢下，怎樣設計生產(chǎn)出消費者喜歡的產(chǎn)品，獲得消費者的認可，成為了汽車企業(yè)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(yè)技能，從概念到草圖、從產(chǎn)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(fā)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(xiàn)在經(jīng)過多年研究，三維軟件得到了深入發(fā)展，它能夠形象地展示產(chǎn)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(tài)模擬功能，能夠在三維空間內(nèi)，把虛擬的汽車幾何模型以二維圖像無法表現(xiàn)的角度展示出來，并從三維的角度進行分析與修改[3]?，F(xiàn)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(fā)的。80年代中期，計算機技術得到了長足的發(fā)展，硬件和軟件都有了一定的提高。PTC參數(shù)科技公司開發(fā)出能用輸入特定參數(shù)的方式對二維模型參數(shù)進行定點修改的軟件，這就是現(xiàn)在汽車設計人員常用的參數(shù)化設計。隨著計算機在軟硬件技術上的進一步發(fā)展，這種在三維實體造型上設定參數(shù)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(fā)現(xiàn)簡單的設計方式已經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)化的設計，具有多種優(yōu)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(xiàn)在三個方面：智能模型、目標驅(qū)動的設計能力和開放的可擴展的開發(fā)環(huán)境。

現(xiàn)有二維、三維設計軟件的種類非常多，行業(yè)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(shù)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(fā)的產(chǎn)品，是以CADAM系統(tǒng)為基礎而擴充開發(fā)的，曾經(jīng)用于飛機開發(fā)，現(xiàn)在由于汽車設計要求越來越高，也廣泛應用于汽車行業(yè)。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(yōu)點，也具有全面建模的優(yōu)點。CATIA包含多種設計模塊，這些模塊互不干涉，用戶可根據(jù)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(jù)自己的設計靈感，定好設計參數(shù)，規(guī)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(huán)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(shù)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(shù)化設計目標，因為CATIA的后參數(shù)化能力是它的一大特色。CATIA對于航空與汽車工程的發(fā)展有著深遠的影響，在分析與環(huán)境模擬的功能上表現(xiàn)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(chǎn)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(shù)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(yè)等領域。UG用虛擬產(chǎn)品開發(fā)的新理念，提供了多極化、集成化的企業(yè)級軟件產(chǎn)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(tǒng)，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(fā)展和個人計算機用戶的飛快增長，已經(jīng)成為模具行業(yè)、造型設計、機械設計等需要三維設計技術行業(yè)的一個主流應用[6]。UG在制造業(yè)，特別是汽車制造業(yè)中得到了廣泛的應用。

（3）Pro/ENGINEER

Pro/E是由PTC參數(shù)科技公司所開發(fā)的三維設計軟件，是第一種可以用參數(shù)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(lián)技術。

在設計時，運用Pro/E設計的三維模型之間相互關聯(lián)。當設計員做出某一項需要修改時，計算機會根據(jù)關聯(lián)規(guī)則，自動調(diào)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(shù)。同時由于關聯(lián)和調(diào)整規(guī)則的存在，能夠確保數(shù)據(jù)的準確性，無需反復修改。這種參數(shù)化修改功能非常符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)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(shù)式實體建模設計出的比較復雜的產(chǎn)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(fā)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(chǎn)品造型上。曾經(jīng)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(fā)展，并且與Windows系統(tǒng)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(yōu)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(xiàn)設計師的創(chuàng)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(fā)的。這款軟件是用全參數(shù)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(chǎn)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(jīng)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)勢；CATIA在國內(nèi)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(jù)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(yè)和個人的最終選擇產(chǎn)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(yōu)勢，要想充分發(fā)揮優(yōu)勢，那么軟件就必須具備強大的建模能力和優(yōu)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(fā)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(yè)設計[M].石家莊：河北美術出版社,2001.6.

[2]王虹,沈潔,張展.產(chǎn)品設計（第2 版中國高等院校藝術設計專業(yè)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(yè)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.4.

[5]黃少剛.Rhino3D 工業(yè)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(yè)出版社,2004.3.

[7]賈寶賢,趙萬生.SolidWorks 在工業(yè)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(yè)設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.6.