汽車造型設(shè)計流程中A級曲面的探析

摘要

汽車造型設(shè)計是汽車開發(fā)流程中的一個重要環(huán)節(jié), 隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展, 對車身的數(shù)學(xué)模型質(zhì)量要求越來越高。本文不僅提出了A級曲面的定義和要求, 而且還詳細(xì)介紹了A級曲面如何生成, 如何檢測質(zhì)量。通過對汽車設(shè)計流程中的A級曲面質(zhì)量控制, 既可顯著提高設(shè)計質(zhì)量, 又可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程分析、工藝分析和模具制造等提供理論依據(jù), 縮短開發(fā)周期, 保證開發(fā)節(jié)奏順利進(jìn)行。

一、A級曲面的定義

汽車A級曲面是指滿足設(shè)計審美要求、曲面內(nèi)部質(zhì)量要求、工程布置及后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和模具制造工藝要求的可見車身外表面。

二、構(gòu)建A級曲面的前提條件

確定整車的坐標(biāo)基準(zhǔn), 避免基準(zhǔn)點變換造成零件公差加大。尺寸偏大給整車匹配帶來的麻煩較大, 間隙和面差不合格且原因查找較為困難, 因此保證尺寸精度是每個汽車制造企業(yè)追求的目標(biāo)。

全車的玻璃必須是規(guī)則幾何體, 并且能夠保證運(yùn)動。玻璃與周圍件的匹配關(guān)系很復(fù)雜, 項目前期必須確定好玻璃的曲率、與雨刮的配合及玻璃成型問題。前風(fēng)擋玻璃與頂蓬間距、A柱的間距、與內(nèi)飾儀表板搭接以及與儀表板上的安全氣囊都有一定的關(guān)系。

整車油泥模型制作或者模型加工樣車必須有參考樣車的斷面, 才能保證整車總布置尺寸要求。油泥模型或者模型加工樣車細(xì)節(jié)特征交代清楚, 大的表面平整光順, 相關(guān)硬點的安裝位置準(zhǔn)確, 整車硬點尺寸關(guān)系的保證。

三、A級曲面的光順原則

A級曲面的光順原則:汽車外車身表面中的高可見區(qū)域, 包括發(fā)動機(jī)罩、葉子板、前后保險桿、前后車門、A柱、B柱、C柱、頂蓋、側(cè)圍以及內(nèi)飾件中的可見區(qū)域等零件, 曲面的質(zhì)量要達(dá)到3階曲率連續(xù), 局部少可見區(qū)達(dá)到2階曲率以上連續(xù)。

特征具有可擴(kuò)展性和編輯性。制作的曲面都必須是Bezier曲面 (即UV兩個方向上是單補(bǔ)片的B樣條曲面) 。曲面的邊界超過零部件的邊界, 但是不能超過太多。這一方面是為基本曲面和周邊曲面的過渡搭接做準(zhǔn)備, 另一方面也為后續(xù)的光順或結(jié)構(gòu)工程師延伸曲面用以滿足實體建模、設(shè)計修改、工藝補(bǔ)充面、鉆模和夾具的需要。

漸消的特征必須有實際的理論交線。在整車曲面中, 有相當(dāng)多的逐漸消失的特征, 前保險桿與葉子板相接合處, 因為有前霧燈布置了一些造型特征, 在與葉子板接合處漸漸消失。消失的特征通常是有過渡面, 最后是倒角與倒角相連接, 基本的原則是倒角之前一定有實際的理論交線, 這樣倒角高光就不會扭曲。在這種情況下, 再去微調(diào)控制點, 就能保證消失的特征看起來自然、流暢。

所有對稱零件在Y=0處的曲面曲率在3階以上連續(xù)。在建模過程中, 對稱零件一般是只建一半數(shù)據(jù), 然后利用對稱命令, 鏡像成一整個零件。一般情況下很容易忽視Y=0以上的3階曲率變化, 以頂蓬為例, 先不要考慮分面, 左右兩邊當(dāng)成一個零件分成一大塊曲面, 調(diào)控制點來貼合點云時, 在指令中把“symmetry”這個選項勾上, 在調(diào)整曲面過程中, 左右兩邊都是一起來控制的, 可以看到曲率梳完全對稱。

汽車車身零部件的邊界必須光順。整車的分件處理也是一項較復(fù)雜的技術(shù), 盡量避開分件線在特征面上, 一是零件后期匹配不好, 二是從外形上看, 分件線會扭曲。還需要注意2點:一是邊界曲線的對稱;二是相配合的零部件之間的等距和等面差問題。

所有種類的曲面, 都滿足以下要求:設(shè)計部門從美學(xué)角度通過的造型形狀面數(shù)模要符合所有已知的結(jié)構(gòu)工程、制造工程和人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn), 并且要滿足所有的模具制造工程和工裝夾具的要求。但在不改變風(fēng)格基礎(chǔ)上或造型能忍受的情況下, 要盡力放寬曲面與測量點云或者模型樣車之間的變化范圍, 以獲得較好的曲面質(zhì)量。

四、A級曲面的要求

汽車開發(fā)流程可以分為造型、工程和制造3個主要階段。其中造型階段又可細(xì)分為概念草圖、彩色效果圖、前期數(shù)字模型、油泥模型、造型凍結(jié)后掃描點云數(shù)據(jù)及A級曲面建模等。在汽車開發(fā)流程中A級曲面是造型階段最終輸出的三維數(shù)字模型, 也是后續(xù)工程階段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的依據(jù)。A級曲面作為造型階段對工程階段的最終遞交物, 反映理論狀態(tài)的造型特征和造型質(zhì)量, 在汽車開發(fā)流程中起到一個承上啟下的橋梁作用。因此, A級曲面不僅需要反映設(shè)計師的設(shè)計意圖, 符合大眾的審美需求, 還需要滿足后續(xù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造加工工藝等相關(guān)需求。

對A級曲面的主要要求有以下幾個方面:第一, 掃描油泥模型得到的點云數(shù)據(jù)偏差在±2 mm內(nèi), 如特殊部位與點云數(shù)據(jù)的偏差大于±2 mm, 需經(jīng)設(shè)計師確認(rèn);第二, 曲面模型的連續(xù)性與其精度要求, 車身和外飾主要造型曲面連續(xù)性的精度要求為G0≤0.002 mm, G1≤0.05°;第三, 曲面應(yīng)為單一的Bezier格式;第四, 曲面控制點應(yīng)盡能有規(guī)律的排布, 曲面的階數(shù)應(yīng)盡可能的簡化, 其U和V方向控制點的數(shù)量最多不應(yīng)超過8×8;第五, 汽車各個部件間的面差和間隙應(yīng)滿足DTS (Dimernsion Technology) 的要求;第六, 除后葉子板油箱蓋、后視鏡等特殊部位外, 其他各部件都應(yīng)與汽車中心線、轉(zhuǎn)向管柱中心線保持對稱性;第七, 曲面應(yīng)滿足模具成型要求的拔模角。

五、A級曲面的分析與檢測方法

為了能夠更好的構(gòu)建精準(zhǔn)、高質(zhì)量的曲面數(shù)據(jù), 各個軟件都提供了多個診斷工具, 以便建模工程師能夠在其建立期間或建立之后對各單個曲面或面與面之間的質(zhì)量進(jìn)行評估。雖然各軟件對各個診斷工具的命名、操作方式會有所不同, 但總的評價方式相差不多。歸納起來, 對曲面內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行評估主要有以下幾種分析與檢測方法。

第一, 視覺檢測法, 在渲染狀態(tài)轉(zhuǎn)動光源或物體, 視覺上不應(yīng)用瑕不掩瑜;第二, 斑馬線法, 給曲面上賦予黑白相間的標(biāo)準(zhǔn)貼圖, 利用標(biāo)準(zhǔn)光源照射表面產(chǎn)生的類似斑馬紋圖形, 再根據(jù)斑馬紋流暢度、粗細(xì)變化程度來判斷曲面質(zhì)量[5];第三, 曲率梳截面分析法, 對曲面進(jìn)行剖切得到一個斷面線, 以該曲線任意點的法線為方向, 曲率大小為長度, 并將多個法線的端點相連接得到曲率梳圖, 通過分析連接處曲率梳的變化情況來判斷兩曲面的連接質(zhì)量;第四, 其他方法, 如高斯曲率圖、反射圖、紋理圖、最大與最小曲率圖等。

六、汽車設(shè)計流程中A級曲面質(zhì)量控制

汽車設(shè)計流程中A級曲面質(zhì)量控制一般可分2個階段。第一階段為A級曲面數(shù)模首發(fā), 以造型凍結(jié)后掃描點云數(shù)據(jù)為依據(jù), 參照詳細(xì)工程輸入信息構(gòu)建的初版, 包含第一道造型翻邊倒角可見曲面的數(shù)據(jù)模型。首次發(fā)布的A級曲面數(shù)模可提供至內(nèi)部質(zhì)量評審小組, 依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀造型及曲面內(nèi)部質(zhì)量評估與檢測, 同時首次發(fā)布的A級曲面數(shù)模是下游相關(guān)工程部門如車身部、內(nèi)外飾部門制作第一階段工程數(shù)據(jù)的依據(jù), 是相關(guān)工程部門分析、檢測后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性與模具制造可行性的依據(jù)。如有需要, 還可以根據(jù)首次發(fā)布的A級曲面數(shù)模開始造型驗證模型SRM的加工制作。

第二階段為A級曲面凍結(jié), 該數(shù)模修正了首次發(fā)布的A級曲面數(shù)模的不足, 在設(shè)計師的支持下, 確保生成的曲面恰當(dāng)?shù)倪_(dá)到審美上的高光要求、詳細(xì)完整的反映了造型特征、滿足DTS要求、內(nèi)部曲面質(zhì)量要求、最小圓角的要求及安裝方式等約束要求。A級曲面數(shù)模在凍結(jié)發(fā)布之前還應(yīng)通過虛擬評審, 凍結(jié)的A級曲面數(shù)模是相關(guān)工程部門制作第二階段工程數(shù)據(jù)的依據(jù)。如有需要, 還可以根據(jù)凍結(jié)的A級曲面數(shù)模開始模型TRM的加工制作。

七、結(jié)束語

汽車造型是汽車設(shè)計中確定產(chǎn)品形象的過程, A級曲面作為造型階段的最終遞交物, 反映理論狀態(tài)的造型特征和造型質(zhì)量, 是汽車造型階段的關(guān)鍵。A級曲面質(zhì)量的提高, 必將更好的為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程分析與樣車制造等環(huán)節(jié)提供理論依據(jù), 縮短開發(fā)周期, 為新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)奏提供強(qiáng)有力的保證。