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1、基于CATIA的大客车车身曲面设计基于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
2、直接进行客车车身曲面设计建模。 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
3、线的外部参考。使用sketch tracer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
4、特征尺寸为整数值; (3) 视图关联原则,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
5、完整模型。 3. 1 大客车车身曲面分块 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
6、、Point continuity , 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
7、续次数小1 次,即如果相邻曲面上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
8、曲面创建完成以后,需要根据车身零部件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
9、零件设置相应材质,按照设计色彩进行配色,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。
