汽車造型設(shè)計(jì)流程中A級(jí)曲面的探析

摘要

汽車造型設(shè)計(jì)是汽車開發(fā)流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展, 對(duì)車身的數(shù)學(xué)模型質(zhì)量要求越來(lái)越高。本文不僅提出了A級(jí)曲面的定義和要求, 而且還詳細(xì)介紹了A級(jí)曲面如何生成, 如何檢測(cè)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)汽車設(shè)計(jì)流程中的A級(jí)曲面質(zhì)量控制, 既可顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量, 又可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jí)曲面的定義

汽車A級(jí)曲面是指滿足設(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車身外表面。

二、構(gòu)建A級(jí)曲面的前提條件

確定整車的坐標(biāo)基準(zhǔn), 避免基準(zhǔn)點(diǎn)變換造成零件公差加大。尺寸偏大給整車匹配帶來(lái)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(gè)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(dòng)。玻璃與周圍件的匹配關(guān)系很復(fù)雜, 項(xiàng)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(wèn)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(diǎn)的安裝位置準(zhǔn)確, 整車硬點(diǎn)尺寸關(guān)系的保證。

三、A級(jí)曲面的光順原則

A級(jí)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(dòng)機(jī)罩、葉子板、前后保險(xiǎn)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(gè)方向上是單補(bǔ)片的B樣條曲面) 。曲面的邊界超過(guò)零部件的邊界, 但是不能超過(guò)太多。這一方面是為基本曲面和周邊曲面的過(guò)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(shí)體建模、設(shè)計(jì)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(shí)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(xiǎn)桿與葉子板相接合處, 因?yàn)橛星办F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(guò)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(shí)際的理論交線, 這樣倒角高光就不會(huì)扭曲。在這種情況下, 再去微調(diào)控制點(diǎn), 就能保證消失的特征看起來(lái)自然、流暢。

所有對(duì)稱零件在Y=0處的曲面曲率在3階以上連續(xù)。在建模過(guò)程中, 對(duì)稱零件一般是只建一半數(shù)據(jù), 然后利用對(duì)稱命令, 鏡像成一整個(gè)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(gè)零件分成一大塊曲面, 調(diào)控制點(diǎn)來(lái)貼合點(diǎn)云時(shí), 在指令中把“symmetry”這個(gè)選項(xiàng)勾上, 在調(diào)整曲面過(guò)程中, 左右兩邊都是一起來(lái)控制的, 可以看到曲率梳完全對(duì)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(xiàng)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(huì)扭曲。還需要注意2點(diǎn):一是邊界曲線的對(duì)稱;二是相配合的零部件之間的等距和等面差問(wèn)題。

所有種類的曲面, 都滿足以下要求:設(shè)計(jì)部門從美學(xué)角度通過(guò)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(cè)量點(diǎn)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(jí)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(gè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)及A級(jí)曲面建模等。在汽車開發(fā)流程中A級(jí)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(jí)曲面作為造型階段對(duì)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(gè)承上啟下的橋梁作用。因此, A級(jí)曲面不僅需要反映設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)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(jì)、制造加工工藝等相關(guān)需求。

對(duì)A級(jí)曲面的主要要求有以下幾個(gè)方面:第一, 掃描油泥模型得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差在±2 mm內(nèi), 如特殊部位與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差大于±2 mm, 需經(jīng)設(shè)計(jì)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(diǎn)應(yīng)盡能有規(guī)律的排布, 曲面的階數(shù)應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)化, 其U和V方向控制點(diǎn)的數(shù)量最多不應(yīng)超過(guò)8×8;第五, 汽車各個(gè)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(duì)稱性;第七, 曲面應(yīng)滿足模具成型要求的拔模角。

五、A級(jí)曲面的分析與檢測(cè)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(gè)軟件都提供了多個(gè)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(duì)各單個(gè)曲面或面與面之間的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。雖然各軟件對(duì)各個(gè)診斷工具的命名、操作方式會(huì)有所不同, 但總的評(píng)價(jià)方式相差不多。歸納起來(lái), 對(duì)曲面內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估主要有以下幾種分析與檢測(cè)方法。

第一, 視覺(jué)檢測(cè)法, 在渲染狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)光源或物體, 視覺(jué)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(lái)判斷曲面質(zhì)量[5];第三, 曲率梳截面分析法, 對(duì)曲面進(jìn)行剖切得到一個(gè)斷面線, 以該曲線任意點(diǎn)的法線為方向, 曲率大小為長(zhǎng)度, 并將多個(gè)法線的端點(diǎn)相連接得到曲率梳圖, 通過(guò)分析連接處曲率梳的變化情況來(lái)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(jì)流程中A級(jí)曲面質(zhì)量控制

汽車設(shè)計(jì)流程中A級(jí)曲面質(zhì)量控制一般可分2個(gè)階段。第一階段為A級(jí)曲面數(shù)模首發(fā), 以造型凍結(jié)后掃描點(diǎn)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(jí)曲面數(shù)模可提供至內(nèi)部質(zhì)量評(píng)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(píng)估與檢測(cè), 同時(shí)首次發(fā)布的A級(jí)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(cè)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)曲面數(shù)模開始造型驗(yàn)證模型SRM的加工制作。

第二階段為A級(jí)曲面凍結(jié), 該數(shù)模修正了首次發(fā)布的A級(jí)曲面數(shù)模的不足, 在設(shè)計(jì)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(jí)曲面數(shù)模在凍結(jié)發(fā)布之前還應(yīng)通過(guò)虛擬評(píng)審, 凍結(jié)的A級(jí)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(jí)曲面數(shù)模開始模型TRM的加工制作。

七、結(jié)束語(yǔ)

汽車造型是汽車設(shè)計(jì)中確定產(chǎn)品形象的過(guò)程, A級(jí)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(jí)曲面質(zhì)量的提高, 必將更好的為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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。