汽车造型设计流程中A级曲面的探析

摘要

汽车造型设计是汽车开发流程中的一个重要环节, 随着计算机技术和信息技术的快速发展, 对车身的数学模型质量要求越来越高。本文不仅提出了A级曲面的定义和要求, 而且还详细介绍了A级曲面如何生成, 如何检测质量。通过对汽车设计流程中的A级曲面质量控制, 既可显著提高设计质量, 又可为后续的结构设计、工程分析、工艺分析和模具制造等提供理论依据, 缩短开发周期, 保证开发节奏顺利进行。

一、A级曲面的定义

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。

二、构建A级曲面的前提条件

确定整车的坐标基准, 避免基准点变换造成零件公差加大。尺寸偏大给整车匹配带来的麻烦较大, 间隙和面差不合格且原因查找较为困难, 因此保证尺寸精度是每个汽车制造企业追求的目标。

全车的玻璃必须是规则几何体, 并且能够保证运动。玻璃与周围件的匹配关系很复杂, 项目前期必须确定好玻璃的曲率、与雨刮的配合及玻璃成型问题。前风挡玻璃与顶蓬间距、A柱的间距、与内饰仪表板搭接以及与仪表板上的安全气囊都有一定的关系。

整车油泥模型制作或者模型加工样车必须有参考样车的断面, 才能保证整车总布置尺寸要求。油泥模型或者模型加工样车细节特征交代清楚, 大的表面平整光顺, 相关硬点的安装位置准确, 整车硬点尺寸关系的保证。

三、A级曲面的光顺原则

A级曲面的光顺原则:汽车外车身表面中的高可见区域, 包括发动机罩、叶子板、前后保险杆、前后车门、A柱、B柱、C柱、顶盖、侧围以及内饰件中的可见区域等零件, 曲面的质量要达到3阶曲率连续, 局部少可见区达到2阶曲率以上连续。

特征具有可扩展性和编辑性。制作的曲面都必须是Bezier曲面 (即UV两个方向上是单补片的B样条曲面) 。曲面的边界超过零部件的边界, 但是不能超过太多。这一方面是为基本曲面和周边曲面的过渡搭接做准备, 另一方面也为后续的光顺或结构工程师延伸曲面用以满足实体建模、设计修改、工艺补充面、钻模和夹具的需要。

渐消的特征必须有实际的理论交线。在整车曲面中, 有相当多的逐渐消失的特征, 前保险杆与叶子板相接合处, 因为有前雾灯布置了一些造型特征, 在与叶子板接合处渐渐消失。消失的特征通常是有过渡面, 最后是倒角与倒角相连接, 基本的原则是倒角之前一定有实际的理论交线, 这样倒角高光就不会扭曲。在这种情况下, 再去微调控制点, 就能保证消失的特征看起来自然、流畅。

所有对称零件在Y=0处的曲面曲率在3阶以上连续。在建模过程中, 对称零件一般是只建一半数据, 然后利用对称命令, 镜像成一整个零件。一般情况下很容易忽视Y=0以上的3阶曲率变化, 以顶蓬为例, 先不要考虑分面, 左右两边当成一个零件分成一大块曲面, 调控制点来贴合点云时, 在指令中把“symmetry”这个选项勾上, 在调整曲面过程中, 左右两边都是一起来控制的, 可以看到曲率梳完全对称。

汽车车身零部件的边界必须光顺。整车的分件处理也是一项较复杂的技术, 尽量避开分件线在特征面上, 一是零件后期匹配不好, 二是从外形上看, 分件线会扭曲。还需要注意2点:一是边界曲线的对称;二是相配合的零部件之间的等距和等面差问题。

所有种类的曲面, 都满足以下要求:设计部门从美学角度通过的造型形状面数模要符合所有已知的结构工程、制造工程和人机工程标准, 并且要满足所有的模具制造工程和工装夹具的要求。但在不改变风格基础上或造型能忍受的情况下, 要尽力放宽曲面与测量点云或者模型样车之间的变化范围, 以获得较好的曲面质量。

四、A级曲面的要求

汽车开发流程可以分为造型、工程和制造3个主要阶段。其中造型阶段又可细分为概念草图、彩色效果图、前期数字模型、油泥模型、造型冻结后扫描点云数据及A级曲面建模等。在汽车开发流程中A级曲面是造型阶段最终输出的三维数字模型, 也是后续工程阶段产品结构的依据。A级曲面作为造型阶段对工程阶段的最终递交物, 反映理论状态的造型特征和造型质量, 在汽车开发流程中起到一个承上启下的桥梁作用。因此, A级曲面不仅需要反映设计师的设计意图, 符合大众的审美需求, 还需要满足后续工程结构设计、制造加工工艺等相关需求。

对A级曲面的主要要求有以下几个方面:第一, 扫描油泥模型得到的点云数据偏差在±2 mm内, 如特殊部位与点云数据的偏差大于±2 mm, 需经设计师确认;第二, 曲面模型的连续性与其精度要求, 车身和外饰主要造型曲面连续性的精度要求为G0≤0.002 mm, G1≤0.05°;第三, 曲面应为单一的Bezier格式;第四, 曲面控制点应尽能有规律的排布, 曲面的阶数应尽可能的简化, 其U和V方向控制点的数量最多不应超过8×8;第五, 汽车各个部件间的面差和间隙应满足DTS (Dimernsion Technology) 的要求;第六, 除后叶子板油箱盖、后视镜等特殊部位外, 其他各部件都应与汽车中心线、转向管柱中心线保持对称性;第七, 曲面应满足模具成型要求的拔模角。

五、A级曲面的分析与检测方法

为了能够更好的构建精准、高质量的曲面数据, 各个软件都提供了多个诊断工具, 以便建模工程师能够在其建立期间或建立之后对各单个曲面或面与面之间的质量进行评估。虽然各软件对各个诊断工具的命名、操作方式会有所不同, 但总的评价方式相差不多。归纳起来, 对曲面内部质量进行评估主要有以下几种分析与检测方法。

第一, 视觉检测法, 在渲染状态转动光源或物体, 视觉上不应用瑕不掩瑜;第二, 斑马线法, 给曲面上赋予黑白相间的标准贴图, 利用标准光源照射表面产生的类似斑马纹图形, 再根据斑马纹流畅度、粗细变化程度来判断曲面质量[5];第三, 曲率梳截面分析法, 对曲面进行剖切得到一个断面线, 以该曲线任意点的法线为方向, 曲率大小为长度, 并将多个法线的端点相连接得到曲率梳图, 通过分析连接处曲率梳的变化情况来判断两曲面的连接质量;第四, 其他方法, 如高斯曲率图、反射图、纹理图、最大与最小曲率图等。

六、汽车设计流程中A级曲面质量控制

汽车设计流程中A级曲面质量控制一般可分2个阶段。第一阶段为A级曲面数模首发, 以造型冻结后扫描点云数据为依据, 参照详细工程输入信息构建的初版, 包含第一道造型翻边倒角可见曲面的数据模型。首次发布的A级曲面数模可提供至内部质量评审小组, 依据相关数据质量标准进行外观造型及曲面内部质量评估与检测, 同时首次发布的A级曲面数模是下游相关工程部门如车身部、内外饰部门制作第一阶段工程数据的依据, 是相关工程部门分析、检测后续结构设计可行性与模具制造可行性的依据。如有需要, 还可以根据首次发布的A级曲面数模开始造型验证模型SRM的加工制作。

第二阶段为A级曲面冻结, 该数模修正了首次发布的A级曲面数模的不足, 在设计师的支持下, 确保生成的曲面恰当的达到审美上的高光要求、详细完整的反映了造型特征、满足DTS要求、内部曲面质量要求、最小圆角的要求及安装方式等约束要求。A级曲面数模在冻结发布之前还应通过虚拟评审, 冻结的A级曲面数模是相关工程部门制作第二阶段工程数据的依据。如有需要, 还可以根据冻结的A级曲面数模开始模型TRM的加工制作。

七、结束语

汽车造型是汽车设计中确定产品形象的过程, A级曲面作为造型阶段的最终递交物, 反映理论状态的造型特征和造型质量, 是汽车造型阶段的关键。A级曲面质量的提高, 必将更好的为后续结构设计、工程分析与样车制造等环节提供理论依据, 缩短开发周期, 为新产品开发节奏提供强有力的保证。