基于三维技术的汽车造型设计研究

李 和

（襄樊学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053）

0 引言

随着世界的快速发展，汽车在人们生活中的地位越来越重要，汽车行业的竞争也日益激烈。汽车造型设计作为一项提升汽车竞争力的重要手段，已被各大汽车生产厂商加以重视。

对于现代汽车造型设计来说，计算机辅助的应用推动了其快速发展。现代计算机辅助应用于汽车造型设计方面的已开发出多种软件，像PRO/E，UG，Solidworks，Catia等软件应用都非常广泛[1]。

1 汽车造型的性质和特点

汽车造型设计属于多学科的交叉领域，主要涉及工程与艺术、技术与美学两大方面[2]。汽车造型设计是对汽车进行全面的系统化的设计，要考虑汽车多方面之间的联系，首要的就是安全，其次是舒适性，最终要与实用美观性达到高度的统一。因此，汽车造型设计是一项综合的复杂的工程，它不仅对美学有很高的要求，同时对空气动力学的要求也很苛刻。

汽车造型设计的复杂性决定在开展这项工程时是一个繁琐细致的过程。传统的汽车造型设计流程是一种局部修形优化的方法，即先由工业设计师提出美学造型方案，再由空气动力学工程师对方案进行仿真和局部优化以确定最终外形[3]。这个方法要花费设计者大量的时间和精力，稍有疏忽就容易出错。

因此，需要通过新的方法来不断改进该工程的设计方式。

2 基于三维技术的汽车造型设计研究

计算机辅助设计为汽车造型设计提供了一个新的方法，为了便于分析，本文以Catia为例，对汽车造型设计进行研究。

2.1 CATIA简介

Catia软件的英文全称是Computer Aided Tri-Dimension al Interface Application，是目前应用广泛的一款计算机设计软件，它是由法国的达索公司所开发，它的风格独特、界面友好、功能强大，能够为汽车造型设计提供良好的服务，为广大汽车生产厂商所欢迎。采用Catia软件能够建立车身精确的3D曲面模型，百分之百地反映出造型师的意图，使造型师设计的复杂、优美、流线型的汽车曲面得以实现[4]。该软件在车辆的生产过程中提供了端对端的一个整体解决方案，因而广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造这些行业的复杂曲面造型设计中。

当代汽车的外观形式复杂，这对计算机辅助软件提出了较高的要求，Catia软件拥有特殊的混合建模技术，其中包括一种树结构，这使得汽车造型设计在进行修改时显得十分方便，解决了其他软件修改不便的弊病。Catia软件的数据平台也与其他软件有所不同，该软件的各个模块是基于同一个数据库，因此设计时各模块间的关联性比较大，便于统筹开展工作。这些特点极大地提高了汽车开发效率，所以，Catia是目前计算机辅助设计中最为专业的软件之一。

2.2 CATIA曲面造型原理

曲面造型是三维中的高级技术，也是逆向造型的基础。无论是简单的空间曲面还是复杂的空间曲面都可以看作是无数点的集合。线源于点而展成面，是“承下启上”的造型元素；面最能表达形态的全部内容[5]。因此在计算机辅助设计中往往由点成线，之后线再成面来辅助设计。为此，选择承上启下的线显得至关重要。在计算机辅助几何设计中，Bezier曲线、B样条曲线都被普遍认为是理想的构造自由曲线和自由曲面的曲线[6]。其中B样条曲线应用较为广泛，图1是B样条曲面。

图1 B样条曲面

在图中我们可以看到，在一个方向上设定一些点，然后在该方向上采用相关数学方法不断的逼近，逐步形成一条曲线，这样就形成了B样条曲线，换个方向采用同样的方法也可以形成B样条曲线。在形成B样条曲线时，通过在基函数里采用节点的不均匀分割可以来适应特征顶点或型值点严重不均匀的情况[7]。然后将B样条曲线进行直积就可求得B样条曲面。所生成的该B样条曲面就是我们所要描述的任意复杂空间曲面。其数学表达式为如下所示：

上述表达式说明形成的B样条曲线的多少与实际曲面的相符度是成正比的，B样条曲线越多，随之带来的计算量也会越大，但也越精确，CATIA曲面造型就是运用B样条曲线来进行设计。由于汽车车身外部覆盖件和车厢的内部结构件都是由一些曲率变化不规则的复杂型面组成，因此仅有一张光滑的曲面无法构成汽车的模型，必须由一些大小不一、形状各异的曲面片连接而成。因此，先应生成无数点，然后需要经过拟合、逼近和优化而生成的高级曲线，再者根据不同的控制条件由曲线生成最终的理想曲面,也就是汽车的曲面片。

2.3 汽车车身三维建模

三维模型是物体的三维多边形表示，三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成，从计算机图形学的角度出发，三维建模就是三维几何造型，其本质就是点、线、面和体的集合。汽车车身适合于表面模型，表面模型即为曲面模型。

2.3.1 车身造型设计过程

汽车的车身无论是外表面还是内部的轮廓，虽然看上去很复杂，但是仔细分析，可以发现其是由一些不规则的三维曲面所构成，车身设计是汽车开发设计进程中最为基础也是最为重要的一个环节。汽车设计主要是由车身结构设计和车身造型设计所组成。要对汽车车身曲面进行设计，其主要的过程是：先将车身曲面进行分块，当曲面分块完成后，生成曲线、曲面，然后对单块的曲面进行质量评价，将评价好的曲面拼接起来，再步入车身曲面品质评价，若评价OK，即完成车身造型设计，若NG，返回曲线、曲面的生成，再进行单块曲面的质量评价，曲面的连接，直到整体曲面评价满意为止。为了更直观地展示出车身造型设计的过程，用流程图来表示，如图2所示。

图2 车身造型设计流程图

2.3.2 设计车身曲面关键点

由汽车的具体外形可知，要对整个车身进行设计，必须设计出不同的曲面，这样才能形成一个完整的车身。在对车身曲面进行具体设计时需要根据车身尽可能多，尽可能细的去划分特定的曲面，然后将对不同曲面用B样条曲线拟合优化，形成理想的车身曲面。在用B样条曲线进行拟合优化时需根据实际特点设置多条曲线，以使曲面更加切合实际，更加完美。在曲面的划分是也许注意以四边形区域为主。

因此综合考虑以上准则，本文将整个车身曲面分为为四块，首先对车头进行曲面建模，接着对车尾进行曲面建模，然后将车头曲面与车尾曲面连接起来，即采用过渡曲面形成车厢中部的曲面。车顶曲面由曲线放样生成，通过调节曲率使车顶曲面与车身其他曲面之间的连接光滑、平顺、和谐。下面就按照此种曲面分块的方法建立了轿车的车身模型。

2.3.3 车身曲面建模

2.3.3.1 车头曲面建模

车头的造型具有重要的意义，决定了整车造型的好坏，是整车造型的关键，车头一般都是放置发动机的，从造型角度出发，可将车头分成五个部分：发动机散热罩、发动机盖、保险杠和前左、右翼子板。由于轿车属于流线型，车头造型的曲面形状比较多，曲面构成也最复杂。但引入NURBS曲面通过调整形状可以获得车头模型，由于NURBS具有此种优势，不管多么复杂的外形，通过控制点的调整都能生成需要的曲面形状，这也是本文采用NURBS曲面建模的原因。轿车车头的初始曲面模型即由两块平行的NURBS可控曲面通过它们之间的过渡曲面拼接而成。然后对车头曲面模型进行细部的编辑修改，用曲线剪切曲面的方法生成发动机散热罩、发动机盖、保险杠、前左、右翼子板。如图3所示。

2.3.3.2 车尾曲面建模

轿车的车尾造型是轿车造型的一个比较重要的部分，它影响到整个汽车的造型，汽车车尾的造型主要是后部的端部形状、尾灯的型式及与牌照之间的相互关系。虽然车尾比起车头制作要简单一些，但其造型也需要与车头的造型相一致，否则将整个汽车的美观。车尾的初始曲面由上下两块平行的曲面形成，再通过修改编辑生成车尾的形状，其建模方法与车头建模方法相类似如图4所示。

图3 车头曲线建模

图4 车尾曲线建模

2.3.3.3 整车的三维模型

对车身表面分块造型后，将各部分的曲面模型装配到一起，然后先对车身各部分曲线进行缝合，再对其进行曲面的缝合。为了曲面达到光滑过渡，以及平顺、和谐的效果，对一些区域进行必要的细化处理。最后生成的汽车三维建模如图5所示。

2.3.4 车身曲面品质评价

曲面质量对汽车的外覆盖件起着重要的作用，但是独立曲面连接并不能保证一定生成光顺高质量的整体曲面，因此当车身的曲面拼接后，要对整体曲面进行评价，以确保整体曲面能达到预期的要求，所以曲面光顺性评价在曲面重构过程中有着很重要的作用，是一个必须加以重视的环节。

3 结论

图5 汽车车体的三维模型

本文在基于三维技术引入CATIA软件对汽车造型设计进行研究，建立了汽车车身三维数学模型。在曲面数学建模中，引入了非均匀有理B样条作为建模的手段。结果表明：CATIA软件的技术为汽车造型的设计提供了先进、方便、快捷的方式，不但能简化整个汽车造型设计的进程，而且在缩短了开发周期的同时保证了开发精度，最关键的是设计开发成本的不断下降，极大地提高了汽车开发效率。

[1]王惠军.汽车造型设计[M].北京: 国防工业出版社,2007.

[2]李砚祖.设计艺术学研究的对象及范围[J].清华大学学报(哲学社会科学版),2003,(5): 26-39.

[3]严扬,刘志国,高华云.汽车造型设计概论[M].北京: 清华大学出版社,2005.

[4]徐万红,马世骁,张国忠,马谨.Catia在汽车外形建模中的应用[J].机械设计与制造,2004,2(1): 11-12.

[5]赵丹华.汽车造型特征与特征线[J].包装工程,2007,28(3): 115-117.

[6]古梅.计算机辅助曲面造型设计的探讨与实践[J].北方工业大学学报,1996,8(1): 79-86.

[7]谷正气.轿车车身[M].北京: 人民交通出版社,2003.