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1、车身A级(Class A)曲面模型的构造Class A曲面是由CATIA软件开发商Dassault System公司提出的新概念，主要是指车身零件中对外观和形状要求极高的曲面。本文从车身开发的角度，通过大量实例描述了车身Class A曲面模型的定义及创建方法，而车身曲面模型的光顺是车身开发人员一直追求的目标，本文提出了一个切实可行的设计思路。 一、前言 车身设计方法从无到有，以及现在千姿百态的车身样式，都应当归功于现代科学技术的飞速进展。从设计理念上而言，车身开发的基本思路并未发生根本性变化，依然是“概念设计总布置设计详细结构设计试验验证产品”这样一个流程。然而由于现代技术的介入，使车身的开发
2、周期大大缩短，车身的设计质量大大提高。 车身外形的变化也经历了由简单到复杂的演化过程，即箱式船形楔形光滑曲面过渡的外凸形，这一过程也得益于各种先进技术的大量应用，如三维图形技术以及空气动力学仿真技术等。 现代车身设计，尤其是外观零件的设计，已经完全摈弃了由二维转三维的阶段，而是直接由虚拟三维到实际三维。正是借助于先进的设计方法和工具，车身开发周期才能由原来的4到5年缩短至目前的2到3年，甚至更短的时间。 Class A曲面设计，即完全在计算机三维虚拟环境下构造合格的车身曲面的一种方法，是数学与计算机图形学相结合的典型应用，它不同于图板工作模式，使设计更加灵活，编辑起来更加方便快捷。随着逆向设计
3、、稳健设计、基于分析的设计以及面向制造的设计等新方法涌入车身设计过程，基于三维的车身曲面模型设计越来越重要，在整个产品链中的地位也日益提高。 二、Class A曲面的定义 Class A一词最初是由法国Dassault System公司在开发大型CAD/CAM 软件包CATIA时提出并付诸应用的，常译作A级曲面，专指车身模型中对曲面质量有较高要求或特殊要求的一类曲面，如外形曲面、仪表板和内饰件的表面等。从CATIA V5版本开始，软件中新增加了ACA(Automotive Class A)模块，专门用于Class A曲面的设计。 Class A曲面与通常所说的光顺曲面有相似之处，只不过Clas
4、s A特指汽车车身上的一部分曲面。依次类推，对于车身内覆盖件，如内板件，其曲面称为Class B、Class C等。 Class A曲面是既满足几何光滑要求，又满足审美需求的曲面。 对于光滑曲面已经有很多的研究结论，参照施法中和朱心雄的定义可归纳如下：1)曲面片满足G2连续；2)没有多余的拐点；3)曲率分布均匀；4)应变能最小。 光顺则包含光滑和顺眼两层含义，上面归纳的定义是对光滑的数学描述，而对顺眼的衡量则是仁者见仁，智者见智，没有统一的评判标准。曲面模型设计从始至今已有了四十多年的历史，取得了很大的进展，尤其体现在大型CAD应用软件包上，出现了很多曲面建模系统，如基于NURBS的、基于Be
5、zier的、基于B样条的以及混合建模系统等，不一而足。而由Dassault System提出的Class A曲面，为业界所承认并得到了广泛应用，主要是因为其简洁明了。 通过参阅一些资料，并且做了大量曲面和零件的设计工作，对Class A曲面的要求总结如下： (1)曲面片由B样条方法(包括NURBS和Bezier方法)描述，节点向量采用累加弦长参数化法； (2)曲面在u，v方向上次数在三次(四阶)至七次(八阶)之间，最高不要大于九次(十阶)； (3)相邻曲面片满足G2连续（曲率过渡均匀，至少满足G1，特殊要求满足G3）； (4)大的曲面片为全凸的(法方向指向曲面同侧)。 自由形状描述理论在许多文
6、献中都有详细论述，现在总结的对车身曲面模型的更高要求，就是建立在这些理论的基础上。现在大多数CAD系统和曲面建模系统都是以B样条作为自由曲线曲面的表达方法，而且国际标准化组织已将NURBS采纳为产品数据描述的标准格式。NURBS方法是B样条方法更一般化的表达形式，公式(1)是直角坐标系下的B样条曲线表达式，如下所示。 (1)在许多关于曲线曲面的文献中，尤其是关于CAGD方面的文章中，都将三次作为自由曲线和曲面的标准形式。但是，在车身设计的具体应用中会发现明显的不足，尤其是涉及到上文中提出的对曲线曲面的光顺要求后。对于低于三次的曲线曲面，很容易看出其是不“自由”的，故在此不再赘述。由上述对曲面片
7、的光顺约束条件可知，仅为三次的曲线曲面不可能满足与相邻（设曲线在两个端点拼接，四边域曲面在四条边界上进行拼接）曲线曲面拼接时的几何二阶连续性的要求。 目前，在通用和专用的曲面建模系统中生成曲线的次数可达21次，而若由用户自定义，生成曲线的次数还能更高，但并不实用，而且高次曲面还存在以下不足：(1)导致曲面形状易波动；(2)增大文件容量，不利于存储；(3)不利于数据交换。 Class A曲面标准的第三条是对边界连续性提出要求，同时也是许多光顺准则的第一条要求，如图1所示。 图1 连续性问题的提出源于历史原因，目前的CAD和多数曲面建模软件的曲面生成方法均以四边域为基础，因此在曲面片与相邻曲面片拼
8、接时，就需要同时满足多条边界的连续性要求。在机械CAD方面，简单的曲面拼接要求切向连续即可，但对于汽车车身这样对外形有特殊要求的产品设计来说，切向连续是最低的要求，G2是对多数曲面片拼接的要求，对于有些结构和位置，要求满足G3连续。G2连续又称为曲率连续，多维参数曲线的曲率计算公式如公式(2)所示。 (2)三、车身Class A曲面模型的描述 车身曲面模型分为内、外覆盖件，而外形曲面对质量的要求尤其严格，直接影响下面各项操作的顺利进行，如数控加工、模具冲压以及装配等。 在设计阶段，车身外形曲面设计应尽可能以整体来进行，先不考虑具体的零部件分块。将整个车身外形曲面视为一组互相连续的曲面片构成的凸
9、壳，在保证各曲面片及拼接关系满足上述Class A要求的情况下，再进行分块处理，详细考虑零部件缝隙和内部结构。 曲面片划分的准则如下。 (1)在曲面曲率变化较小或比较均匀的地方，曲面片可以划分得少一些。有些曲面虽然较大，因其曲率变化均匀，可将其视为一张曲面去造型。 (2)在曲面曲率变化较大或曲率变化不均匀的地方，尤其对曲率急剧变化的部位（如圆弧与直线的连接部分），应将曲面分解为几个曲面片分别造型，然后再进行拼接，否则易形成皱纹面，这在车身造型中是不允许的。 (3)使划分后的曲面片型值点越少越好，但前提是要保证型值点能够控制曲面的形状。 (4)使划分后的曲面片尽量为四边形域曲面，减少三边封闭的退
10、化曲面。 车身曲面模型的设计是一个逐渐细化的过程，往往要经过许多反复，不能一蹴而就。车身外形曲面构建Class A 模型的步骤，如图2所示。 图2 车身Class A曲面设计流程发动机罩的高光线检查效果，如图3所示。 图3 发动机罩的高光线模型对于大面积的车身零件，用一张曲面片来描述很难满足光顺要求，图3中所示零件为对称件，由13张大小曲面片拼接而成，细实线为曲面片边界。由图3可以看出，曲面片之间边界过渡处的高光线过渡均匀，每条高光线粗细比较一致，能达到曲率变化均匀的要求。 在车身Class A曲面模型设计的流程图中，提到了细节设计，尤其是特征线和圆角的处理方法。曲面上过渡特征的处理实例，如图
11、4所示。 先由基本曲线几何边界生成初始曲面，图4中(a)由3个曲面片组成；(b)为光线检查效果，可以看出在公共边界处是不连续的，然后用曲率过渡的方法连接左右两个大曲面，要求沿公共边界严格曲率连续；图(c)为光线检查效果；(d)为着色渲染效果，可见特征线处曲面过渡光顺、自然。 (a) 初始边界(b) 简单曲面(c) 光顺过渡(d) 曲面渲染 图4 曲面特征线的处理四、车身Class A曲面模型实例 车身外形曲面的曲率变化大，对光照效果要求高。在建模时，应以先大曲面后小曲面为原则，尽量用大面积的曲面来达到设计意图。对每一个大曲面，要仔细检查其边界线曲率的分布，曲率梳的排列应合乎设计要求。例如顶盖，
12、如图5所示。 图5 顶盖曲面模型 (图5-1为高光线检查效果)横向看，中间曲率最小，两侧曲率大；纵向看，从前到后则曲率变化趋势是大小大，中间部分曲率达到最小。 如图6所示，高光线呈对应分布，且左右对称，这样得到的曲面模型才是合格的。 图6 行李箱盖曲面模型 (图6-1为高光线检查效果)因为各曲面片均用B样条方法表示，且次数在3到7之间，故内部各小曲面片之间的光滑拼接没有问题。需费时的是由大曲面片拼接而成的零件曲面模型，在曲面片的四条边界上(如有拼接要求)都应满足光滑拼接。对于小的过渡区域，则利用曲面混合技术进行拼接，但也要保证光滑过渡，从而使零件的曲面模型不但拼接光滑，且光照效果满足设计要求。 五、结论 设计高质量且可制造的曲面是汽车车身设计与建模工作的首要要求，车身曲面模型对曲面质量的要求非常苛刻。Class A概念的提出，使人们对车身曲面模型有了全新的认识，车身建模也有了清晰的参照，可操作性更强。文中提出的创建车身Class A曲面模型的流程是作者通过大量实例做出的总结，并且利用现有的开发手段进行了程序开发，希望能对车身设计人员有所帮助。各产品过程检验的检验时机应在操作者对首件加工完成后自检，并判定合格。再由车间依据计划将需进行专检的部件填写报检单报检，在报检后首先由检验人员应检查车间是否按程序文件的规定开展了自检，然后接受报检进行检验、记录及判定。
