基于CATIA的某车造型及A面设计

侯满哲 马 宏 王月亭 庞永俊 孙冰心 牛立蕊 靳晓庆

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 前 言

汽车，作为一种便于使用并且高度自由的陆路交通工具，在社会经济和人民生活中占据着不可或缺的地位.汽车造型，作为汽车产品开发的先行环节，是汽车开发非常重要的组成部分.随着汽车工业的发展，造型设计工作变得越来越重要，而汽车外部的造型关系它在市场上的成败.本文介绍了一种运用三维建模软件设计汽车造型的方法，通过运用三维设计软件CATIA，在考虑空气动力学的影响因素后，对某车型进行三维曲面建模，并对汽车A面进行绘制与分缝，最终通过对车身斑马线的检查验证了车身设计的效果.

1 现代汽车造型分类和特点

大体上，造型发展路线有四条，经典风格，锋锐风格，流动风格和楔形风格.这四种风格之间相互交错，相互推动和融合.从汽车车身造型的发展可以总结出以下几点：

(1)敞篷式车身发展成为了封闭式车身结构.

(2)车身高度由高到低.意味着大大的降低了整车的风阻系数，使得汽车的速度得到了进一步的提高;此外，高度的降低也意味着整车质心的降低，大大提高了整车的操纵稳定性.

(3)车身日趋呈流线型.这也是以空气动力学为依据的，整车采用流线造型能够减少车身表面的涡流出现，有效的降低了空气阻力和升力.

2 造型的设计原则

在造型设计的长期实践中，人们逐渐建立起基本原则：实用、经济、美观.这三个原则是相互关联，相互制约的，三者缺一不可.它们之间的基本关系是：在实用的前提下讲究美观，使用与美观不要经济因素为制约条件.但是常常因为产品的功能性质，使用情况和市场销售等不同的特点而有所侧重，往往会突出某个原则.

在汽车设计的最初阶段就应该研究其整体艺术形象，权衡艺术造型对产品质量的影响，使用性能和制造工艺的影响，使艺术巧妙的融合在产品的形体之中.

(1)汽车造型必须保证车辆的使用性能.

艺术造型在汽车的空气动力性能方面的影响是最大的，所以在造型时必须设计出合理的形状以便于尽量减小空气阻力对汽车的影响；艺术造型对车身的制造工艺也有很大的影响，在造型时必须有利于降低车身零件的拉延伸度，减少冲压的工序，并且简化冲模结构，使得零件具有良好的装焊工艺；同时汽车造型对乘坐的舒适性、操纵的安全性也有一定的影响，所以要求设计师考虑车身和座椅与车内空间的配合.

(2)汽车造型必须考虑车辆功能的差别.

各类汽车的造型，除了需要体现出平稳、安全、舒适的感觉外，还要体现出运行的速度感，但是作为不同性质的交通工具，在设计上还要考虑功能的差别.比如轿车要同时追求乘坐的安全性、平稳性和舒适性，还要追求高速，但是不需要预留过大的车内空间；大型旅游车则追求一定的空间，运行平稳，舒适和安全.所以在轿车设计主体采用了梯形，以便产生视觉上的稳定感，为了追求速度感，车体的外轮廓线，采用了富有动态感的曲线.

(3)汽车造型必须追求车身的整体感.

汽车的造型最重要的就是获得整体感，统一完整是衡量汽车造型的标准.在设计汽车时应该要考虑结构、比例、尺寸、均衡、质感、色彩、装饰和动感等因素.

(4)汽车造型要注重色彩的搭配.

根据汽车的用途、气候和地理条件，城市和道路的美化，内外部色彩的协调等对汽车的色彩也有一定的要求，但是在本次的设计工作中由于造型设计和A面设计工作量很大，最后没有做色彩的渲染.

3 造型方案设计

3.1 造型设计数据准备

根据参考文献[1]，本文整车布置的数据为长宽高5080 mm×1900 mm×1480 mm，轴距 3000 mm，前后轮距1560 mm×1560 mm，接近离去角12°×16°，最小离地间隙100 mm.

3.2 空气动力学在造型中的应用

汽车在行驶的过程中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等3个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车产生不同的影响，现代轿车的空气阻力系数一般保证在0.28-0.4.为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用圆滑的流畅曲线去替代车身上的转折线.前围与侧围，前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方都采用圆滑过渡.发动机罩设计成向下倾斜的，短而高翘的车尾后盖箱，大曲面的挡风玻璃，圆滑过渡切尽量平直等设计方法都可以有效的降低空气阻力系数.

车头整体圆弧面的设计为了使在车头附近出现的正压强减少，比变焦倒圆的效果要明显好些，所以在本次的设计中保险杠及车头的适当的圆滑过渡是为了保证从车头前部流向侧围的气流能顺畅流过而不会产生高速的涡流，增加阻力.车头下沿还有一个凸起唇，这个设计为了改善底部气流而设计的，这种设计可以减少冲刷进入地盘的气流，减少底部涡流带来的升力和阻力.车头设计如图1，图2所示.

图1车头俯视图图2车头侧视图细节

车尾短平，可以减少从车顶向后部作用的负气压而防止后轮漂浮，而行李箱盖上做成鸭尾状的突出物即扰流板是为了将从车顶冲下来的气流阻滞一下而形成向下的作用力.但是由于车的速度一般都不是很高，所以这种扰流板很难得发挥出作用，在汽车设计中反而是为了造型服务得较多.车尾设计如图3所示.

图3 车尾细节图

3.3 A面及大体造型绘画过程

3.3.1 A面简介

A面，即Class-A面，也就是常认为的简单完美又光顺的曲面.一般是指汽车车身上可见的外表面，包括发动机罩，车顶，侧围，前后翼子板，前后保险杠等.在A级曲面中G2连续是基本的要求，只有达到了G2的要求曲面才会出现反光的效果，起码用肉眼看的时候没有明显的不平或者褶皱的地方.但是有时候虽然曲面是达到了G2甚至是G3连续，也不见得就是A面，因为实际上曲率可以变化很快但是连续，这样的结果有时是可以用肉眼就能看出来的，在打光的效果下面就有明显的突起和褶皱.因此A面的检查工作就是A面完成后一个十分重要的工作，甚至是在画大面的时候，每完成一部分都要即时的检查才可以.A面比高阶面的创建需要关注的东西更加的多而复杂.

3.3.2 造型特征线的绘画

这次创建A面的过程中一并把造型也考虑进去.因此在确定大体的造型特点十分重要，在这个过程中首先要做的就是造型线条的绘制.图4、图5、图6是A面完成后的线框图，而红色线条表示的就是最开始的时候确定造型时画的造型线条.

图4造型线正视图图5造型线侧视图

图6斜视图图7线条曲率检查举例

如图7所示，在绘画这些用来决定基础面的线条时，为了保证生成的面是A面，也为了面的光顺，都会对线条进行曲率的检查，要求曲率检查时曲率线光滑连接，没有断开的地方，并且都在同一方向上，这样就保证了线条的G2连续，再用这些线条做桥接，拉伸，扫掠等命令时就可以使的创建的面更加接近于A面的标准.

3.3.3 合理的分块分缝

汽车根据不同的型号有不同的造型，而这些造型的不同就体现在车身覆盖件上，就是具有不同走向的分块线以及由分块线分割出的不同形状的覆盖件.分块线作为汽车造型整体的一部分，需要进行美学方面的考虑，同时还要考虑零件的装配关系.分块线不是在汽车产品设计之初就确定好的，它考虑的重点在于车身的制造工艺性、构件的连接关系以及加工可行性和使用方便性.分块线主要考虑在以下几个方面：保险杠、发动机盖和格栅之间组合装配关系，前后翼子板分别与前后车门的装配关系，前后车门和侧围之间的装配关系，以及汽车上的组合灯、保险杠和行李箱盖之间的组合装配关系.

在CATIA中进行分块时，首先要确定的就是分快线的走向，这在很大程度上是影响了车身造型的.如图8所示，在画出了分缝线的走向后，先投影到需要分块的面上，利用“扫掠”命令根据投影在面上的曲线，得出以曲线为中心，以缝隙尺寸为直径的圆柱面，用圆柱面去分割车身曲面，删除圆柱面，就可以得出均匀的分缝线[2].

图8 侧面的分缝线

3.4 A面的检查

如图9所示，从高光反光的效果可以看出，汽车外表面的A面是光顺连接的，反光效果较好.由图10的高斯图可以看出，曲率变化是均匀且平滑的，其中绿色是最佳效果.整车的A面高斯检测中没有出现曲率突变的地方，大部分的曲率半径都是相同的，而且小于0.05 mm,甚至更小，只有少数一些地方的曲率变化稍微大一些，出现了极少部分的正负变化，有些是造型需求，有些是A面质量问题，但是整体而言是满足A面要求的.并且没有出现红色区域，也就是说，在生产制造的过程中也不会出现拔模困难的现象[3].

图9高光效果图图10高斯图

如图11、12显示斑马线都是平行的，而且是光滑连接的，即可以看出在这些对称性要求很高的地方，生成的A面不但符合G2连续，还满足G3连续.是符合汽车A面要求和对称部位连接要求的.

如图13、14可以看出，车头部位和车尾部位的斑马线大体也是平顺的.车尾部分有一些扭曲的地方，除了尾灯部分断开的地方，后保险杠处也有一些轻度扭曲的部分，代表此处的A面曲率变化有一些不均匀.但是没有出现漩涡，也表明此处的A面曲率变化并不大，大体满足A面要求.

图11俯视图斑马线图图12车顶斑马线放大图

图13正视图斑马线效果图14后视图斑马线效果

4 结 语

通过计算机三维辅助设计车身造型，能够克服以往手工设计带来的效率低、可靠性差等缺点.在造型完成后，可以将设计文件交给总布置人员进行校核，并进行可行性分析，再做适当的修改，对校核的不合格A面进行优化调整.同时，由于计算机设计的技术文件便于交互使用，因此为车身的后续设计提供了良好的基础.

[1]彭岳华.现代汽车造型设计[M].机械工业出版社，2011

[2]彭岳华，张松峰.车身覆盖件分块线的研究[J].汽车与配件，2007(34)：26～28

[3]高尚鹏，高永光，高相森，徐家川.基于曲率梳的车身A级曲面评价方法[J].农业装备与车辆工程.2009(10)：11～14