李 和LI He

（襄樊學院 機械與汽車工程學院，襄樊 441053）

0 引言

汽車車身設計工作量大且復雜，周期長，設計過程中集合了當今各類高新技術?，F(xiàn)代車身造型設計開發(fā)時，如何將概念設計階段的二維效果圖迅速轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的三維數(shù)字模型，是車身造型設計階段的關鍵技術。三維數(shù)?？蓽蚀_反映設計師的設計意圖，且能更好的展示車身的外部造型和效果，便于使生產(chǎn)商快速做出決策。同時車身設計采用三維建模技術可縮短車身的開發(fā)周期時間，適應車身個性化設計需求，便于開展后期的產(chǎn)品并行設計。

1 CAS技術在車身曲面設計中的應用

在新車設計和換型設計中，底盤和發(fā)動機等可加以改進，而車身須重新設計。汽車產(chǎn)品的更新很大程度上取決于車身設計，可以說整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身的生產(chǎn)能力，因此世界各汽車廠家都致力于增強車身設計隊伍力量，努力改進車身的設計方法。

在進行汽車車身曲面設計時，由于車身曲面外形的高度復雜性，設計人員很難用二維圖紙來清晰地表達和反映曲面的形狀。車身外形曲面為CLASS A曲面，光順質(zhì)量要求較高。在保證車身外觀設計美觀的前提下，要達到車身表面曲面光順、各曲面連接過渡處也必須達到平滑、過渡光順要求，同時車身必須滿足空氣動力學要求，最大程度減少空氣阻力。

伴隨著計算機輔助造型(CAS)技術成熟和發(fā)展，國內(nèi)外車身設計開發(fā)的方法早已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。目前車身設計從設計草圖生成到三維建模、修改、三維渲染，以及車身曲面質(zhì)量評價等都在計算機上完成。在引進國外先進技術的同時，國內(nèi)汽車行業(yè)注重對先進生產(chǎn)技術的消化和吸收，努力進行自主的創(chuàng)新設計研究，根據(jù)二維信息重建的三維數(shù)學模型的設計方法也正在使用和研究中。雖然三維建模軟件在目前得到大范圍的使用，但二維工程圖紙在工程設計領域應用仍然很廣泛，以前的車身設計使用的就是二維設計圖紙，為了提高車身設計進度，縮短設計周期，新型車的車身的設計或者換型設計可在以前的設計資料圖紙做修改，也可基于二維圖形重建三維形體，如基于原有車身產(chǎn)品圖片資料和工程圖紙，使用相關建模軟件對車身三維模型進行重構。

2 車身復雜曲面重構思想

重構三維模型就是從二維圖形中提取三維信息，通過信息的分析、處理，重新構造出對應于二維信息的三維形體，實現(xiàn)三維形體的重建[1]。

基于圖像技術三維重建理論的車身曲面重構，常應用于車身的自主開發(fā)設計和改型設計中[2]。車身曲面重構是基于工業(yè)設計師設計效果圖或工程圖紙進行分析，掌握車身曲面的構成機理。分析之后，從建立好的車身外形圖三面投影體系上選取車身特征輪廓線，獲取其特征數(shù)據(jù)點，通過所獲取數(shù)據(jù)點采用逼近、擬合等方式生成車身曲線（如圖1所示）。利用特征輪廓線生成的曲線構造車身曲面，然后重構汽車外形的三維數(shù)模。

針對車身外形曲面的構造，即便是新型車身造型也可參考以前的車身設計資料，以縮短設計周期。車身主模型數(shù)模重建參照車身工程圖，利用三維建模軟件可精確、快速地重構車身復雜曲面，實現(xiàn)車身設計自動化。

3 車身曲面重構技術

圖像處理技術在車身曲面三維重構中的使用，即對已有的二維圖片、效果圖或者工程圖資料等進行圖像信息處理和圖像邊緣檢測，獲得圖像的邊緣輪廓后，再根據(jù)投影基本定律求出圖像輪廓的三維坐標值，根據(jù)Shape from shading技術反求坐標值，即模式識別和圖像處理中用于從單幅圖像中恢復三維場景的技術來獲得，最后依據(jù)所求的圖像輪廓的三維數(shù)據(jù)點在三維建模軟件平臺上重建汽車外型的三維模型[2]。

基于數(shù)字模型設計的產(chǎn)品，參數(shù)化和交互性能強大，可滿足產(chǎn)品不同設計階段的設計要求，便于根據(jù)市場需求進行修改和設計變更。特別是針對車身外形曲面設計，車身曲面三維重構時利用車身曲面控制點可方便、快捷、準確地對車身曲面形狀進行造型和控制。參數(shù)化設計的引入便于曲面模型的設計變更和修改，使車身曲面具有良好的編輯性。

3.1 車身外形圖坐標系的定位

使用相關建模軟件，例如使用Pro/Engineer軟件，可利用此軟件中的造型功能模塊調(diào)入車身外形二維圖形。首先進入造型設計中的跟蹤草繪，確定界面視角，輸入對應的視圖方向的二維圖形文件，可通過屬性中的旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等選項，準確確定車身數(shù)模原點以及車身的真實尺寸，使車身模型圖片按1∶1的實際比例在軟件中顯示。也可使用鼠標在顯示窗口中先進行大概的位置、大小、方向等的調(diào)整后，在進行微調(diào)。

3.2 車身外形圖三面投影體系的建立

Pro/E是美國參數(shù)技術公司（PTC)推出的CAD/CAM/CAE一體化的三維計算機輔助設計、制造和分析軟件， Pro/E在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。

Pro/E采用的是ISO 國際標準，視圖的三面投影體系采用的是第三角投影，而我國視圖投影體系采用的第一角投影，所以在插入二維圖片資料和建模時要注意，可在軟件中設置好投影體系采用第一角投影。車身外形圖三面投影體系的建立步驟如下：

1）啟動Pro/E之后，選擇“新建”命令，再選擇“零件”命令，啟動零件設計模塊 ；

2）再選擇“造型”命令，啟動造型模塊；

3）在造型模塊中選擇“跟蹤草圖”命令，在跟蹤草圖對話框中選擇界面視角，輸入圖片資料圖文件；

4）確定車身數(shù)模原點，編輯圖片尺寸、角度、位置，使車身模型圖片按1：1的實際比例在Pro/E軟件中顯示；

5）調(diào)整視角，重復3）和4）的步驟，調(diào)入的車身其他兩個視圖方向的二維圖片資料，可得到如圖1所示的車身在前視圖、左視圖和俯視圖三個視圖方向中的外形草圖，以此作為車身曲面重構的基礎資料和依據(jù)。

圖1 3D視圖中的車身效果圖

3.3 車身外形曲線和曲面重建

車身曲面表面質(zhì)量與其控制曲線有著密切的關系，為確保車身曲面光滑、流暢、美觀的美學要求的同時，也要考慮到車身的空氣動力性能好，風阻小，生成車身曲面的控制曲線必須光順。同時生成正確的空間曲線是獲得曲面邊界、生成曲面的基礎，也是車身外表面幾何造型的關鍵[1]。在車身曲面造型中，效率較高構造方式是直接通過點生成曲面，但是這種構造方式不便修改編輯。而另一種車身曲面構造方式是通過汽車車身截面線來構造車身曲面，這種由曲線掃描方式構造的曲面的方法比較復雜，但方便修改編輯，改變曲面的形狀只需通過修改曲線形狀就可以比較容易達到修改目的，常用于曲面局部的修正。

車身曲面是復雜的空間曲面，車身曲面造型時依據(jù)參數(shù)化造型方法，結合車身的外形，采用車身曲面分塊建模法。把車身曲面劃分為多個比容易處理的曲面塊，對各部分表面采取分塊造型，構造時各分塊曲面應參照同一坐標系進行造型，再裝配到一起。裝配時先進行車身各部分曲線的縫合，再根據(jù)實際光滑性要求對這些曲面塊進行拼接和縫合，或使用過渡面將其連結。曲面連接處質(zhì)量要求較高的，如需連接處達到二階連續(xù)，則針對這某些特定區(qū)域進行光順處理，使車身曲面的內(nèi)部質(zhì)量達到要求，使曲面之間的連續(xù)過渡自然，符合設計意圖。

4 結束語

車身的設計和開發(fā)過程，直接決定著產(chǎn)品開發(fā)周期，計算機輔助設計可有效提高車身設計精度，縮短開發(fā)周期。本文基于將二維信息轉(zhuǎn)化為三位數(shù)模的重構思想，針對三維建模軟件的曲面造型技術在汽車車身曲面三維數(shù)模重建的應用進行了討論，針對這種應用技術研究的優(yōu)、缺點，需要在以后的研究中進行不斷的探討，并盡可能探索出更加高效、準確、便捷的方法。

[1] 徐萬紅, 張國忠. 基于“草圖跟蹤”的復雜曲面設計方法[J]. 東北大學學報, 2004 (14).

[2] 朱浩, 方宗德. 汽車外形設計的三維數(shù)模重建[J]. 計算機輔助設計與制造, 1999(10).

[3] 徐萬紅, 張國忠. 車身復雜曲面的建模方法與應用[J]. 機械設計與制造, 2003(5).

[4] 貴忠華, 劉振凱. 轎車車身CAD中的曲面品質(zhì)分析方法[J]. 機械科學與技術, 1998(5).

[5] 孫福輝, 席平, 唐榮錫. 重構曲面的品質(zhì)分析及優(yōu)化技術[J]. 工程圖學學報, 2000(4).

[6] 李紅, 朱安亮. 基于二維幾何特征的轎車車身三維造型設計[J]. 揚州大學學報, 2009(5).