基于CATIA 3D体验平台的汽车造型设计流程改进

王震亚 李海旺

摘 要：目的：将最新的CATIA 3D体验平台在造型设计领域新开发模块的创新，应用到汽车造型设计中并得到基于此软件的改进后的汽车造型设计流程。方法：以研究传统的汽车造型设计流程以及加入计算机辅助设计技术后的现代汽车造型设计流程的现存弊端为基础，再与CATIA相应模块的改进相结合。结果：得出基于CATIA 3D体验平台的改进后的汽车造型设计流程图和其相对于现有流程的优势。结论：新的CATIA 3D体验平台各设计环节协同的、网状连接的汽车造型设计流程将会使得设计迭代周期缩短，节约成本及时间，符合汽车设计发展快速更新迭代的时代趋势，是汽车造型设计向前迈进的重要一步。

关键词：CATIA；3D体验平台；汽车造型；计算机辅助设计；设计流程

经过汽车自诞生以来一个多世纪的发展，全球汽车企业的内部工程技术基本成熟，汽车设计的革新主要体现在电子设备和造型的革新上。在汽车造型上取得优势，已经成为全球各大汽车企业提升行业地位的重要途径。在汽车造型设计过程中，汽车造型设计流程对于项目周期、项目管理、设计协同以及最终设计成果具有极其重要的影响。汽车造型设计流程在上世纪五十年代基本成熟，并随着计算机技术的出现、飞速发展以及在汽车领域的渗透（即计算机辅助设计，Computer Aided Design，CAD）而不断优化甚至是革命性的改进。CAD进入汽车领域的具体途径是各种软件在汽车设计各个环节的引入，CATIA作为目前广泛使用的最著名的CAD软件之一，自其由航空领域进入汽车行业以后，CATIA V4、V5版本已对汽车造型设计乃至整个汽车行业产生巨大影响。随着法国达索公司（Dassault Systemes）于2013年推出CATIA V6版本，即CATIA 3D体验平台（3DEXPERIENCE Platform），其中众多创新设计可为目前汽车造型设计流程的再次改进带来新的思路。

1 传统汽车造型设计流程

在计算机辅助设计没有引入汽车造型设计之前，汽车的车身设计属于传统设计方法阶段。这一阶段的设计流程可以这样描述：在经过市场调研之后，初步形成对车型的整体要求，然后参与设计的人员进行初期创意阶段构思，这个阶段更多地应用手工绘图方式绘制设计效果图确定初期的造型方案；从大量绘制的方案中选取几种方案制作缩小比例的油泥模型，再次经过修改和评审从中选取一个制作1：1油泥模型；对模型经过反复的推敲修改后进入工程设计阶段，绘制结构和模具图进行结构设计；最后制作样车进行各种实验，确定后批量生产，设计流程概览见图1。

图1传统汽车造型设计流程图

传统汽车造型设计流程是一种线性工作流程，每个项目阶段依附于前一阶段的成果，各个项目阶段的容错性很低，迭代成本高，所以对造型设计的参与人员素质和经验要求很高，但仍然不能避免重复性的工作。于是在传统汽车造型设计流程中，设计人员的工作量很大，设计开发周期经常会延长以适应某些不大的改动，最终导致设计成本很高而设计成果不一定符合最初的设计意图。这一阶段的汽车设计流程大量应用纯手工工序，是早期汽车设计发展经验的积淀，虽然不可避免地存在很多无法适应新时代的劣势，但是具有很强的实用价值，现代几乎所有的汽车企业所采用的设计流程仍然是在传统设计流程基础上改进得来的。

2 现代汽车造型设计流程

计算机辅助设计和计算机图形学的快速发展及其在汽车设计流程中的引入标志着传统汽车造型设计流程开始向现代汽车造型设计流程转变。数字技术逐步进入汽车造型设计的各个环节，大大缩短了汽车造型设计的周期，减少了设计人员的工作量和制作费用，加强了设计人员及管理者之间的协作和沟通以及数据管理，最终也提高了设计的质量和水平，在各个环节的具体体现如下：草图和效果图的数字化创作技术；三维数字建模技术；三维打印等快速原型制作；逆向工程中A级曲面模型制作等。在创意构思阶段，很多创意设计师仍然习惯于使用最初的纸笔来进行想法的快速表现，这主要是由于此阶段所需要的快速出创意的要求和模糊的概念特征是计算机难以胜任的，在后期要表现精确的数据时计算机的优势就会体现出来；初步概念展现出以后，二维图像处理软件（例如最常使用的Photoshop）开始被用来表现概念方案，并且可以表现精细的部分，一些汽车设计师能在这一阶段几乎就能展现车辆的逼真的最终效果图，当然最终的形态、比例等在真实的三维空间中具体样子并不一定符合效果图中所展示的效果；随着计算机辅助造型（Computer Aided Styling， CAS）技术的应用，三维建模这一步骤逐渐渗透到设计的更多环节中，而不仅限于造型基本确定之后，这样就使得油泥模型师、结构设计师和模具设计师等其他角色尽快熟悉造型的成果；然后使用快速成型技术替代小比例油泥模型进行方案评审并选出进入下一步制作等比例油泥模型的方案；制作等比例油泥展示模型，可以使用上一步的数据模型制作基础的油泥骨架，然后再在骨架上覆盖油泥并修改推敲；接下来以三坐标扫描或激光扫描的方式生成基于油泥的点云数据，数字模型师再根据点云数据模拟A级曲面，这是逆向工程的应用。最终得到的数据模型可以在车厂内各部门之间共享以便于并行工作，很大程度上缩短了设计周期、提高了设计精度并且节约了人力和资金成本。

图2现代汽车造型设计流程图

根据现在各个车厂所采用的汽车造型设计流程可以得知，CAD技术虽然在其间得到长足发展，这种流程仍然存在着许多缺陷：

汽车造型设计流程之间环节的孤立数字化。现在所采用的汽车造型设计流程虽然在各个环节引入了CAD技术，但这种孤立的引进仅仅只能是用更新的工具重复原来的流程而已，各个环节之间仍然处于被隔离状态。例如设计草图仍然由设计师手工绘出，使用二维图像处理软件进行初步渲染之后得到效果图，然后数字模型造型师根据草图再进行下一步的建模工作，这儿的建模工作代替了小比例模型制作的过程，再次评审后仍然需要制作等比例油泥模型，并没有体现出革命性的改进。

没有体现概念设计的创新过程。传统的CAD系统主要用于细化设计阶段，几乎没有涉及到对概念设计阶段的支持，这样就把整个设计流程中创意设计阶段的发展抛在了后面。传统CAD系统不允许快速输入创意阶段模糊的概念造型，基本上可以看做是一个在设计方案基本定型之后的概念化绘图工具，而不是创意设计辅助工具。

设计意图的保留问题。依照目前汽车造型设计流程的一步步地推进方案进展，设计意图即最初的设计师的想法是逐步衰减的，可能由于实际生产或者经济方面的原因不断折衷，最终的设计效果不能满足于预期。所以这种设计流程不是设计驱动型、创意驱动型的，依然是以制造为主导的。

协同设计的问题。协作概念设计包括不同领域专家关于产品功能、原理、布局、形状等各方面的协作设计，还包括不同环节，如客户、设计者和制造者之间的协同设计。这种协同的概念设计能够集成设计所需的各种知识，尤其适合涉及多学科的复杂的汽车概念设计。目前在汽车造型设计的过程中虽然存在跨学科不同知识领域的交流，但这种交流不能做到实时、充分交流，往往积压到问题十分显然、不得不解决的阶段才将所涉及的知识领域纳入进来。

3 CATIA 3D体验平台在汽车造型设计领域的主要功能模块

CATIA 3D体验平台是达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的 CATIA 3D体验平台，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子交流。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。在这里只说利用CATIA 3D体验平台在概念设计方面的创新。CATIA 3D体验平台为造型设计开发的主要是四个模块加上其它公共辅助模块：三维手绘、快速建模、A面设计和实时渲染，分别适用于汽车造型设计流程中的创意阶段、CAS曲面、A级曲面和评审阶段。

3.1 三维手绘（Natural Sketch，NTS）

CATIA V6新增加了一个新的模块——三维手绘，NTS可以让创意设计师使用二维手绘线和路径线创建三维模型。旨在为创意设计师在使用绘图板和笔时提供个性化的、像真实纸一样的体验，它同样支持键盘和鼠标的操作。此模块创建三维曲线的工作原理就是采用投影原理，在一个平面创建一条曲线后切换到另一个平面，然后再次创建曲线，通过计算两条曲线的在空间中的投影相交得到三维曲线。NTS的优势就是在三维空间中探索造型，更前期的思维创意可以在其它二维工作平台上完成，它填补了计算机辅助设计软件的空白区域，而不是为了代替其他二维绘图软件而存在。

3.2 快速建模（Imagine & Shape， IMA）

CATIA的快速建模模块是为设计流程前期开发的一种革命性的设计产品的方式。IMA的技术原理是细分曲面技术（Subdivision），这是一种基于NURBS曲面建模原理并添加细分算法的一种建模方式，保留NURBS曲面精确的优势的同时使曲面易于编辑和修改调整，尤其适合前期造型探讨时不断修改方案的情况。IMA由于其操作简单方便，类似油泥制作模型，创意设计师和数字设计师都能胜任，也便于创意设计师利用此工具辅助造型生成以及对自己方案的优化，帮助设计师简单快速地将一个想法变成三维的空间曲面。另外IMA的数据可直接输出为.stl格式，可直接用于3D打印，便于方案实体化进行评审，避免了制作缩小比例油泥模型，节省时间与资源。

图3 CATIA 3D体验三维手绘模块

图4 CATIA 3D体验快速建模模块

3.3 A面设计（Icem Shape Design，ISD）

在A级曲面构建领域，ICEM Surf是业界标杆，在达索析统收购ICEM Surf后，CATIA的A级曲面构建模块ISD整合了ICEM Surf的A级曲面构建技术ICEM和CATIA参数化建模的便于小幅度修改的优势。这样就使得在保证满足汽车设计高质量曲面要求的前提下，使整个汽车A面设计的周期缩短。

3.4 实时渲染（Live Rendering，LRE）

从设计评审到传达设计想法概念，可视化是其中重要的一部分，CATIA实时渲染以NVIDIA Mental Ray为渲染引擎在设计的评审阶段可以进行实时可视化和逼真的渲染。LRE作为整个解决方案的一部分是一个关键的优势，加速验证过程并减少物理样机的制作，允许更快地决策、降低成本并缩短设计周期。

图5 CATIA 3D体验A面设计模块

图6 CATIA 3D体验实时渲染模块

4 CATIA 3D体验平台对汽车造型设计流程的创新与改进

根据以上对传统和现代汽车造型设计流程的分析并结合CATIA 3D体验平台的特性，可以对目前设计流程做出如下改进：在共同的工作空间中（以CATIA Swym或CATIA Community为平台），首先制作总体项目规划，明确各部门及人员的角色和任务分工，在以后各自的工作进度也可以在工作平台中共享。由得到的市场调研数据、公司总体发展策略和工程初步需求，创意设计师开始根据得到的主题意象进行二维手绘绘制或者直接在工作空间上用Natural Sketch进行创意构思；这一阶段所得到的成果可直接被CAS模型师利用，使用Imagine & Shape数字油泥建模工具快速制作模型；然后可以利用三维打印或者虚拟现实1：1全息投影验证，多次评审修改后进入逆向工程阶段；逆向工程师直接根据数字油泥建模数据使用CATIA Icem进行A面建模得到外形工程数据。在整个流程中，各环节间产生的数据可以构建相应关联关系，一旦方案中某些特征进行了修改，其他设计者角色的数据也会随之更新。管理者或者决策者的介入贯穿于整个设计流程，他们的方案评审不再仅限于最终的设计结果。后续工程部门的工作不再仅能在设计工作结束之后开始，而是可以根据曲面设计甚至是手绘设计阶段就开始准备，见图7。

新的改进后的设计流程，有如下几点主要优势：

从三维手绘出发的全三维设计环境。手绘线可以让创意设计师自由地表达他们的想法，路径线可以让设计师的想法以三维曲线的形式表达出来。借助于这个模块，CATIA 3D体验平台完成了设计流程完全在全三维环境下工作的转变，创意设计师能够快速感受方案的在三维空间的实际效果，可以进行各个视角的验证，尽可能的避免由于过于夸张的艺术表现效果带来的难以解读造型本身特点的负面影响。创意设计师所绘制的想法的三维数据不仅能提高数模师的工作效率，还能用于以后任何评审、制造、验证等各个阶段，设计意图在整个流程得以保留。

数据整合。CATIA 3D体验平台将数字化的设计流程通过数据的整合变得连贯，任何模块的数据如手绘数据、CAS建模数据、A面建模数据、逆向数据以及以后的所有工程数据统一采用3dxml的格式进行工作和保存，避免了现在在各个环节文件数据不统一、在转换过程中数据丢失等问题，不仅造型设计内部各环节无缝协同，还与工程设计环节无缝协同，从而形成了连贯的全流程造型设计解决流程。

设计平台的创建。3D体验平台不仅包含了在设计过程中使用的各个泛义的建模模块，还包含了公司内部各部门的协作以及利用云端平台进行公司之间的协作。如设计流程的详细规划及展示、每人所担任的设计角色及任务安排、与公司外部的接口（如3D打印）等等，所以CATIA 3D体验平台能将设计流程中的所有工作纳入到这个平台中，完成整个设计流程的数字化，构成了设计流程所涉及各部门之间的网状联系、扁平化协作。

图7基于CATIA 3D体验平台的汽车造型设计流程图

5 结语

由于汽车是具有“高技术”与“高情感”的复杂产品设计，传统及现有汽车造型设计流程的弊端随着数字技术日渐成熟而逐渐放大，只有快速响应市场需求、缩短设计周期、降低设计成本以及更高质量的设计输出才能在激烈的市场竞争中获胜。新的CATIA 3D体验平台各设计环节协同的、网状连接的汽车造型设计流程将会使得设计的迭代变得更加方便，节约成本及时间，符合汽车设计发展快速更新迭代的时代趋势。基于CATIA 3D体验平台的设计流程是计算机辅助设计继续发展的结果，整个流程创新除了设计角色的分配、全三维设计环境、数据整合、设计平台的创建等等以外，也抛弃了实体物理样机的制作。诚然由于汽车是一类高度复杂的产品设计，为了多方面的考虑在目前情况下完全抛弃实体物理样机是不可能的，但随着数字技术在设计流程中的不断深度渗入，对物理样机的依赖性也会越来越小，相信最终会被完全虚拟的数字样机所取代。

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