基于ICEM SURF的汽车造型A级曲面设计研究

张琦 曲文杰 王润泽

摘要：汽车外观“颜值”已成为体现量产车产品力的第一要素，A级曲面是汽车造型设计的终端环节。基于ICEM SURF软件，通过实际案例分析了A级曲面中主曲面和过渡曲面的设计方法，并对A级曲面品质控制与评价策略以及工程条件对A级曲面设计的影响两个方面进行深入探讨，总结出适用于现代特色汽车造型A级曲面模型的设计与评价方法。

关键词：汽车造型；A级曲面；逆向设计；曲面品质控制

中图分类号：U469  收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.015

1 前言

随着社会的发展和科技的进步，人们对美好生活的追求和审美能力日益增长，汽车外观“颜值”已成为体现量产车产品力的第一要素，汽车造型设计主要涵盖创意设计、数字化设计、色彩设计及油泥模型设计四个开发方向，而A级曲面设计隶属于数字化设计，是整个造型设计的终端阶段，A级曲面品质的优劣，直接影响整车的品质，因此在整车开发流程中的重要程度越来越显著。

逆向工程（Reverse Engineering，简称RE）是根据现有的模型，利用数字化测试设备获取实体数据，对数据进行处理后进而重构出完整的三维模型，在此基础上，进行模型优化、创新设计、二次开发[1]，应用极为广泛，尤其在汽车、飞机等制造业当中发挥了巨大的作用。汽车造型A级曲面设计主要就是运用逆向工程技术，通过对汽车油泥实体模型进行逆向扫描，同时结合造型创意效果图、CAS曲面数据、工程布置及结构断面等要求进行曲面设计、造型特征优化以及曲面的品质控制，最终实现高品质造型三维曲面模型的建立与输出。

2 汽车造型A级曲面设计

2.1 汽车造型A级曲面定义及软件

汽车A级曲面是指满足设计审美要求、曲面内部质量要求、工程布置及后续结构设计要求和模具制造工艺要求的可见车身外表面[2]。汽车造型A级曲面设计是汽车造型设计过程中不可或缺的一个阶段，在汽车整车开发的整个生命周期中是实现造型创意与工程设计之间完美衔接的关键环节。

A级曲面设计应用的软件工具多种多样，如ICEM SURF、Alias、Catia等，其中软件ICEM SURF在自由曲面设计领域历史悠久，数据制作质量好，是公认的主流设计软件之一，长期处于领先地位，该软件具有柔性、灵活、强大的建模和分析功能，可以完成设计环境所需的高质量复杂曲面，并可大大缩短设计时间，提高整体设计效率，著名的汽车公司如福特、宝马、大众、雪铁龙、保时捷、标致、捷豹等都是ICEM SURF的客户[3]。

2.2 汽车造型A级曲面设计流程

A级曲面设计处于整车开发周期中的造型数字化开发阶段，定位于整车设计开发的前期，A级曲面模型数据的冻结与交付意味着当前造型设计的结束，也代表着下游工程生产数据开发的正式开始。A级曲面设计流程如图1所示，主要包括油泥模型逆向扫描、点云数据处理、A级曲面设计、曲面品质控制四个模块。

3 A级曲面的设计方法

汽车造型A级曲面主要由两类曲面构成，分别是主曲面和过渡曲面。

3.1 主曲面设计方法

a.点云预处理：整车表面点云数据量相当庞大，需要首先对逆向后的点云数据进行稀释、降噪及拼接处理，在保证点云整体框架和完整性的基础上，尽可能降低点云的密集程度，提高设计及数据运行效率。

b.曲面架构逻辑设定：结合创意设计意图、工程结构及布置条件的输入，分析点云数据，定义曲面的设计逻辑，明确主曲面的设计方式以及典型造型特征的基本类型，建立各个主曲面的搭建层级和次序。

c.主曲面的设计与表达：依据设计要求开展主曲面的设计，按照由点成线、由线成面的基本方法首先构造出主要特征曲面，如前后保險杠主曲面、前后风窗和车顶主曲面、车身侧围曲面等，然后再确保主曲面之间的连续性要求满足曲率连续或曲率切矢连续，图2为某车型后保险杠曲面曲率连续示意。

3.2 倒角过渡曲面设计方法

倒角过渡曲面常见的主要有三种，分别是普通三边倒角过渡、特殊三边倒角过渡和多边面倒角过渡。

a.普通三边倒角过渡：是最为一般性的过渡曲面，在A级曲面中多出现在结构翻边的位置，难度最低，采用ICEM SURF中fillet命令即可实现。

b.特殊三边倒角过渡：若需要倒角的曲面边界连续性为切矢连续，则有可能存在倒角面匹配效果不好的情况，处理方法为先将需要倒角的曲面两边作出法向翻边，用两个翻边对倒角面进行裁切后再将其与主曲面边界进行连续性匹配，难度适中，多出现在对连续性有要求的曲面部位。

c.多边面倒角过渡：是难度较高的一种过渡曲面，设计原则为反倒角叠加到正倒角上、小倒角叠加到大倒角上，在单独曲面无法实现连续性匹配要求时，对曲面进行一分为二的裁切处理，但是仍要尽可能保证用较少的曲面数量来实现连续性匹配达成，图3为多边面倒角过渡示意图。

3.3 渐消特征的过渡曲面设计方法

渐消特征是汽车造型设计中运用较为频繁的表达方式，在实际工作应用中总结出两类渐消情况，第一类是渐消特征设计的较长、较为平缓的情况，第二类是渐消特征设计的较短、较为急剧的情况。

a.平缓渐消特征的过渡曲面设计：平缓渐消特征的过渡曲面的设计方法为将正反倒角终点处边缘完全融合在一条边上，如图4所示。

b.急剧渐消特征的过渡曲面设计：典型设计方法为正反倒角在终点处边缘进行部分叠加。至于是正倒角叠加到反倒角上还是反过来反倒角叠加到正倒角上，叠加的部分是多是少等方面则要具体问题具体分析，一般原则是反倒角叠加到正倒角上、小倒角叠加到大倒角上，但是这并不是绝对的，还要根据实际的视觉效果进行判定，见图5。

4 A级曲面品质控制策略与评价方法

4.1 A级曲面品质控制策略

汽车造型设计A级曲面品质控制策略主要体现在四个方面：造型创意表达的一致性、点云逆向数据的拟合度、曲面拼接的光顺度、曲面数据结构的合理性，主要内容详见表1。

4.2 A级曲面品质评价方法

目前业内对汽车A级曲面品质的评价体系各有不同[4]，有的公司评价标准主要包括面片品质检测、几何连续性检测、曲率梳检测、高光检测四个方面，而有的公司则从车身曲面精度、光顺性、美观性、结构性、工艺性和经济性六个方面来对车身曲面进行评价[5]。

虽然业界尚无统一评价标准，但至少初版A面完成之后和终版A面冻结之前都需要开展评价。整体而言，对A级曲面品质主要采用主观和客观两个维度进行评价，主观评价核心方法是通过人眼直观视觉感受模型整体及局部细节的光顺程度，客观量化是通过运用ICEM SURF中几何连续性、曲率梳、斑马线等检测手段进行数值评价。评价对象有造型特征曲线的表达、造型型面的表达、数据结构的逻辑三类。评价内容主要包括造型特征型面及型线之间的连续流畅程度、加速特性是否表达完整、多重视角切换状态下的视错觉的补偿是否合理、单一曲面片控制点的数量是否异常、控制点排布衔接是否均匀。

5 工程条件对A级曲面设计的影响

5.1 功能性系统零部件技术要求对A级曲面设计的影响

风窗玻璃总成、车门玻璃总成、外后视镜总成、仪表屏幕等属于功能类系统零部件，这类系统零部件与人机空间布置、空气动力学性能、装备定义及产品功能配置等强相关，对造型A级曲面的设计产生了极大影响。

比如如果配置驾驶员抬头显示功能的话前风窗玻璃就需要应用楔形玻璃，楔形玻璃与普通玻璃对造型型面曲率要求是不同的；再比如占据车身侧围造型曲面表面积将近1/3的车门玻璃不仅有透光、升降等要求，还需要保证驾乘人员头部、肩部、肘部、臀部空间等人机布置需要，并且车门玻璃的型面还要兼顾车门总成的整体厚度设计，因此一般构建车身侧围曲面时候都是以车窗玻璃型面为出发点的，常规车门玻璃曲面主要有桶形曲面和螺旋形曲面两种[6]。

5.2 尺寸工程输入条件对过渡曲面设计的影响

汽车整车研发是一个高度复杂的系统工程，涉及成百上千个零部件的设计生产和装配制造，覆盖冲压、焊装、涂装、总装四大工艺，其中每个环节都会成为整车尺寸误差的来源，从人、机、料、法、环、测六个维度都可能出现设计偏差、制造偏差、装配偏差，因此为了提高研发质量、提升研发效率，尺寸技术规范（Dimension Technical Specification，DTS）應运而生，在满足整车尺寸目标的前提下，通过尺寸技术规范系统设计，可实现产品结构设计、工艺方案设计及测量方案设计与实施[7]。以乘用车为例，目前车身DTS设计暂无明确的法规要求，也没有一个绝对的标准，工程部门DTS工程师对乘用车DTS所作出的定义及设计控制主要是基于竞品车型DTS对标数据库以及综合考虑主机厂现有实际工艺能力来实现的。

目前工程DTS设计与造型A级曲面过渡曲面设计的要求不同之处主要集中在倒角方式上，主要有以下三种情况：

a.工程DTS是在已有倒角的前提下进行定义的，而造型A级曲面设计方式是先求出曲面间的理论交线后再进行倒角过渡。

b.工程倒角连续性方面一般都是满足切矢连续即可，而造型A级曲面设计的往往是切矢连续的倒角和曲率连续的倒角并存。

c.工程倒角存在三角面片，而造型倒角是不允许出现三角面片状态的。

汽车A级曲面设计应满足工程DTS输入条件，但是工程DTS理论值的设定也应考虑造型设计整体的视觉效果，若影响实际造型效果，造型部门可以对工程DTS专业进行反馈并促其重新对DTS进行定义或优化。

6 结语

汽车造型A级曲面是上承造型、下启工程的关键载体，既要满足造型创意设计的表达实现，又要满足各种工程可行性的限制和约束条件。本文提出的汽车造型A级曲面的设计及曲面品质控制与评价的方法，无论是乘用车、商用车、特种车都适用，旨在为汽车造型设计提供一份有效的参考。

参考文献：

[1]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]陈红.汽车造型设计流程中A级曲面的探析[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（4）：172.

[3]杨春雨.曲面魔术师——ICEM SURF软件学习指南[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.

[4]吴怡文，李宏华，赵福全.基于ICEM surf的汽车A级曲面评价方法[J].汽车技术，2011（12）：51-55.

[5]彭幸玲.电动汽车车身曲面造型设计方法研究[D].扬州：扬州大学，2020.

[6]顾君.汽车正向开发中车门玻璃曲面的设计与校核[J].汽车零部件.2022（1）：107-108.

[7]曹渡，刘永清.汽车尺寸工程技术[M].北京：机械工业出版社，2017.

作者简介：

张琦，女，1986年生，工程师，研究方向为汽车造型及车身内外饰对标分析。