基于CATIA的產(chǎn)品漸消曲面造型思路與設(shè)計(jì)方法研究*

卜 俊, 沙 強(qiáng)， 唐 剛

(1.廈門(mén)大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105，2.江蘇大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于CATIA的產(chǎn)品漸消曲面造型思路與設(shè)計(jì)方法研究*

卜 俊1, 沙 強(qiáng)2， 唐 剛1

(1.廈門(mén)大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105，2.江蘇大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過(guò)分析漸消面的特點(diǎn)和造型特征，根據(jù)漸消面上線、面變化的特征將其分為曲線漸消、曲面漸消、倒角漸消3種類型；提出了可適用于各種類型漸消面的造型思路，并結(jié)合CATIA中創(chuàng)成式曲面模塊和自由曲面模塊對(duì)每種類型漸消曲面進(jìn)行了建模驗(yàn)證；闡述了其構(gòu)建思路的實(shí)踐、曲面處理技巧及曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，為CATIA環(huán)境下的工業(yè)產(chǎn)品曲面造型設(shè)計(jì)提供參考。

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì);漸消面;CATIA

漸消面又被稱為消失曲，它突破了傳統(tǒng)造型，使產(chǎn)品表面具有美感和層次感，是一種藝術(shù)性和技術(shù)性相對(duì)完美結(jié)合的曲面特征[1]，通常表現(xiàn)為曲面上局部特征從明顯逐漸變化至和周圍曲面融合并消失，是一種獨(dú)特的造型語(yǔ)言。如圖1所示，在類似汽車等擁有大面積曲面造型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，漸消面的應(yīng)用可以豐富產(chǎn)品表面造型，增加曲面流暢感和層次感，凸顯時(shí)尚和優(yōu)美的外觀；同時(shí)，在一些產(chǎn)品的細(xì)節(jié)處采用漸消面設(shè)計(jì)還可以增加手與接觸部位的摩擦力，起到優(yōu)化人機(jī)舒適度，強(qiáng)調(diào)安全、合理的人機(jī)關(guān)系的良好效果[2]。

CATIA集多種功能模塊為一體且有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能和較高的精度[3],其采用B樣條曲線原理建立空間曲面，克服了由Bezier曲線生成的曲面片之間不具有曲率連續(xù)性的缺點(diǎn)，可生成高質(zhì)量的空間曲面[4]。在運(yùn)用CATIA進(jìn)行曲面建模的過(guò)程中同時(shí)也應(yīng)注重對(duì)曲面形態(tài)特征和建模方法的研究，從而提升產(chǎn)品曲面建模品質(zhì)和效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

圖1 產(chǎn)品造型中的漸消面Fig.1 Fading surface in product design

1 工業(yè)產(chǎn)品造型中漸消面的類型及特點(diǎn)

漸消面是增強(qiáng)曲面設(shè)計(jì)感的一種常用手段，常用于產(chǎn)品造型的細(xì)節(jié)處[5]。產(chǎn)品造型中漸消面形態(tài)各異，按其在實(shí)際應(yīng)用中的形成方式和特性可大致分為3類。

1.1 曲線漸消

曲線漸消特征表現(xiàn)形式為一條棱線，如圖2所示，它可以看做是一條形狀規(guī)則的曲線產(chǎn)生于兩個(gè)曲面，呈一定變化趨勢(shì)后又消失于兩個(gè)曲面。曲線漸消具有棱角轉(zhuǎn)折、硬結(jié)合等特征，運(yùn)用于產(chǎn)品造型中會(huì)讓人感覺(jué)到簡(jiǎn)潔硬朗，具有力量感、雕塑感、方向感[6]。

圖2 產(chǎn)品中的曲線漸消特征Fig.2 The feature of curve fading surface

1.2 曲面漸消

在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中曲面漸消特征經(jīng)常被運(yùn)用在各類有層次的曲面之間，其表現(xiàn)形式為過(guò)渡面與具有層次的兩個(gè)或多個(gè)曲面的交線逐漸融合至消失，具有高度差的兩個(gè)或多個(gè)曲面最終過(guò)渡成為一個(gè)面。這種漸消特征的運(yùn)用增加了產(chǎn)品表面造型的層次感，豐富形態(tài)的同時(shí)讓人產(chǎn)生視覺(jué)美感，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品中的曲面漸消特征Fig.3 Surface fading feature in product

1.3 特征漸消

特征漸消也稱連續(xù)性漸消，運(yùn)用較為普遍。它本身就可以看做是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的曲面，其特征從開(kāi)始至消失都在一個(gè)基面上，不存在基面與基面之間的高度差。這種類型漸消面經(jīng)常用來(lái)作為面與面之間細(xì)節(jié)的處理，如圖4所示。

圖4 具有特征漸消特征的漸消面Fig.4 The fading surface with traits

2 基于CATIA的工業(yè)產(chǎn)品漸消面造型思路

2.1 漸消面的構(gòu)成及一般建模思路

為了清楚地了解漸消面的構(gòu)成原理，可在CATIA中按漸消面曲面變化特征對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。如圖5所示，漸消面一般由A、B、C三個(gè)曲面構(gòu)成，其中曲面A是漸消面基礎(chǔ)曲面；曲面B一端與曲面A呈曲率連續(xù)，另一端與曲面A存在一定的高度差；曲面C是連接曲面A和曲面B的消失面，是整個(gè)漸消面的核心曲面，它分別與曲面A和曲面B保持曲率、切線連續(xù)。由上述簡(jiǎn)化模型分析得知漸消面一般建模思路如下：

(1) 首先，建立基礎(chǔ)曲面A，這種曲面一般面積較大，建模相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2) 其次，建立曲面B，并保持曲面B的一端與曲面A的邊緣呈曲率連續(xù)，另一端與曲面A形成一定高度差。

(3) 最后，用補(bǔ)面的方式使一組曲線按一定的漸變規(guī)律變化即可生成需要的消失面C。

2.2 不同類型漸消面建模思路總結(jié)

由于漸消面形態(tài)各異，對(duì)各曲線、曲面之間的銜接要求也不盡相同?；谏鲜鲆话阍煨退悸凡⒔Y(jié)合曲線漸消、曲面漸消、特征漸消的造型特點(diǎn)加以細(xì)化可以得出不同類型漸消面造型思路，如圖6所示。

(1) 曲線漸消：如圖6(a)所示，當(dāng)曲面B與曲面A不重合且一端與曲面A在消失點(diǎn)處融合時(shí)，設(shè)置兩曲面中間銜接部分呈點(diǎn)連續(xù)(即兩曲面沒(méi)有形成高度差)后可得到曲線漸消特征。此時(shí)曲線漸消造型由曲面A和曲面B構(gòu)成，曲面C消失，在曲面A與曲面B接合處會(huì)形成一條棱線。

圖5 漸消面的構(gòu)成示意圖Fig.5 The common structure of fading surface

圖6 不同類型漸消曲面的建構(gòu)圖Fig.6 The constitution of different styles of fading surfaces

(2) 曲面漸消：如圖6(b)所示，當(dāng)曲面B的一端與曲面A呈曲率連續(xù)且另一端與曲面A有明顯的高度差時(shí)，利用補(bǔ)面命令并設(shè)置邊緣連續(xù)性為切線或曲率連續(xù)可得到曲面漸消特征。此時(shí)曲面漸消造型由曲面A、B、C共同組成，曲面C兩端與A、B曲面呈相切或曲率連續(xù)，中間部分則保持明顯的曲面變化，曲面C輪廓形狀可以通過(guò)改變邊緣約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3) 特征漸消：如圖6(c)所示，當(dāng)曲面B與曲面A重合時(shí)，在劃定的范圍內(nèi)增加特征控制線并設(shè)置邊緣約束條件后可通過(guò)補(bǔ)面方式獲得特征漸消面。此時(shí)特征漸消造型由曲面A和曲面C組成，曲面B與曲面A重合，曲面C邊緣與曲面A呈曲率連續(xù)且所需要表達(dá)的特征全部集中于曲面C上。

3 CATIA中產(chǎn)品漸消面建模方法

3.1 曲線漸消造型的構(gòu)建方法

曲線漸消特征通常由基面、漸消特征面和過(guò)渡面三部分組成，通過(guò)面與面之間的銜接形成流暢的“線形”特征，最終消失于一點(diǎn)。為避免過(guò)渡面影響其他曲面質(zhì)量，首先應(yīng)該確定漸消面的消失點(diǎn)，然后再做曲面過(guò)渡保證曲面質(zhì)量，具體步驟如下。

(1) 創(chuàng)建漸消特征線。在曲面模塊中建立曲線漸消面的漸消特征線及輔助曲線?？捎们适釋?duì)曲線進(jìn)行檢測(cè)以保證曲線的光順度，如圖7所示。

(2) 創(chuàng)建過(guò)渡曲面。在漸消特征線上選取消失點(diǎn)P，在FreeStyle模塊下橫向拉伸漸消特征線形成輔助面B，然后將輔助面B與輔助輪廓線進(jìn)行橋接，生成過(guò)渡面。橋接時(shí)應(yīng)使過(guò)渡面與輔助面B實(shí)現(xiàn)G1切線連續(xù)，保證對(duì)稱后的兩個(gè)過(guò)渡面的光順性，如圖8所示。

圖7 漸消特征線及輔助線的建立Fig.7 The construction of fading and auxiliary line

圖8 過(guò)渡面的建立Fig.8 The construction of transition surface

(3) 建立曲線漸消特征曲面。以漸消特征線中點(diǎn)和輔助輪廓線1的中點(diǎn)為端點(diǎn)曲線并拉伸形成輔助曲面C。如圖9所示，選取網(wǎng)狀曲面命令以過(guò)渡面邊緣線(設(shè)置G2曲率連續(xù))和輔助曲面C邊緣(設(shè)置G1切線連續(xù))為曲面的輪廓，然后添加漸消特征線和輔助輪廓線1為引導(dǎo)線生成漸消特征面，生成的漸消面經(jīng)對(duì)稱后完成曲線漸消造型，如圖10所示。

圖9 漸消特征面的建立Fig.9 The construction of fading surface

圖10 最終完成曲面Fig.10 The completed surface

3.2 曲面漸消造型的構(gòu)建方法

曲面漸消由兩個(gè)具有高度差且曲面的法向方向不同的曲面和一個(gè)漸消特征面組成，漸消特征面從兩曲面的一端開(kāi)始至另一端消失，將兩個(gè)面巧妙地融合在一起，豐富特征的同時(shí)也起到過(guò)渡作用。以下以汽車側(cè)身曲面漸消造型為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1) 構(gòu)建汽車側(cè)身主體基面。用3D空間曲線構(gòu)建車身邊界輪廓，調(diào)整曲線控制點(diǎn)至合適位置以修整車身輪廓,接著在創(chuàng)成式模塊中用填充命令依次選擇各個(gè)邊界線，生成側(cè)身主體曲面A，如圖11所示。

圖11 側(cè)身主體曲面建立 Fig.11 The construction of sideway surface

(2) 曲面修剪和延拓形成曲面之間高度差。點(diǎn)擊草圖命令繪制曲面漸消輪廓，繪制完成后對(duì)車身曲面進(jìn)行分割得到曲面A和曲面B。然后將曲面B沿著某一方向偏移一定距離形成曲面漸消的高度差。再次修剪曲面B, 完成后用FreeStyle模塊中橋接命令將修剪曲面B和曲面A邊緣進(jìn)行橋接，邊緣處形成曲率(G2)連續(xù)，如圖12所示。

圖12 曲面修剪和延拓Fig.12 Surface trimming and extension

(3) 生成漸消曲面。如圖13所示，將新生成的曲面和和曲面B結(jié)合形成新的曲面C，用草圖命令畫(huà)出草圖輪廓2后對(duì)新生成的曲面C進(jìn)行修剪。最后利用橋接命令銜接曲面A和曲面C形成漸消曲面。由于所做的造型有轉(zhuǎn)折，因而可用兩個(gè)或三個(gè)光滑的曲面拼接生成，以此保證曲面的連續(xù)性，最終生成曲面效果，如圖14所示。

圖13 再次修剪曲面Fig.13 Re-trimmiing of surface

圖14 形成曲面漸消造型Fig.14 Forming fading surface

3.3 特征漸消造型的構(gòu)建方法

由于特征漸消面是個(gè)相對(duì)獨(dú)立的曲面，起始面和消失面都在同一個(gè)曲面上，因而創(chuàng)建較為簡(jiǎn)單，多出現(xiàn)在產(chǎn)品細(xì)節(jié)上。以月牙造型為例，其一般步驟如下。

(1) 創(chuàng)建基準(zhǔn)面。該曲面是創(chuàng)建自由形狀的基礎(chǔ)參照曲面，可以是拉伸、邊界混合等任何形式的曲面對(duì)象[7]。創(chuàng)建月牙形輪廓和基準(zhǔn)曲面A并對(duì)基準(zhǔn)曲面修剪，如圖15所示。

圖15 創(chuàng)建母體曲面Fig.15 Create a principal surface

(2) 建立漸消特征線。在月牙輪廓的中點(diǎn)處提取曲面A上的等參數(shù)曲線生成曲線1、曲線2。如圖16所示，以曲線1和曲線2為基線，曲線3分別于曲線1和曲線2曲率連續(xù)。接著提取月牙輪廓邊緣生成曲線4、曲線5、曲線6和曲線7。

圖16 制作漸消面邊緣線Fig.16 Create edge lines of fading surface

(3) 生成特征漸消面。如圖17所示，在自由曲面模塊中選取網(wǎng)狀曲面命令并且以曲線6、曲線7為引導(dǎo)線(邊緣G1連續(xù))，曲線3(主輪廓)、曲線4、曲線5位輪廓生成特征漸消面，如圖18所示。

圖17 生成特征漸消面Fig.17 Forming feature fading surface

圖18 特征漸消造型最終效果Fig.18 Final shape of feature fading surface

3.4 漸消曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)

為保證漸消面的建模質(zhì)量，應(yīng)對(duì)所完成的曲面進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)方法包括等照度線評(píng)價(jià)、界面曲率梳評(píng)價(jià)、高亮分析評(píng)價(jià)、反射線分析評(píng)價(jià)等，其中等照度線由于顯示比較直觀，常用于曲面光順性分析[8]。

等照度線是通過(guò)將球面或柱面上黑白相間的條紋投射到曲面上來(lái)檢查曲面質(zhì)量的方法，如條紋粗細(xì)和間隔分布均勻則表面光順，若條紋出現(xiàn)間隔不均勻或出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)則表示沒(méi)達(dá)到曲率連續(xù)。如圖19所示，以曲線漸消面為例，在曲線漸消面中消失點(diǎn)左側(cè)條紋出現(xiàn)尖角轉(zhuǎn)折，說(shuō)明把左側(cè)兩邊曲面以G0(點(diǎn))連續(xù)形式存在，而消失點(diǎn)右側(cè)部分條紋逐漸趨于平緩過(guò)渡均勻，說(shuō)明兩曲面逐漸由點(diǎn)連續(xù)逐漸變化為曲率連續(xù)，符合曲線漸消特征。

4 結(jié) 論

(1) 分析產(chǎn)品漸消面在產(chǎn)品中的作用，根據(jù)其漸消造型特征將其分為3類：曲線漸消面、曲面漸消面、特征漸消面。

(2) 闡述CATIA曲面造型的基本原理及一般構(gòu)建思路并在此基礎(chǔ)上結(jié)合漸消面的特點(diǎn)歸納出上述3種漸消面的構(gòu)建新思路和方法，見(jiàn)表1。

圖19 曲線漸消面等照度線評(píng)價(jià)Fig.19 The iso-illuminance curve evaluation of curve fading surface

(3) 在CATIA環(huán)境中結(jié)合案例分別對(duì)曲線漸消面、曲面漸消曲面和特征漸消面做出實(shí)踐驗(yàn)證并闡述曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

由于漸消面形態(tài)各異，設(shè)計(jì)方法也不盡相同。筆者結(jié)合案例分析歸納出CATIA環(huán)境下的曲線漸消面、曲面漸消面和特征漸消面3種典型漸消曲面的構(gòu)建思路和曲面評(píng)價(jià)方法，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境下的曲面造型設(shè)計(jì)提供一定的參考。

表1 CATIA漸消面歸納

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責(zé)任編輯：羅姍姍

Research on Modeling Philosophy and Design Method for Fading Surfaces of the Products Based on CATIA

BU Jun1, SHA Qiang2, TANG Gang1

(1.Tan Kah Kee College, Xiamen University, Fujian Zhangzhou 363105, China; 2. School of Art, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)

Via the analysis of the feature and the modeling characteristics of fading surface, according to fading surface line and changing feature of the surface, the fading surface can be categorized as curve fading, surface fading and fillet fading. This paper puts forward the available modeling philosophy suitable for all kinds of fading surfaces, makes the modeling test for all kinds of fading surfaces by combining generative shape design mode and freestyle shape mode under CATIA, and expounds its construction philosophy practice, surface modeling skills and fading surface evaluation method, which provide reference for the curve design of industrial products under CATIA environment.

product modeling design; fading surface; CATIA

2016-09-15;

2016-10-12．

廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院校級(jí)科研孵化項(xiàng)目(2016W04)．

卜俊(1988-),男，江蘇揚(yáng)州人，助教，碩士，從事工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)研究．

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0002.021

TB472

A

1672-058X(2017)02-0109-07