基于CATIA的某車造型及A面設(shè)計

侯滿哲 馬 宏 王月亭 龐永俊 孫冰心 牛立蕊 靳曉慶

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 前 言

汽車，作為一種便于使用并且高度自由的陸路交通工具，在社會經(jīng)濟和人民生活中占據(jù)著不可或缺的地位.汽車造型，作為汽車產(chǎn)品開發(fā)的先行環(huán)節(jié)，是汽車開發(fā)非常重要的組成部分.隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，造型設(shè)計工作變得越來越重要，而汽車外部的造型關(guān)系它在市場上的成敗.本文介紹了一種運用三維建模軟件設(shè)計汽車造型的方法，通過運用三維設(shè)計軟件CATIA，在考慮空氣動力學(xué)的影響因素后，對某車型進行三維曲面建模，并對汽車A面進行繪制與分縫，最終通過對車身斑馬線的檢查驗證了車身設(shè)計的效果.

1 現(xiàn)代汽車造型分類和特點

大體上，造型發(fā)展路線有四條，經(jīng)典風(fēng)格，鋒銳風(fēng)格，流動風(fēng)格和楔形風(fēng)格.這四種風(fēng)格之間相互交錯，相互推動和融合.從汽車車身造型的發(fā)展可以總結(jié)出以下幾點：

(1)敞篷式車身發(fā)展成為了封閉式車身結(jié)構(gòu).

(2)車身高度由高到低.意味著大大的降低了整車的風(fēng)阻系數(shù)，使得汽車的速度得到了進一步的提高;此外，高度的降低也意味著整車質(zhì)心的降低，大大提高了整車的操縱穩(wěn)定性.

(3)車身日趨呈流線型.這也是以空氣動力學(xué)為依據(jù)的，整車采用流線造型能夠減少車身表面的渦流出現(xiàn)，有效的降低了空氣阻力和升力.

2 造型的設(shè)計原則

在造型設(shè)計的長期實踐中，人們逐漸建立起基本原則：實用、經(jīng)濟、美觀.這三個原則是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的，三者缺一不可.它們之間的基本關(guān)系是：在實用的前提下講究美觀，使用與美觀不要經(jīng)濟因素為制約條件.但是常常因為產(chǎn)品的功能性質(zhì)，使用情況和市場銷售等不同的特點而有所側(cè)重，往往會突出某個原則.

在汽車設(shè)計的最初階段就應(yīng)該研究其整體藝術(shù)形象，權(quán)衡藝術(shù)造型對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，使用性能和制造工藝的影響，使藝術(shù)巧妙的融合在產(chǎn)品的形體之中.

(1)汽車造型必須保證車輛的使用性能.

藝術(shù)造型在汽車的空氣動力性能方面的影響是最大的，所以在造型時必須設(shè)計出合理的形狀以便于盡量減小空氣阻力對汽車的影響；藝術(shù)造型對車身的制造工藝也有很大的影響，在造型時必須有利于降低車身零件的拉延伸度，減少沖壓的工序，并且簡化沖模結(jié)構(gòu)，使得零件具有良好的裝焊工藝；同時汽車造型對乘坐的舒適性、操縱的安全性也有一定的影響，所以要求設(shè)計師考慮車身和座椅與車內(nèi)空間的配合.

(2)汽車造型必須考慮車輛功能的差別.

各類汽車的造型，除了需要體現(xiàn)出平穩(wěn)、安全、舒適的感覺外，還要體現(xiàn)出運行的速度感，但是作為不同性質(zhì)的交通工具，在設(shè)計上還要考慮功能的差別.比如轎車要同時追求乘坐的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，還要追求高速，但是不需要預(yù)留過大的車內(nèi)空間；大型旅游車則追求一定的空間，運行平穩(wěn)，舒適和安全.所以在轎車設(shè)計主體采用了梯形，以便產(chǎn)生視覺上的穩(wěn)定感，為了追求速度感，車體的外輪廓線，采用了富有動態(tài)感的曲線.

(3)汽車造型必須追求車身的整體感.

汽車的造型最重要的就是獲得整體感，統(tǒng)一完整是衡量汽車造型的標準.在設(shè)計汽車時應(yīng)該要考慮結(jié)構(gòu)、比例、尺寸、均衡、質(zhì)感、色彩、裝飾和動感等因素.

(4)汽車造型要注重色彩的搭配.

根據(jù)汽車的用途、氣候和地理條件，城市和道路的美化，內(nèi)外部色彩的協(xié)調(diào)等對汽車的色彩也有一定的要求，但是在本次的設(shè)計工作中由于造型設(shè)計和A面設(shè)計工作量很大，最后沒有做色彩的渲染.

3 造型方案設(shè)計

3.1 造型設(shè)計數(shù)據(jù)準備

根據(jù)參考文獻[1]，本文整車布置的數(shù)據(jù)為長寬高5080 mm×1900 mm×1480 mm，軸距 3000 mm，前后輪距1560 mm×1560 mm，接近離去角12°×16°，最小離地間隙100 mm.

3.2 空氣動力學(xué)在造型中的應(yīng)用

汽車在行駛的過程中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產(chǎn)生縱向，側(cè)向和垂直等3個方向的空氣動力量，對高速行駛的汽車產(chǎn)生不同的影響，現(xiàn)代轎車的空氣阻力系數(shù)一般保證在0.28-0.4.為了減少空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)代轎車的外形一般用圓滑的流暢曲線去替代車身上的轉(zhuǎn)折線.前圍與側(cè)圍，前圍、側(cè)圍與發(fā)動機罩，后圍與側(cè)圍等地方都采用圓滑過渡.發(fā)動機罩設(shè)計成向下傾斜的，短而高翹的車尾后蓋箱，大曲面的擋風(fēng)玻璃，圓滑過渡切盡量平直等設(shè)計方法都可以有效的降低空氣阻力系數(shù).

車頭整體圓弧面的設(shè)計為了使在車頭附近出現(xiàn)的正壓強減少，比變焦倒圓的效果要明顯好些，所以在本次的設(shè)計中保險杠及車頭的適當(dāng)?shù)膱A滑過渡是為了保證從車頭前部流向側(cè)圍的氣流能順暢流過而不會產(chǎn)生高速的渦流，增加阻力.車頭下沿還有一個凸起唇，這個設(shè)計為了改善底部氣流而設(shè)計的，這種設(shè)計可以減少沖刷進入地盤的氣流，減少底部渦流帶來的升力和阻力.車頭設(shè)計如圖1，圖2所示.

圖1車頭俯視圖圖2車頭側(cè)視圖細節(jié)

車尾短平，可以減少從車頂向后部作用的負氣壓而防止后輪漂浮，而行李箱蓋上做成鴨尾狀的突出物即擾流板是為了將從車頂沖下來的氣流阻滯一下而形成向下的作用力.但是由于車的速度一般都不是很高，所以這種擾流板很難得發(fā)揮出作用，在汽車設(shè)計中反而是為了造型服務(wù)得較多.車尾設(shè)計如圖3所示.

圖3 車尾細節(jié)圖

3.3 A面及大體造型繪畫過程

3.3.1 A面簡介

A面，即Class-A面，也就是常認為的簡單完美又光順的曲面.一般是指汽車車身上可見的外表面，包括發(fā)動機罩，車頂，側(cè)圍，前后翼子板，前后保險杠等.在A級曲面中G2連續(xù)是基本的要求，只有達到了G2的要求曲面才會出現(xiàn)反光的效果，起碼用肉眼看的時候沒有明顯的不平或者褶皺的地方.但是有時候雖然曲面是達到了G2甚至是G3連續(xù)，也不見得就是A面，因為實際上曲率可以變化很快但是連續(xù)，這樣的結(jié)果有時是可以用肉眼就能看出來的，在打光的效果下面就有明顯的突起和褶皺.因此A面的檢查工作就是A面完成后一個十分重要的工作，甚至是在畫大面的時候，每完成一部分都要即時的檢查才可以.A面比高階面的創(chuàng)建需要關(guān)注的東西更加的多而復(fù)雜.

3.3.2 造型特征線的繪畫

這次創(chuàng)建A面的過程中一并把造型也考慮進去.因此在確定大體的造型特點十分重要，在這個過程中首先要做的就是造型線條的繪制.圖4、圖5、圖6是A面完成后的線框圖，而紅色線條表示的就是最開始的時候確定造型時畫的造型線條.

圖4造型線正視圖圖5造型線側(cè)視圖

圖6斜視圖圖7線條曲率檢查舉例

如圖7所示，在繪畫這些用來決定基礎(chǔ)面的線條時，為了保證生成的面是A面，也為了面的光順，都會對線條進行曲率的檢查，要求曲率檢查時曲率線光滑連接，沒有斷開的地方，并且都在同一方向上，這樣就保證了線條的G2連續(xù)，再用這些線條做橋接，拉伸，掃掠等命令時就可以使的創(chuàng)建的面更加接近于A面的標準.

3.3.3 合理的分塊分縫

汽車根據(jù)不同的型號有不同的造型，而這些造型的不同就體現(xiàn)在車身覆蓋件上，就是具有不同走向的分塊線以及由分塊線分割出的不同形狀的覆蓋件.分塊線作為汽車造型整體的一部分，需要進行美學(xué)方面的考慮，同時還要考慮零件的裝配關(guān)系.分塊線不是在汽車產(chǎn)品設(shè)計之初就確定好的，它考慮的重點在于車身的制造工藝性、構(gòu)件的連接關(guān)系以及加工可行性和使用方便性.分塊線主要考慮在以下幾個方面：保險杠、發(fā)動機蓋和格柵之間組合裝配關(guān)系，前后翼子板分別與前后車門的裝配關(guān)系，前后車門和側(cè)圍之間的裝配關(guān)系，以及汽車上的組合燈、保險杠和行李箱蓋之間的組合裝配關(guān)系.

在CATIA中進行分塊時，首先要確定的就是分快線的走向，這在很大程度上是影響了車身造型的.如圖8所示，在畫出了分縫線的走向后，先投影到需要分塊的面上，利用“掃掠”命令根據(jù)投影在面上的曲線，得出以曲線為中心，以縫隙尺寸為直徑的圓柱面，用圓柱面去分割車身曲面，刪除圓柱面，就可以得出均勻的分縫線[2].

圖8 側(cè)面的分縫線

3.4 A面的檢查

如圖9所示，從高光反光的效果可以看出，汽車外表面的A面是光順連接的，反光效果較好.由圖10的高斯圖可以看出，曲率變化是均勻且平滑的，其中綠色是最佳效果.整車的A面高斯檢測中沒有出現(xiàn)曲率突變的地方，大部分的曲率半徑都是相同的，而且小于0.05 mm,甚至更小，只有少數(shù)一些地方的曲率變化稍微大一些，出現(xiàn)了極少部分的正負變化，有些是造型需求，有些是A面質(zhì)量問題，但是整體而言是滿足A面要求的.并且沒有出現(xiàn)紅色區(qū)域，也就是說，在生產(chǎn)制造的過程中也不會出現(xiàn)拔模困難的現(xiàn)象[3].

圖9高光效果圖圖10高斯圖

如圖11、12顯示斑馬線都是平行的，而且是光滑連接的，即可以看出在這些對稱性要求很高的地方，生成的A面不但符合G2連續(xù)，還滿足G3連續(xù).是符合汽車A面要求和對稱部位連接要求的.

如圖13、14可以看出，車頭部位和車尾部位的斑馬線大體也是平順的.車尾部分有一些扭曲的地方，除了尾燈部分斷開的地方，后保險杠處也有一些輕度扭曲的部分，代表此處的A面曲率變化有一些不均勻.但是沒有出現(xiàn)漩渦，也表明此處的A面曲率變化并不大，大體滿足A面要求.

圖11俯視圖斑馬線圖圖12車頂斑馬線放大圖

圖13正視圖斑馬線效果圖14后視圖斑馬線效果

4 結(jié) 語

通過計算機三維輔助設(shè)計車身造型，能夠克服以往手工設(shè)計帶來的效率低、可靠性差等缺點.在造型完成后，可以將設(shè)計文件交給總布置人員進行校核，并進行可行性分析，再做適當(dāng)?shù)男薷?，對校核的不合格A面進行優(yōu)化調(diào)整.同時，由于計算機設(shè)計的技術(shù)文件便于交互使用，因此為車身的后續(xù)設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ).

[1]彭岳華.現(xiàn)代汽車造型設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社，2011

[2]彭岳華，張松峰.車身覆蓋件分塊線的研究[J].汽車與配件，2007(34)：26～28

[3]高尚鵬，高永光，高相森，徐家川.基于曲率梳的車身A級曲面評價方法[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2009(10)：11～14