曲面造型方法的分析与应用

郭艳艳

（武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉 430205）

0 引言

曲面是一种厚度为零的几何体，若想生成曲面，可以使用与生成实体相同的许多工具，如拉伸、旋转、扫描、放样等，曲面还有一些其他的功能或特征，如剪裁、解除剪裁、延伸以及缝合等。从实体的曲面造型入手创建实体比直接从实体造型出发创建实体要具有优势，及更大的灵活性，因为可等到设计的最终步骤后再定义曲面之间的边界，此灵活性有助于产品设计者操作平滑和延伸的曲线。尽管在不同的三维软件如Pro／E、UG、CATIA和SolidWorks中所使用的指令有所差别，但基本的造型策略都是类似的。充分理解各种曲面造型方法以及所生成曲面的特点对于曲面创建是非常重要的。

1 常用曲面造型方法

（1）曲面拉伸：以某一草图作为拉伸特征，沿设定的方向、距离、倾斜角度拉伸所创建的曲面。本例中的曲面在创建中只用到一个草图，如图1 所示。

图1 曲面拉伸

（2）曲面旋转：以某一草图作为旋转特征，沿设定的旋转轴、方向、角度旋转所创建的曲面。该曲面在创建中要用到一个草图和一个旋转轴，所创建的曲面为回转曲面，如图2 所示。

（3）曲面扫描：以某一草图作为扫描轮廓，以另一草图作为扫描路径所创建出的曲面，如图3 所示；有时根据需要还需要加入引导线草图，如图4 所示。

（4）曲面放样：由若干个不同的草图特征按照一定顺序平滑过渡所创建的曲面，如图5 所示；必要时也可以加入引导线草图，如图6 所示。

除了上述几种基本曲面造型方法外，为了达到创建复杂曲面的目的，通常还要对已有的曲面进行曲面编辑，如缝合曲面、延伸曲面、剪裁曲面、移动／复制曲面、删除面、曲面圆角等。

图2 曲面旋转

图3 曲面扫描（无引导线）

图4 曲面扫描（有引导线）

图5 曲面放样（无引导线） 图6 曲面放样（有引导线）

2 应用举例

对于复杂的曲面形状造型，一般不能单纯使用某一种方法，通常都是综合运用各种方法来参与构建。复杂曲面的构建除了局部形状构面方法的选择外，建模的顺序也尤为重要，通常依据的建模顺序原则是：先主体后细节，先平滑后变化。即首先要创建主体的大面，然后再创建曲面上的各种局部特征；首先创建相对比较平滑的曲面，然后再创建变化比较快的曲面。下面，以SolidWorks软件为操作软件，通过一个实际例子来说明曲面造型方法的具体应用。

图7 为喷嘴的外形，要求创建其外形曲面。首先应对该曲面进行构形分析：该曲面由（如图8 所示）把手、底座、连接部分、嘴部4部分组成。由于连接部分的形状和位置是由其余3部分的形状和位置决定的，因此在造型时，可以先从把手、底座、嘴部入手，再创建连接部分。具体创建方法和步骤如下：

（1）创建底座。该底座是一个圆台形，可以在两个平行基准面上分别创建上、下两个底面圆的草图，如图9所示。草图1 为下底面圆，草图2 为上底面圆，再利用曲面放样命令完成。

图7 喷嘴外形 图8 喷嘴组成部分

（2）创建把手。该把手的截断面均为圆头四边形，靠左边从上到下是沿直线发展的，靠右侧是沿手指抓柄的曲线发展的，因此在建模时不能简单地利用曲面拉伸建模，而要使用扫描曲面工具生成喷嘴把手，如图1 0所示，其中，草图5 为扫描轮廓草图，草图3 为扫描路径（控制扫描方向），草图4 为扫描引导线（控制截断面形状大小）。

图9 创建底座

图1 0 创建把手

（3）创建嘴部。该部分的截断面均为圆形，上沿为一大圆弧，下沿为一小圆弧，同样可以利用扫描曲面工具创建，如图1 1所示，其中，草图8 为轮廓，草图7 为扫描路径，草图6 为扫描引导线。

（4）创建连接部分。该部分是整个喷嘴曲面创建的难点，该部分将同时光滑连接底座、把手和嘴部。为了将各部分连接起来，我们可以将已经创建出来的各部分曲面分割成多个曲面，再利用曲面放样将它们连接起来。具体步骤如下：①分割嘴部：如图1 2所示，利用分割线命令，将草图9作为投影的草图，对嘴部曲面进行分割；②分割底座：如图1 3所示，再次利用分割线命令，将草图9作为投影的草图，对底座曲面进行分割；③连接把手和嘴部：如图1 4所示，利用放样曲面命令，将轮廓1和轮廓2选为放样曲线，并设置开始和结束约束条件均为与面相切，合并切面即可；④用同样的方法，将底座与把手、底座与嘴部连接起来。如图1 5所示。

图1 1 创建嘴部

图1 2 分割嘴部

图1 3 分割底座

图1 4 连接把手和嘴部

（5）将各曲面缝合为一个整体，缝合曲面不会改变曲面的外观。

（6）使用填充曲面工具填充在底座、把手及嘴部之间闭合区域的每个侧边，完成曲面的创建。

图1 5 连接底座与把手、底座与嘴部

3 结束语

要创建高质量的曲面，造型的方法和步骤是至关重要的，同时还要灵活应用各种曲面造型方法，特别是扫描和放样曲面造型，当其中引导线绘制和设置不合适时将直接导致曲面造型歪曲或者失败。因此，正确分析各曲面是整个曲面造型中的关键。