1、基于 CATIA 的大客车车身曲面设计传统的大客车车身设计过程是首先绘制造型设计方案效果图,制作油泥模型评价、修改、确定设计方案,然后采集表面数据,创建曲面数字模型。该方法设计周期长、成本高、效率低,逐渐被计算机辅助设计方法所取代。大客车车身曲面属于自由曲面,随着客车车身设计圆基调风格的流行,表面复杂程度有所提高,但仍然是特征相对鲜明的简单曲面,这为使用特征轮廓线构建大客车车身曲面奠定了基础。鉴于上述两种情况,本文提出一种基于 CATIA 环境的大客车车身曲面设计方法。前期由造型师进行方案设计,创建完成胶带图,然后以胶带图信息为设计输入,在 CATIA 软件环境下直接进行客车车身曲面设计建模。
2、1 导入胶带图造型师确定创意方案之后,使用黑胶带在主图板上按照比例关系绘制汽车轮廓三视图(称为胶带图) ,为制作油泥模型提供尺寸控制和外形参考。然后使用数码相机拍摄或扫描胶带图生成胶带图文件,作为输入信息。大客车车身造型特征相对简单,可使用两个视图表达(图 1) 。胶带图包含三方面信息: (1) 车身建模所需的总布置信息,包括整车的长宽高、轮距、轴距、前悬、后悬等; (2) 曲面造型基本元素曲线,包括车身廓线、窗线、门线、车灯廓线等; (3) 通过基本的人机工程校核。图 1 大客车车身胶带图(正视图、侧视图)导入胶带图文件到 CATIA 软件环境,作为绘制轮廓线的外部参考。使用sketch t
3、racer 工具,分两步进行: (1) 按照胶带图的视图投影方向,选择相应的平面视图; (2) 视图导入后,视图间的比例关系并不协调,按照车辆总布置的长、宽、高实际尺寸修改视图比例,使得视图间比例一致(图 2) 。图 2 导入 CATIA 环境的胶带图2 绘制轮廓线应用 sketch 工具,在正视图、侧视图内分别绘制出大客车车身轮廓线,使其逼近胶带图中基本造型特征曲线,作为车身曲面建模外部参考信息。绘制过程中,可遵循以下原则: (1) 圆弧逼近原则,即尽可能利用多段相切的圆弧逼近普通不规则曲线; (2)尺寸圆整原则,即在不影响造型风格和总布置尺寸的前提下,尽量圆整特征尺寸为整数值; (3) 视
4、图关联原则,正视图轮廓线的纵向尺寸标注,要参照侧视图中标注值,防止两视图尺寸不关联,造成最终曲面无法实现无缝连接。这些原则是基于参数化修改和尺寸标定方便,以及切合实际加工工艺要求的考虑。绘制完成的大客车车身轮廓线如图 3 所示。图 3 绘制完的大客车车身轮廓线3 大客车车身曲面建模大客车车身曲面建模遵循三个原则: (1) 自上而下的建模原则,即首先进行车身整体曲面建模,然后进行零部件基准曲面分割; (2) 先简后繁的原则,即具体建模过程,首先创建简单且信息全面的曲面,尔后创建复杂曲面; (3) 对称原则,车身产品具有对称性,因此建模时仅创建一半模型,镜像后获得完整模型。3. 1 大客车车身曲面
5、分块首先合理规划曲面特征。一般来讲,大客车车身可分为前后围、左右侧围、顶盖和底板六大总成。前后围曲面最为复杂,侧围、顶盖和底板曲面相对规则。考虑到对称原则,整个大客车车身曲面可划分为:前围、后围、左侧围和顶盖四部分(底架受动力传动总成布置约束较大,本文暂不建模) 。3. 2 大客车车身曲面建模使用 CATIA 软件的 GSD ( Generative ShapeDesign) 工具箱,进行曲面建模。首先,以轮廓线为外部参考,提取曲面建模所需要的边界或者特征曲线,有三种方式可供选取,分别为 No p ropagation 、Tangent continuity、Point continuity
6、, 然后使用拉伸、扫描、填充、蒙皮等曲面创建方法,遵循上述车身曲面建模原则,按照左侧围、前围、后围、顶盖的顺序,依次完成半车身整体曲面的创建(图 4) 。图 4 大客车车身半整体曲面模型3. 3 大客车车身曲面品质评价CATIA 环境下,曲面品质检测采用如下几种方法: (1) 反射线法(Reflection Lines) ,反射线的连续次数比曲面的连续次数小 1 次。如果两相邻曲面上反射线断开,则该两曲面最多属点连续;如果反射线有尖点,则曲面切矢连续;如果反射线光滑过渡,则两曲面曲率连续。(2) 等照度法( Isop hote) ,等照度线的连续次数比曲面的连续次数小 1 次,即如果相邻曲面上
7、的等照度线光滑过渡,则这些曲面之间满足曲率连续。另外,等照度线的形状也反映了曲面形状的变化。(3)高光线法( Highlight Lines) ,高光线是在反射线的基础上发展出来的,它的原理与反射线法基本相同。不同之处是高光线构建过程中,光源与视点重合。(4) 环境反射,通过视觉效果检验曲面品质。大客车曲面的品质要求不像轿车那样严格,但仍需达到一定光顺程度。因为光顺曲面可消除或者延迟空气附面剥离和涡流产生,能够提高整车的空气动力性能。对大客车车身曲面进行反射线检验如图 5 所示。图 5 大客车车身曲面反射线检验3. 4 大客车车身零部件曲面分割大客车车身整体曲面创建完成以后,需要根据车身零部件
8、形状对整体曲面进行分割处理,以得到每一个车身零部件的基准曲面。可直接从车身整体曲面上分割得到的零件基准曲面包括:前风窗玻璃、前围蒙皮、车大灯、转向灯、雾灯、车前门、车中门、侧窗玻璃、车后灯、后围蒙皮、车后保险杠等(图 6) 。图 6 曲面分割后的大客车车身曲面模型分割分两步进行: (1) 投影,把零部件边界的平面轮廓线投影到整体曲面上,得到附着于整体曲面的零部件边界线; (2) 裁切,使用 CA TIA 提供的裁切工具,以所得边界线为分割参考,裁切整体曲面。利用各零部件基准曲面,使用 Part Design 工具箱,进行曲面增厚处理,实体化各基准曲面。然后为各零件设置相应材质,按照设计色彩进行
9、配色,可观察整车造型效果。创建完成的大客车车身模型见图 7 ,包括后视镜和轮胎零件。图 7 大客车车身模型4 下游相关工作大客车车身零部件曲面创建完成后,可进行车身设计的后续相关工作: (1) 以车身零部件曲面作为外部参考,设计客车骨架,并进行相应的结构分析、模态分析、安全性仿真等; (2) 利用车身整体曲面作为流场内边界,进行车身外流场模拟,分析大客车的空气动力学性能; (3) 生成 NC 代码,铣出泡沫实物模型,进行风洞试验,检验造型效果。在 863 燃料电池大客车车身设计项目中,采用该大客车车身曲面设计方法,能有效降低开发成本,缩短产品开发周期,提高工作效率。实践证明,该方法具有很高的实用价值。
