基于UG軟件的交通工具曲面建模應用研究

王 琛，張樂平

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037)

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的不斷加快，計算機輔助設計在新產(chǎn)品開發(fā)的過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。曲面設計是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中非常重要的一部分，越來越多的產(chǎn)品都在追求造型設計中曲面的美感[1]。例如汽車造型設計的流線型和藝術產(chǎn)品設計的曲線美，這些產(chǎn)品的設計開發(fā)都離不開曲面的設計[2]。UG軟件作為計算機輔助產(chǎn)品設計方向較為先進的應用軟件，具有強大的曲面設計功能，不僅為工程師提供了多種便捷的曲面設計工具，同時為工程師提供了多種自由的曲面編輯工具[3]。它能滿足工程師的多種曲面設計要求，尤其是復雜曲面的設計要求。同時，它還能方便工程師及時更新設計方案，修改已經(jīng)創(chuàng)建好的曲面。本文對UG軟件在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中曲面設計的應用進行了探索，尤其是自由曲面的創(chuàng)建在交通工具造型設計中的應用[4]。以軌道列車的車頭造型設計為例，探究自由曲面設計方法在交通工具具體設計案例中應用的可行性及效果。

1 自由曲面

工業(yè)產(chǎn)品的造型主要分為兩類：一類是由初等解析曲面(如平面、球面、圓錐面等)組成，可以由畫法幾何與機械制圖方法完整表達的造型，大多數(shù)機械產(chǎn)品屬于此類[5]。另一類是不能由初等解析曲面組成，而由復雜且自由變化的曲面組成的造型，稱為自由曲面，例如飛機、汽車等產(chǎn)品的形狀。自由曲面指的是形狀復雜、數(shù)學上不能通過二次方程來描述的曲面。在實際產(chǎn)品建模過程中，只使用簡單的特征建模方式就可以完成的曲面產(chǎn)品設計是非常有限的。因此，對于較為復雜的曲面模型需要通過UG軟件中的曲面設計模塊來進行造型設計[6]。作為功能強大的計算機輔助產(chǎn)品設計軟件，UG軟件不僅提供了基本的特征建模模塊，同時還提供了強大的自由曲面特征建模及相應的編輯和操作功能。具體包含了二十多種自由曲面造型的創(chuàng)建方式，工程師可以利用它們完成各種復雜自由曲面及非規(guī)則實體的創(chuàng)建，以及相關曲面編輯任務[7]。

2 自由曲面創(chuàng)建方法

UG軟件中的曲面設計模塊提供了多種創(chuàng)建曲面的方法，總結(jié)為以下4類：①根據(jù)點創(chuàng)建曲面；②通過曲線創(chuàng)建曲面，例如直紋面、通過曲線網(wǎng)格創(chuàng)建曲面；③通過藝術曲面設計創(chuàng)建曲面；④通過曲面操作的方式得到曲面，例如延伸曲面、橋接曲面和裁剪曲面等方法創(chuàng)建曲面。以上4種方法操作快捷方便，且大部分命令都具有參數(shù)化設計的特點，便于及時根據(jù)設計要求修改曲面[8]。UG軟件中自由曲面的繪制，是對以上4種方法的任意組合，配合使用。對于高階的自由曲面設計，尤其是以交通工具造型設計為代表的的曲面設計，較為常用的是曲線網(wǎng)格創(chuàng)建方法和藝術曲面設計方法[9]。曲線網(wǎng)格創(chuàng)建方法是通過繪制好的曲線生成自由曲面形態(tài)，藝術曲面設計方法則是由已有的曲面構造新的自由曲面。

2.1 曲線網(wǎng)格

通過曲線網(wǎng)格創(chuàng)建自由曲面的方法，是依據(jù)兩組截面線串來生成片體或?qū)嶓w的方法，可以滿足復雜曲面的設計要求[10]。它不僅可以選擇主截面線串，而且可以選擇交叉截面線串，從而為曲面設計提供更多選擇。這兩組截面線串中有一組大致方向相同的截面線串稱為主線串，另一組與主線串大致垂直的線串稱為交叉線串[11]。因此在選擇線串時，應該將方向相同的截面線串作為一組，這樣兩組截面線就可以形成網(wǎng)格的形狀[12]。

2.2 藝術曲面

藝術曲面是通過預先設置的曲面構造方式來生成，能夠快速簡潔地生成曲面。藝術曲面命令可以根據(jù)所選擇的主線串，自動創(chuàng)建符合要求的自由曲面。在生成曲面后，可以通過預設的截面線串(主線串)和引導線串(交叉線串)的數(shù)目來生成曲面[13]。藝術曲面的創(chuàng)建過程中，需要注意生成的藝術曲面與其他曲面之間的連續(xù)性過渡條件，常見過渡條件如下：①G0點連接方式：通過點和其他部分連接[14-16]；②G1相切過渡連接：通過相切的方式進行面和面的連接；③G2曲率過渡連接：通過曲率的方式進行面和面的連接。在光順效果上，G2曲率過渡連接優(yōu)于G1相切過渡連接優(yōu)于G0點連接。

3 基于UG軟件的交通工具曲面建模 應用

以軌道列車的車頭造型設計為例，探究自由曲面設計方法在交通工具具體設計案例中的應用。模型車頭以南京地體三號線軌道列車為設計原型，分析列車外形進行建模的整體構思，把整個列車外表面拆分為5個面分別進行構建，最后縫合成實體。具體建模步驟如下：

(1)在UG軟件中新建零件模型，在曲面設計模塊中，建立基準平面XY 平面、XZ平面、YZ平面。選擇XY平面作為基準面，點擊草繪圖形進入草圖繪制界面。根據(jù)《CCJJ/T 96-2018 地鐵限界標準》畫出地鐵以及隧道界面，點擊結(jié)束繪制完成草圖。再次選擇XY基準面，點擊草繪圖形進入草圖界面，參考地鐵以及隧道界面，使用藝術樣條畫出列車截面輪廓，兩端點約束設置在車頂水平線及車側(cè)壁豎直線上。編輯樣條曲線，使兩端點曲率與水平方向參考線、豎直方向參考線相同(兩端點曲率值為0)。微調(diào)樣條曲線，使樣條曲線在《CCJJ/T 96-2018 地鐵限界標準》規(guī)定尺寸內(nèi)調(diào)整出滿意的形狀，樣條曲線曲率變化幅度不宜過大。編輯好樣條線后，光順樣條，保持端點曲率連續(xù)，使樣條曲線內(nèi)部連續(xù)性為G3。XY平面樣條曲線編輯如圖1所示。

圖1 XY平面樣條曲線編輯

(2)選擇YZ平面作為基準面，點擊草繪圖形進入草圖界面。參考地鐵以及隧道界面，使用藝術樣條畫出列車側(cè)面的截面輪廓，車頭長度設置為19 000 mm。微調(diào)樣條曲線，使樣條曲線在《CCJJ/T 96-2018 地鐵限界標準》規(guī)定尺寸內(nèi)調(diào)整出滿意的形狀，樣條曲線曲率變化幅度不宜過大。微調(diào)完樣條曲線后，光順樣條曲線，保持曲線端點曲率連續(xù)，使樣條曲線內(nèi)部連續(xù)性為G3。YZ平面樣條曲線編輯如圖2所示。

圖2 YZ平面樣條曲線編輯

(3)拉伸列車頂端直線，方向為-XC，使車頂端拉伸出1個直紋面。使用藝術曲面命令構建列車側(cè)面，通過預設的截面線串(XY基準面截面線串)和引導線串(YZ平面截面線串)來生成列車側(cè)面曲面，將車頂端拉伸的直紋面作為約束面，連續(xù)性選擇為G2。鏡像曲面，選擇鏡像YZ基準面，即可得到兩邊對稱的列車側(cè)面曲面。

(4)拉伸1個參考平面作為裁減工具面，方向與XY基準面呈60°，使用裁減片體命令裁剪已經(jīng)建好的部分列車側(cè)面曲面。以 XZ平面為基準平面，建立車頭樣條曲線，使樣條曲線在《CCJJ/T 96-2018 地鐵限界標準》規(guī)定尺寸內(nèi)調(diào)整出滿意的形狀，樣條曲線曲率變化幅度不宜過大。微調(diào)完樣條曲線后，光順樣條曲線，保持曲線端點曲率連續(xù)，使樣條曲線內(nèi)部連續(xù)性為G3。XZ平面樣條曲線編輯如圖3所示。

圖3 XZ平面樣條曲線編輯

(5)使用藝術曲面命令構建列車車頭前側(cè)面。通過預設的截面線串(XY基準面截面線串)和引導線串(XZ平面截面線串)來生成列車車頭前側(cè)面，將列車側(cè)面曲面作為約束面，連續(xù)性選擇為G2。鏡像曲面，選擇鏡像YZ基準面，即可得到兩邊對稱的列車車頭前側(cè)面，鏡像列車車頭前側(cè)面如圖4所示。

圖4 鏡像列車車頭前側(cè)面

(6)通過曲線網(wǎng)格命令建立車頭自由曲面，在列車對稱側(cè)面曲面之間插入5個等距的參考平面。使用樣條曲線命令，在《CCJJ/T 96-2018 地鐵限界標準》規(guī)定尺寸內(nèi)，分別在5個參考平面上繪制出滿意的樣條曲線形狀。以大致方向相同的5組樣條曲線截面線串為主線串，以與主線串大致垂直的列車側(cè)面曲面廓和列車車頭前側(cè)面輪廓線串為交叉線串，選擇G2連續(xù)，通過曲線網(wǎng)格命令繪制出車頭曲面，繪制車頭曲面如圖5所示。

圖5 繪制車頭曲面

(7)通過曲面分析命令查看已創(chuàng)建曲面的質(zhì)量，如果已經(jīng)創(chuàng)建的曲面中有微小的皺褶，需要使用剪切面命令裁剪掉皺褶，并創(chuàng)建新的曲面。完成所有曲面的創(chuàng)建及檢查后，使用有界平面命令，封閉車頭底面及車頭尾部，縫合曲面成實體，軌道列車車頭實體效果及斑馬線反射分析如圖6所示。

圖6 軌道列車車頭實體效果及斑馬線反射分析

4 小結(jié)

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的不斷加快，越來越多的產(chǎn)品都在追求造型設計中曲面的美感。自由曲面的計算機輔助設計是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中非常重要的一部分。UG軟件作為計算機輔助產(chǎn)品設計方向較為先進的應用軟件，具有強大的曲面設計功能。本文以軌道列車的車頭造型設計為例，對UG軟件在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中曲面設計的應用進行了探索，尤其是自由曲面設計方法在交通工具具體設計案例中應用的可行性及效果，以期為自由曲面的創(chuàng)建在交通工具造型設計中的應用提供案例指導。