1、第9章 自由曲面设计,Catia V5的自由曲面设计是一个使用灵活、功能强大的曲面设计模块。它是一种基于修改曲面的特征网格，来控制所生成曲面形状的造型方法。因此，采用这种方法所构建的曲面具有很高的曲面光顺度和质量，非常适合于诸如汽车外形A级表面的造型设计等。该功能模块不仅提供了强有力的曲面生成与修改方法，而且还为曲面之间的匹配、拟合以及外形整体变形等高级编辑修改功能提供了丰富的工具。,9.1 自由曲面设计模块介绍,自由曲面设计模块是提供了丰富用于生成和修改曲面的工具，为曲面的超级拟合和外形整体变形等高级修改功能提供了强有力的建模手段。 选择下拉菜单【开始】（Start）|【形状】（Shape）
2、|【自由曲面】（FreeStyle）命令，在系统弹出的新建零部件对话框中键入所要创建零件的编号，单击【确定】按钮进入自由曲面设计平台。,9.2 自由曲面设计工具栏介绍,Catia V5的自由曲面设计由以下几组工具栏组成：曲线创建工具栏（Curve Creation）、曲面创建工具栏（Surface Creation）、外形编辑工具栏（Shape Modification）、几何操作工具栏（Operations）、外形分析工具栏（Shape Analysis）和相关工具工具栏（Tools）。,9.3 创建曲线,在自由曲面设计中，虽然可以不用曲线就可以创建出各种复杂的曲面，但丰富的曲线造型可以提高
3、创建复杂网格面及风格扫描面等复杂曲面的能力。CATIA V5为用户提供了以下曲线造型的功能。,9.3.1 创建空间曲线（3D Curve）,【3D曲线】工具，是用于创建空间或定位于几何元素上三维曲线的工具。该三维曲线是相关的，即可以编辑其控制点或通过点。如果所创建的曲线是位于某几何体上的，编辑该几何体后，曲线自动更新。单击该工具按钮，系统弹出三维曲线的生成对话框，该对话框的内容如下所述：。 【创建类型】下拉列表框选择三维曲线创建类型： 【点处理】选项组可以完成以下点的编辑任务： 选中【禁止几何图形检测】复选框，选取一点，该点紧靠在一个几何元素上，该点就不会约束到几何元素上。 【选项】选项组提供
4、了多个选项来控制曲线质量； 【光顺选项】选项组用来设置曲线的光顺控制曲线质量。,9.3.2 创建曲面上的曲线,【曲面上的曲线】工具，是在曲面上创建等参数曲线或者精确通过所选择的曲面上点的曲线的工具。,9.3.3 创建等参数曲线,【等参数曲线】工具，是通过定义方向而且与指定曲面上点参数相等的点创建的曲线的工具。具体使用方法同8.2.7创建曲线中【等参数曲线】工具使用方法。,9.3.4 创建投影曲线,【投影曲线】工具，是将曲线沿一定方向投影到曲面上的工具，投影方向可以是曲面法向，也可以是用户定义的方向。 下面以如图所示图形为例，讲解【投影曲线】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）选择被投
5、影的曲线； （2）单击【曲线创建】工具栏上的【投影曲线】工具按钮，系统弹出投影对话框。 （3）在【方向】选项组中选择曲面的法线为投影方向，【曲面的法线】工具按钮，表示方向为曲面的法线；【罗盘】工具按钮，表示方向为罗盘所指方向，可以通过调节罗盘方向来指定曲线投影方向； （4）按住Ctrl键，选择投影面，可以选择一个曲面，也可以选择多个曲面，在所选曲面上就显示出投影线； （5）单击【确定】艾梦萌，生成投影线。,9.3.5 创建顺接曲线,【顺接曲线】工具，是用曲线将两条曲线（直线）连接起来的工具，创建的曲线也被称作桥接曲线，桥接曲线与被桥接的曲线之间可以保持点连接、斜率连接和曲率连接中的一种连接方式
6、。 下面以两条曲线创建顺接曲线为例，讲解【顺接曲线】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）单击【曲线创建】工具栏上的【顺接曲线】工具； （2）选择两条曲线，顺接曲线就在点击两条曲线最近的端点间创建顺接曲线。 （3）右键单击点和曲率文本，在上下文菜单选择切线连接； （4）右键单击数值1，在上下文菜单选择编辑张度，在对话框中键入1； （5）单击桥接曲面曲线对话框上的【确定】按钮，完成顺接曲线创建。,9.3.6 创建圆角曲线,【造形圆角】工具，是在两条共面的曲线上创建圆角的工具。单击该工具按钮，系统弹出样式圆角定义对话框，该对话框的内容如下所述： 【半径】微调框用于设置创建圆角半径； 【选项
7、】选项组用来控制圆角形状和圆角曲线： （1）选中【单线段】复选框，可以拖动生成的圆角曲线在原来两条曲线上的端点控制点，改变圆角曲线的端点位置和圆角的形状；取消【单线段】复选框，可以拖动生成的圆角曲线上的绿色控制点，改变圆角的形状； （2）【修剪】单选按钮表示将原来的曲线进行分割。原来的曲线留下与圆角相切的部分，并与生成的圆角曲线共同形成一条曲线，但该曲线是由三段曲线组成； （3）【无修剪】单选按钮表示不对原来的曲线进行修剪，仅仅将原来的两条曲线隐藏； （4）【连接】单选按钮表示将三段曲线连接合并为一条单独的曲线。,9.3.7 创建匹配曲线,【对应曲线】工具，是将一条曲线匹配到另一条曲线上，使其
8、与另一条曲线相连接并满足指定的连接约束条件的工具。 下面以如图所示两条曲线为例，讲解【对应曲线】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）选择要编辑的曲线1； （2）单击【对应曲线】工具按钮，系统弹出匹配曲线对话框。 （3）选择曲线2作为匹配的对象，选择的曲线1自动移动到匹配对象曲线2上； （4）这里不作任何修改，单击【确定】按钮，生成匹配曲线。,9.4 创建曲面,CATIA V5的自由风格外形设计的最大特点是具有灵活且功能强大的曲面造型功能。曲面造型功能是生成复杂曲面的基础，本小节主要讲解缀面、拉伸曲面、旋转曲面、偏移曲面、填充曲面、网格曲面、扫掠曲面等曲面的创建方法。,9.4.1 创建
9、平面缀面,单击【曲面创建】工具栏上的【平面缀面】工具按钮右下黑色三角，展开缀面工具栏，该工具栏包含平面缀面、3点缀面、4点缀面和几何萃出4个工具。下面详细介绍各工具的使用方法。 1创建平面缀面 2创建三点缀面 3创建四点缀面 4萃取几何图形,9.4.2 创建拉伸曲面,【拉伸曲面】工具，是将一条曲线沿指定方向拉伸生成一个曲面的工具。该工具可以拉伸各种类型的曲线，例如平面曲线、三维曲线、曲面边界线或位于曲面上的曲线，而在“创成式外形设计”模块中【拉伸】工具只能拉伸开放或封闭的轮廓线。,9.4.3 创建旋转曲面,【旋转】工具，是绕轴旋转平面轮廓创建曲面的工具。使用方法同8.3.1小节中【旋转】工具的
10、使用方法。,9.4.4 创建偏移面,【偏移曲面】工具，是生成一个曲面的偏移曲面的工具，其中偏移距离可以是固定的，也可以是变化的。单击该工具按钮，系统弹出偏移曲面对话框，如图所示，该对话框的内容如下所述： 【类型】选项组设置偏移类型： 【限制】选项组设定计算偏移曲面的限制条件： 【显示】选项组设定偏移曲面的显示信息：,9.4.5 创建外延曲面,【造形延伸】工具，是用于在考虑连续约束的情况下，向原始曲面或曲线添加一个附加曲面或曲线的工具。使用该工具可以生成正向或负向的外插延伸。 下面以如图所示图形为例，讲解【造形延伸】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）使用前面所学工具创建如图所示图形；
11、 （2）单击【曲面创建】工具栏上的【造形延伸】工具按钮，系统弹出外插延伸对话框。 （3）在【长度】微调框中键入100nn，选中【精确】复选框，在【类型】选项组中选中【曲率】单选按钮； （4）选择要添加外延曲面的边，单击【确定】按钮，外延曲面创建完成。,9.4.6 创建顺接曲面,【顺接曲面】工具，是在两个已知曲面之间生成过渡曲面的工具。,9.4.7 创建填充圆角曲面,【填充圆角曲面】（Styling Fillet）工具，是已有的两曲面之间创建风格圆角曲面的工具。单击该工具按钮，系统弹出风格圆角对话框，该对话框的内容如下所述： 【支持面】选项组用来管理要创建填充圆角曲面的曲面，分别有以下选项： 【
12、选项】选项卡用于设置创建填充圆角的参数： 【高级】选项卡用于设置填充圆角曲面的参数：,9.4.8 创建填充曲面,单击【填满】工具按钮右下黑色三角，展开【填满】工具栏，如图所示，该工具栏包含填充和自由造形填充2工具，下面详细介绍各工具的使用方法。 1创建填充面填满 2自由造形填满,9.4.9 创建网格曲面,【网状曲面】工具，是基于曲线造型曲面的工具。该工具使用比较简单，只需单击该工具按钮，系统弹出网状曲面对话框，如图所示，单击【引导线】文本，按住Ctrl键，选择多条引导线，然后单击【轮廓】文本，按住Ctrl键，选择多条轮廓线，单击【确定】完成网状曲面的创建。,9.4.10 创建扫掠曲面,【扫掠造
13、形面】工具，是基于曲线造型曲面的工具，使用该工具可以生成各种扫描曲面。单击该工具按钮，系统弹出样式扫掠对话框，该对话框的内容如下所述： 【扫掠类型】选项组定义扫掠类型： 在对话框右侧的窗口中显示生成扫掠曲面的参数； 在对话框右侧窗口中，点击“选择”，用户可以重新定义扫描面在脊骨曲线或引导线上的范围。通过拉动限制点来实现。,9.5 编辑曲面,CATIA V5为提供了功能强大、使用方便的编辑功能来编辑曲线、曲面的形状。利用编辑功能，能生成各种高质量的曲面，以满足特殊行业（如汽车A级表面等）的要求。,9.5.1 镜像编辑,【对称】工具，是将几何图形以镜像方式移动的工具。具体使用方法参见8.4.5“曲
14、面转换”。,9.5.2 用控制点编辑曲线或曲面,【控制点】工具，是一个功能非常强大的编辑曲线或曲面的工具。按照几何理论，任何曲线或曲面都是由一组控制点来控制的，控制点发生了变化，曲线或曲面也随之变化。该工具提供了丰富的编辑控制点的功能，从而用它可以生成各种各样的曲线或曲面。利用该工具可以完成以下编辑任务：编辑曲线形状、光顺曲线（只能在自由风格外形优化器模块中实现）、编辑曲面形状、编辑曲面边界线、光顺曲面。单击该工具按钮，系统弹出控制点定义对话框。,9.5.3 匹配曲面,单击【对应曲面】工具按钮右下黑三角，展开【对映】工具栏，如图所示，该工具栏包含对应曲面和多重边对应曲面2个工具。 1创建对应曲
15、面 2创建多重边对应曲面,9.5.4 创建填充曲面,【填充几何】工具，是可以将一曲线或曲面拟合到点云上的工具。在曲面的逆向重建中非常有用，能极大地提高逆向工程的效率。,9.5.5 整体变形,【整体变形】工具，是可以一次变形多个曲面的工具，且保持这些曲面间的相互关系。,9.5.6 延伸曲面或曲线,【延伸】工具，是用于改变曲线或曲面的大小的工具，既可以延伸曲线或曲面，也可以缩短曲线或曲面。,9.6 几何操作,几何操作是对曲面或曲线进行分割、连接分解、转换和复制的操作。Catia V5提供了【几何操作】工具栏，该工具栏包含剪切、取消剪切、连接、拆散、分解、转换精灵和复制几何参数7个工具。下面详细介绍
16、各工具的使用方法。,9.6.1 剪切曲面或曲线,【剪切】工具，是用于剪切曲线或曲面的工具。单击该工具按钮，系统弹出中断（Break）对话框，。该对话框的内容如下所述： 【中断类型】选项组用于设置中断类型： 【中断报告】（Report）按钮：用于显示中断操作报告。 【选择】选项组用于设置以下内容： 【修剪类型】选项组用于定义中断类型： 【投影】选项组用于设置以下投影方式： 【外插延伸】选项组可以设置以下内容： 【偏差】按钮：显示对话框中和几何图形上原始曲面和结果曲面之间的最大偏差，仅适用于“中断曲面”选项下的“修剪曲面”选项。,9.6.2 恢复剪切曲面或曲线,【取消剪切】工具，是是使用了【中断曲
17、面或曲线】工具（该工具是自由曲面设计平台中的工具）、【分割】工具对曲面或曲线修剪操作后，进行还原的工具。该工具的使用方法与8.4.1“曲面的合并”中相应工具使用方法相同。,9.6.3 连接曲线或曲面,【连接】工具，是将多单元曲线或多条连续曲线连接成一条单单元曲线的工具，也用于将两单元）曲面或两个连续曲面连接成一个单单元曲面。该工具的操作步骤如下所示： （1）单击【连接】工具按钮，系统弹出连接对话框。 （2）在【设置连接公差】微调框键入连接误差值。该参数为连接对象与结果对象的最大允许偏差； （3）选择要连接的对象（多单元曲线、两单元曲面、多条连续曲线，或两个连续曲面）； （4）点击【更多】按钮，
18、可以在附加对话框中设定显示信息： （5）单击【确定】按钮，完成连接操作。,9.6.4 拆散曲面或曲线,【拆散】工具，是用于将多弧段曲线分裂成多条单弧段曲线，或将多面片曲面分裂成多个单面片曲面的工具。 下面以如图所示曲面为例，讲解【拆散】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）使用【3D曲线】、【拉伸曲面】工具创建如图所示曲面； （2）单击【操作】工具栏上的【拆散】工具按钮，系统弹出分割定义对话框。 （3）如果是分裂曲面，可以从对话框中选择分裂类型：沿U向分裂、沿V向分裂、UV向都分裂，这里选择【UV方向】单选按钮； （4）选择刚才创建的曲面，单击【确定】按钮，完成曲面的拆解。,【分解】工
19、具，是将多元素几何体拆分为单一单元或单一域几何体的工具，多元素几何体可以是曲线还可以是曲面。该工具的使用方法与8.4.1“曲面的合并”中【拆解】工具的使用方法相同。,9.6.6 类型转换,【转换精灵】工具，是将在其它模块中生成的曲线或曲面转换成NUPBS类型（Non Uniform Polynomial B-Spline）的工具，也可用于改变在自由风格外形设计模块中生成的曲线或曲面的弧段数。单击该工具栏，系统弹出类型转换对话框，如图所示，该对话框的内容如下所述：,9.6.7 复制几何参数,【复制几何参数】工具，是将曲线的几何参数复制到一条或若干条曲线上的工具。,9.7 形状分析,本小节主要介绍
20、对几何元素的分析和检查，以保证所设计曲线、曲面的质量。该模块提供分析功能包括：曲线连接性检查、曲面连接性检查、拔模角分析、曲面曲率分析和曲线曲率分析、曲面反射线分析、曲面转折线分析、亮度显示线分析等等。,9.7.1 曲面连接性分析,【连接分析】工具，是分析两个曲面或曲线连接的方式的工具。单击该工具按钮，系统弹出连接分析对话框，如图所示，该对话框的内容如下所述：,9.7.2 距离分析,【距离分析】工具，是用于分析两个元素之间的距离，也可以用于分析两组元素之间的距离的工具。它在进行逆向设计时非常有用，可分析逆向建立的曲面与测量点云之间的距离。单击该工具按钮，系统弹出距离分析对话框，如图所示，该对话
21、框的内容如下所述：,9.7.3 曲线曲率分析,【针状分析】工具，是分析曲线曲率或曲面边界线的工具。 下面以一条3D曲线为例，讲解【针状分析】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）使用【3D曲线】工具创建一条3D曲线； （2）选择刚出创建的3D曲线，单击【形状分析】工具栏上的【针状分析】工具按钮，系统弹出箭状曲率对话框。 （3）在对话框中，【类型】下拉列表框中选择分析类型：曲率或半径，这里选择曲率，单击【原理图设计】按钮，系统弹出箭状曲率分析对话框。 （4）单击【更多】按钮，展开附加对话框，在对话框中可以设置以下内容： （5）设置好各参数，单击【确定】按钮，分析标识被添加到结构树中。,9
22、.7.4 曲面断面分析,【切面】工具，是用一组平面切割曲面，分析这组平面与曲面的交线的工具。单击该工具按钮，系统弹出切割平面对话框，该对话框的内容如下所述： 【截面类型】选项组用于选择切割曲面的类型：平行平面、曲线法平面、指定平面； 【数目/步径】选项组用于设定平面数目或平面的间距； 【边界】选项组用于设置平面的范围，【自动】单选按钮表示取边界为罗盘的基平面位置，选中【手动】单选按钮，需在【开始】与【结束】微调框中键入两个边界相对罗盘基平面的距离； 【显示】选项组用于设置是否在几何屏幕显示切平面，和断面线的曲率； 单击【设置】按钮，系统弹出箭状曲率对话框，进行曲线曲率的分析设置。,9.7.5
23、曲面反射线分析,【反射线】工具，是模拟设定数量和位置的氖灯照射在曲面上，从一定的位置观察灯光的反射线来分析曲面质量的工具。,9.7.6 曲面转折线分析,【转折线】工具，是用于生成曲面的变形线，通过分析变形线来分析曲面的质量。所谓“变形线”是指曲面上曲率为零的点构成的曲线。 下面以如图所示曲面为例，讲解【转折线】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）使用【拉伸曲面】、【控制点】工具创建如图所示曲面； （2）单击【形状分析】工具栏上的【转折线】工具按钮，系统弹出衍射线对话框，并在曲面上显示缺省的分析结果； （3）在对话框中选择局部平面的定义方式： （4）单击【确定】按钮，分析标识被添加到结
24、构树中。,9.7.8 亮度显示线分析,【亮度显示线分析】工具，是高亮显示参数线或参数切线，分析曲面形状和曲率的工具。 下面以如图所示曲面为例，讲解【亮度显示线分析】工具的使用方法，具体操作步骤如下所示： （1）使用【平面缀面】、【控制点】工具创建如图所示曲面； （2）单击【形状分析】工具栏上的【亮度显示线分析】工具按钮，系统弹出强调线对话框。 （3）在对话框中，选中【突出显示类型】选项组【切线】单选按钮； （4）在【螺旋角】微调框中键入10deg； （5）选择刚才创建的曲面。 （6）单击【确定】按钮，分析标识被添加到结构树中。,9.7.9 草绘分析,单击【形状分析】工具栏上的【曲面曲率分析】工
25、具右下黑三角，展开【草绘】工具栏，该工具栏包含曲面曲率分析和拔模分析2个工具，下面就介绍这两个工具的使用方法。 1曲面曲率分析 2拔模分析,9.7.10 影像映射分析,单击【形状分析】工具栏上的【环境对映分析】工具右下黑三角，展开【影像对比】工具栏，如图所示，该工具栏包含环境对映分析、参数化图形对映分析、ACA亮度分析3个工具。 1曲面映射分析 2参数化图形对映分析 3ACA亮度分析,9.7.11 光源管理,【光源管理】工具，是沿着预定义的圆（以光线目标为中心）操作光源的工具。使用该工具的步骤如下所示： （1）单击【形状分析】工具栏上的【光源管理】工具按钮，系统弹出光源操作对话框。 （2）在对
26、话框中选择光源模式：【附加到视点】单选按钮：光源被固定在屏幕上，模型可以独立于光源位置进行旋转；【附加到模型】单选按钮：光源被固定在当前模型的参考轴； （3）操作控制器，调整光源为合适为止； （4）单击【确定】按钮，完成光源的操作。,9.8 相关工具,在自由风格外形设计模块中，提供了丰富的辅助工具，利用这些工具可以方便地观察，设定所生成的几何体。部分工具还能与几何体的创建工具一起使用，进一步加强这些工具的功能。这里主要介绍以下几种相关工具。,9.8.1 显示曲线或曲面上的控制点及弧段,【应用修饰】工具，是一个设置是否长期显示曲面或曲线上的控制点和弧段信息的工具。该工具的使用步骤如下所示： （1
27、）单击【通用工具】工具栏上的【应用修饰】工具按钮，系统弹出修饰选项对话框。 （2）在对话框中可以进行如下设置： 【控制点】复选框：如果选中该选项，则设置为显示控制点，并可在其右侧的列表框中选择控制点的显示方式； 【分割】复选框：如果选中该选项，则设置为显示弧段信息； （3）选择修饰的曲面或曲线； （4）单击【应用】按钮，预览结果，单击【确定】按钮，完成修饰设置。,9.8.2 取消显示曲线或曲面上的控制点及弧段,【移除修饰】工具，是与上一个工具相匹配的工具，它用于取消由上一个工具完成的对几何元素的显示配置。,9.8.3 对称显示,是用于在产品（Product）环境下，相对于一个指定平面对称显示一
28、个部件的工具。这样就可以只创建这个部件一半的几何体，但可以用该工具观察整个部件。该工具的使用方法为： （1）在产品环境下，双击将要对称显示的部件设置为当前工作对象； （2）单击【通用工具】工具栏上的【对称显示】工具按钮； （3）选择要对称显示的部件； （4）选择对称平面。这样就显示出了所选部件相对于指定平面的对称部分； （5）在几何屏幕上显示的对称部分不可编辑。,9.8.4 几何体查询,【几何资讯】工具，是显示曲线或曲面的几何信息的工具。该工具的使用方法如下所示： （1）单击【通用工具】工具栏上的【几何资讯】工具按钮，系统弹出几何分析对话框。 （2）选择要显示信息的几何元素，将在对话框中显示如
29、下信息： 元素类型：Nurbs 曲面或曲线、多线段、平面等； 元素是否被修剪过； U 和 V 方向上段（部件）的数量； U 和 V 方向上元素的阶数。,9.8.5 显示新数码对话盒,单击【显示新数码对话盒】工具按钮，系统弹出【工具仪表盘】工具栏，如图所示，下面简单介绍各工具的作用。,9.8.6 定义轴系统,【轴系统】工具，是通过选择几何图形或通过输入坐标创建新的轴系的工具。单击该工具按钮，系统弹出轴系统定义对话框，该对话框的内容如下所述： 在【轴系统类型】下拉列表框中选择创建轴系类型：标准：由原点和三个正交方向定义；轴旋转：按照标准轴系和根据选定参考计算得出的角度定义；欧拉角度：三个角度值定义
30、； 【源】文本框用于定义原点。,9.9 绘制汽车顶盖,自由风格外形设计模块因为其强大的功能和生成曲面的高质量，被广泛地应用到汽车车身等曲面设计之中。本小节将介绍汽车顶盖曲面的设计。 在本实例中，将用自由风格外形设计提供的功能创建如图所示的汽车顶盖。已知顶盖的测量点云及风格曲线，要求创建顶盖曲面。 1设计前挡风曲面 2设计顶盖曲面 3添加圆角曲面,9.10 总结,自由曲面的灵活性给设计者提供了广阔的创意空间，通过简单地拖拽鼠标，就可以在不同方向上改变曲面的形状，实现设计意图；通过丰富的分析工具，可以定性或定量地了解曲面的质量。本章主要介绍了曲面的生成、编辑、分析等曲面的设计方法，也是自由曲面设计模块中最基本和常用的功能，读者可以在实践中不断区学习和掌握更高级的设计丰富。,
