基于ICEM SURF的汽車(chē)造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)研究

張琦 曲文杰 王潤(rùn)澤

摘要：汽車(chē)外觀“顏值”已成為體現(xiàn)量產(chǎn)車(chē)產(chǎn)品力的第一要素，A級(jí)曲面是汽車(chē)造型設(shè)計(jì)的終端環(huán)節(jié)?；贗CEM SURF軟件，通過(guò)實(shí)際案例分析了A級(jí)曲面中主曲面和過(guò)渡曲面的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)A級(jí)曲面品質(zhì)控制與評(píng)價(jià)策略以及工程條件對(duì)A級(jí)曲面設(shè)計(jì)的影響兩個(gè)方面進(jìn)行深入探討，總結(jié)出適用于現(xiàn)代特色汽車(chē)造型A級(jí)曲面模型的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)造型；A級(jí)曲面；逆向設(shè)計(jì)；曲面品質(zhì)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 ?收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.015

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)美好生活的追求和審美能力日益增長(zhǎng)，汽車(chē)外觀“顏值”已成為體現(xiàn)量產(chǎn)車(chē)產(chǎn)品力的第一要素，汽車(chē)造型設(shè)計(jì)主要涵蓋創(chuàng)意設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)及油泥模型設(shè)計(jì)四個(gè)開(kāi)發(fā)方向，而A級(jí)曲面設(shè)計(jì)隸屬于數(shù)字化設(shè)計(jì)，是整個(gè)造型設(shè)計(jì)的終端階段，A級(jí)曲面品質(zhì)的優(yōu)劣，直接影響整車(chē)的品質(zhì)，因此在整車(chē)開(kāi)發(fā)流程中的重要程度越來(lái)越顯著。

逆向工程（Reverse Engineering，簡(jiǎn)稱(chēng)RE）是根據(jù)現(xiàn)有的模型，利用數(shù)字化測(cè)試設(shè)備獲取實(shí)體數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)而重構(gòu)出完整的三維模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、二次開(kāi)發(fā)[1]，應(yīng)用極為廣泛，尤其在汽車(chē)、飛機(jī)等制造業(yè)當(dāng)中發(fā)揮了巨大的作用。汽車(chē)造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)主要就是運(yùn)用逆向工程技術(shù)，通過(guò)對(duì)汽車(chē)油泥實(shí)體模型進(jìn)行逆向掃描，同時(shí)結(jié)合造型創(chuàng)意效果圖、CAS曲面數(shù)據(jù)、工程布置及結(jié)構(gòu)斷面等要求進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、造型特征優(yōu)化以及曲面的品質(zhì)控制，最終實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)造型三維曲面模型的建立與輸出。

2 汽車(chē)造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)

2.1 汽車(chē)造型A級(jí)曲面定義及軟件

汽車(chē)A級(jí)曲面是指滿(mǎn)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(jiàn)車(chē)身外表面[2]。汽車(chē)造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)是汽車(chē)造型設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一個(gè)階段，在汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)的整個(gè)生命周期中是實(shí)現(xiàn)造型創(chuàng)意與工程設(shè)計(jì)之間完美銜接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

A級(jí)曲面設(shè)計(jì)應(yīng)用的軟件工具多種多樣，如ICEM SURF、Alias、Catia等，其中軟件ICEM SURF在自由曲面設(shè)計(jì)領(lǐng)域歷史悠久，數(shù)據(jù)制作質(zhì)量好，是公認(rèn)的主流設(shè)計(jì)軟件之一，長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位，該軟件具有柔性、靈活、強(qiáng)大的建模和分析功能，可以完成設(shè)計(jì)環(huán)境所需的高質(zhì)量復(fù)雜曲面，并可大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高整體設(shè)計(jì)效率，著名的汽車(chē)公司如福特、寶馬、大眾、雪鐵龍、保時(shí)捷、標(biāo)致、捷豹等都是ICEM SURF的客戶(hù)[3]。

2.2 汽車(chē)造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)流程

A級(jí)曲面設(shè)計(jì)處于整車(chē)開(kāi)發(fā)周期中的造型數(shù)字化開(kāi)發(fā)階段，定位于整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前期，A級(jí)曲面模型數(shù)據(jù)的凍結(jié)與交付意味著當(dāng)前造型設(shè)計(jì)的結(jié)束，也代表著下游工程生產(chǎn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的正式開(kāi)始。A級(jí)曲面設(shè)計(jì)流程如圖1所示，主要包括油泥模型逆向掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、A級(jí)曲面設(shè)計(jì)、曲面品質(zhì)控制四個(gè)模塊。

3 A級(jí)曲面的設(shè)計(jì)方法

汽車(chē)造型A級(jí)曲面主要由兩類(lèi)曲面構(gòu)成，分別是主曲面和過(guò)渡曲面。

3.1 主曲面設(shè)計(jì)方法

a.點(diǎn)云預(yù)處理：整車(chē)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，需要首先對(duì)逆向后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀釋、降噪及拼接處理，在保證點(diǎn)云整體框架和完整性的基礎(chǔ)上，盡可能降低點(diǎn)云的密集程度，提高設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)運(yùn)行效率。

b.曲面架構(gòu)邏輯設(shè)定：結(jié)合創(chuàng)意設(shè)計(jì)意圖、工程結(jié)構(gòu)及布置條件的輸入，分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)，定義曲面的設(shè)計(jì)邏輯，明確主曲面的設(shè)計(jì)方式以及典型造型特征的基本類(lèi)型，建立各個(gè)主曲面的搭建層級(jí)和次序。

c.主曲面的設(shè)計(jì)與表達(dá)：依據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)展主曲面的設(shè)計(jì)，按照由點(diǎn)成線(xiàn)、由線(xiàn)成面的基本方法首先構(gòu)造出主要特征曲面，如前后保險(xiǎn)杠主曲面、前后風(fēng)窗和車(chē)頂主曲面、車(chē)身側(cè)圍曲面等，然后再確保主曲面之間的連續(xù)性要求滿(mǎn)足曲率連續(xù)或曲率切矢連續(xù)，圖2為某車(chē)型后保險(xiǎn)杠曲面曲率連續(xù)示意。

3.2 倒角過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)方法

倒角過(guò)渡曲面常見(jiàn)的主要有三種，分別是普通三邊倒角過(guò)渡、特殊三邊倒角過(guò)渡和多邊面倒角過(guò)渡。

a.普通三邊倒角過(guò)渡：是最為一般性的過(guò)渡曲面，在A級(jí)曲面中多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)翻邊的位置，難度最低，采用ICEM SURF中fillet命令即可實(shí)現(xiàn)。

b.特殊三邊倒角過(guò)渡：若需要倒角的曲面邊界連續(xù)性為切矢連續(xù)，則有可能存在倒角面匹配效果不好的情況，處理方法為先將需要倒角的曲面兩邊作出法向翻邊，用兩個(gè)翻邊對(duì)倒角面進(jìn)行裁切后再將其與主曲面邊界進(jìn)行連續(xù)性匹配，難度適中，多出現(xiàn)在對(duì)連續(xù)性有要求的曲面部位。

c.多邊面倒角過(guò)渡：是難度較高的一種過(guò)渡曲面，設(shè)計(jì)原則為反倒角疊加到正倒角上、小倒角疊加到大倒角上，在單獨(dú)曲面無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)性匹配要求時(shí)，對(duì)曲面進(jìn)行一分為二的裁切處理，但是仍要盡可能保證用較少的曲面數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性匹配達(dá)成，圖3為多邊面倒角過(guò)渡示意圖。

3.3 漸消特征的過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)方法

漸消特征是汽車(chē)造型設(shè)計(jì)中運(yùn)用較為頻繁的表達(dá)方式，在實(shí)際工作應(yīng)用中總結(jié)出兩類(lèi)漸消情況，第一類(lèi)是漸消特征設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)、較為平緩的情況，第二類(lèi)是漸消特征設(shè)計(jì)的較短、較為急劇的情況。

a.平緩漸消特征的過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)：平緩漸消特征的過(guò)渡曲面的設(shè)計(jì)方法為將正反倒角終點(diǎn)處邊緣完全融合在一條邊上，如圖4所示。

b.急劇漸消特征的過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)：典型設(shè)計(jì)方法為正反倒角在終點(diǎn)處邊緣進(jìn)行部分疊加。至于是正倒角疊加到反倒角上還是反過(guò)來(lái)反倒角疊加到正倒角上，疊加的部分是多是少等方面則要具體問(wèn)題具體分析，一般原則是反倒角疊加到正倒角上、小倒角疊加到大倒角上，但是這并不是絕對(duì)的，還要根據(jù)實(shí)際的視覺(jué)效果進(jìn)行判定，見(jiàn)圖5。

4 A級(jí)曲面品質(zhì)控制策略與評(píng)價(jià)方法

4.1 A級(jí)曲面品質(zhì)控制策略

汽車(chē)造型設(shè)計(jì)A級(jí)曲面品質(zhì)控制策略主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：造型創(chuàng)意表達(dá)的一致性、點(diǎn)云逆向數(shù)據(jù)的擬合度、曲面拼接的光順度、曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性，主要內(nèi)容詳見(jiàn)表1。

4.2 A級(jí)曲面品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

目前業(yè)內(nèi)對(duì)汽車(chē)A級(jí)曲面品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系各有不同[4]，有的公司評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括面片品質(zhì)檢測(cè)、幾何連續(xù)性檢測(cè)、曲率梳檢測(cè)、高光檢測(cè)四個(gè)方面，而有的公司則從車(chē)身曲面精度、光順性、美觀性、結(jié)構(gòu)性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性六個(gè)方面來(lái)對(duì)車(chē)身曲面進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

雖然業(yè)界尚無(wú)統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但至少初版A面完成之后和終版A面凍結(jié)之前都需要開(kāi)展評(píng)價(jià)。整體而言，對(duì)A級(jí)曲面品質(zhì)主要采用主觀和客觀兩個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，主觀評(píng)價(jià)核心方法是通過(guò)人眼直觀視覺(jué)感受模型整體及局部細(xì)節(jié)的光順程度，客觀量化是通過(guò)運(yùn)用ICEM SURF中幾何連續(xù)性、曲率梳、斑馬線(xiàn)等檢測(cè)手段進(jìn)行數(shù)值評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)對(duì)象有造型特征曲線(xiàn)的表達(dá)、造型型面的表達(dá)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯三類(lèi)。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括造型特征型面及型線(xiàn)之間的連續(xù)流暢程度、加速特性是否表達(dá)完整、多重視角切換狀態(tài)下的視錯(cuò)覺(jué)的補(bǔ)償是否合理、單一曲面片控制點(diǎn)的數(shù)量是否異常、控制點(diǎn)排布銜接是否均勻。

5 工程條件對(duì)A級(jí)曲面設(shè)計(jì)的影響

5.1 功能性系統(tǒng)零部件技術(shù)要求對(duì)A級(jí)曲面設(shè)計(jì)的影響

風(fēng)窗玻璃總成、車(chē)門(mén)玻璃總成、外后視鏡總成、儀表屏幕等屬于功能類(lèi)系統(tǒng)零部件，這類(lèi)系統(tǒng)零部件與人機(jī)空間布置、空氣動(dòng)力學(xué)性能、裝備定義及產(chǎn)品功能配置等強(qiáng)相關(guān)，對(duì)造型A級(jí)曲面的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極大影響。

比如如果配置駕駛員抬頭顯示功能的話(huà)前風(fēng)窗玻璃就需要應(yīng)用楔形玻璃，楔形玻璃與普通玻璃對(duì)造型型面曲率要求是不同的；再比如占據(jù)車(chē)身側(cè)圍造型曲面表面積將近1/3的車(chē)門(mén)玻璃不僅有透光、升降等要求，還需要保證駕乘人員頭部、肩部、肘部、臀部空間等人機(jī)布置需要，并且車(chē)門(mén)玻璃的型面還要兼顧車(chē)門(mén)總成的整體厚度設(shè)計(jì)，因此一般構(gòu)建車(chē)身側(cè)圍曲面時(shí)候都是以車(chē)窗玻璃型面為出發(fā)點(diǎn)的，常規(guī)車(chē)門(mén)玻璃曲面主要有桶形曲面和螺旋形曲面兩種[6]。

5.2 尺寸工程輸入條件對(duì)過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)的影響

汽車(chē)整車(chē)研發(fā)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及成百上千個(gè)零部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和裝配制造，覆蓋沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大工藝，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)成為整車(chē)尺寸誤差的來(lái)源，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六個(gè)維度都可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)偏差、制造偏差、裝配偏差，因此為了提高研發(fā)質(zhì)量、提升研發(fā)效率，尺寸技術(shù)規(guī)范（Dimension Technical Specification，DTS）應(yīng)運(yùn)而生，在滿(mǎn)足整車(chē)尺寸目標(biāo)的前提下，通過(guò)尺寸技術(shù)規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)及測(cè)量方案設(shè)計(jì)與實(shí)施[7]。以乘用車(chē)為例，目前車(chē)身DTS設(shè)計(jì)暫無(wú)明確的法規(guī)要求，也沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，工程部門(mén)DTS工程師對(duì)乘用車(chē)DTS所作出的定義及設(shè)計(jì)控制主要是基于競(jìng)品車(chē)型DTS對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)以及綜合考慮主機(jī)廠現(xiàn)有實(shí)際工藝能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

目前工程DTS設(shè)計(jì)與造型A級(jí)曲面過(guò)渡曲面設(shè)計(jì)的要求不同之處主要集中在倒角方式上，主要有以下三種情況：

a.工程DTS是在已有倒角的前提下進(jìn)行定義的，而造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)方式是先求出曲面間的理論交線(xiàn)后再進(jìn)行倒角過(guò)渡。

b.工程倒角連續(xù)性方面一般都是滿(mǎn)足切矢連續(xù)即可，而造型A級(jí)曲面設(shè)計(jì)的往往是切矢連續(xù)的倒角和曲率連續(xù)的倒角并存。

c.工程倒角存在三角面片，而造型倒角是不允許出現(xiàn)三角面片狀態(tài)的。

汽車(chē)A級(jí)曲面設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足工程DTS輸入條件，但是工程DTS理論值的設(shè)定也應(yīng)考慮造型設(shè)計(jì)整體的視覺(jué)效果，若影響實(shí)際造型效果，造型部門(mén)可以對(duì)工程DTS專(zhuān)業(yè)進(jìn)行反饋并促其重新對(duì)DTS進(jìn)行定義或優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)造型A級(jí)曲面是上承造型、下啟工程的關(guān)鍵載體，既要滿(mǎn)足造型創(chuàng)意設(shè)計(jì)的表達(dá)實(shí)現(xiàn)，又要滿(mǎn)足各種工程可行性的限制和約束條件。本文提出的汽車(chē)造型A級(jí)曲面的設(shè)計(jì)及曲面品質(zhì)控制與評(píng)價(jià)的方法，無(wú)論是乘用車(chē)、商用車(chē)、特種車(chē)都適用，旨在為汽車(chē)造型設(shè)計(jì)提供一份有效的參考。

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作者簡(jiǎn)介：

張琦，女，1986年生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)造型及車(chē)身內(nèi)外飾對(duì)標(biāo)分析。