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发布时间:2023-11-25 02:26:41 来源:材料机械网

CATIA曲面造型在汽车设计中的应用

摘要:本文简要介绍由法国著名飞机制造公司达索-布雷盖公司开发的CATIA 曲面造型模块的主要功能特点,结合汽车几何造型设计的实例探讨CATIA 曲面造型设计的功能、要点。

关键词:CAD 曲面造型 汽车产品结构设计

1 前言

CATIA是目前一种优秀CAD/CAM/CAE/PDM软件应用系统,由法国著名飞机制造公司Dassau1t 开发。工作站版的该软件运行于IBM 的工作站上,驱动系统为VM/CMS,而新版既可运行于IBM 的工作站上,也可以运行在高档微机平台上。CATIA 起源于航空工业,它可以帮助用户完成大到飞机小到螺丝刀的设计及制弹簧实验机的加载方法对实验结果影响敢是不容忽视的造,提供了完备的设计能力。其最大的标志客户即美国波音公司,波音公司通过CATIA 建立起了一整套无纸飞机生产系统,取得了重大的成功。

曲面造型模块的是评估任何一种成功的CAD 软件的基础,也是计算机辅助几何造型设计(CAGD)的主要方法和手段之一。所谓CAGD,即主要研究工程中的几何造型问题。它是对各种几何外形信息的计算机表示、分析和综合。曲面造型主要研究曲线曲面的表示方法和分析综合。广泛应用在航空、航天、船舶、汽车、轻工业等行业中。它的主要数学理论基础即为计算几何(Computational Geometry),由函数逼近论,微分几何、代数几何、计算数学、计算机图形学等形成的。与UG、I-DEAS、EUCLID、PRO/ENGNEERING等现在流行软件相比,该软件在曲面造型方面具有其独到的数学准确性的特点。

在汽车曲面的设计中,有很多部分在结构上是由一系列复杂的空间曲面构成的,这些曲面是由不同曲率的空间曲面相互连接而成,这种连接既要满足零件功能、结构的要求,又要光滑过渡,达到平顺、和谐的效果。CATIA 软件的曲面造型模块功能为这类零部件的设计提供了先进、方便、快捷的手段,使产品的设计更趋完美,设计周期越来越短,极大地提高了产品开发效率。

2 CATIA 曲面造型原理与方法

2.1 曲面造型原理

图1 B 样条曲面

任意空间曲面都可以看作是无数点的集合。如图1 所示,在V 方向任意截面上选择M+1 个点为特征顶点,用最小二乘积逼近方法可生成一条曲线,该曲线即为B 样条曲线。同样,在V 方向的不同截面上可生成一组(N+1)条B 样条曲线。用同样的方法在U 方向的不同截面也生成一组(M+1)条B 样条曲线。两组B 样条曲线的直积可求得B 样条曲面。该曲面即为我们要描述的任意复杂空间曲面。其数学表达式为:

B 样条曲线特征顶点越多、样条曲线数量越多,那么生成的B 样条曲面与实际曲面就越接近,但同时计算量也越大。CATIA 曲面造型的原理就是基于上述曲面数学模型来描述任意空间曲面。在汽车产品设计中,由于汽车车身表面覆盖件或内部结构件多为一些曲率变化不规则的复杂型面,因此它不可能由一张光滑的曲面构成,一般情况下,它是由一些大小不等、形状各异的曲面片连接而成。因此在构造这些曲面片之前,就应先生成由型值点控制,经过拟合、逼近和优化而生成的高级曲线,然后根据不同的控制条件由曲线生成最终的理想曲面。

2.2 CATIA 主要曲面造型方法

CATIA 曲面造型技术主要有规则曲面造型和复杂曲面造型两种,以不同的数学算法为依据,充分考虑各种可能的情况和边界条件,建立了强大的高级曲面和曲线的造型功能模块。具体如下:

(1) 在车身设计中主要用到的曲线、曲面功能模块

1) ARC FUNCTION;

2) SPLINE FUNCTION(包括SPLINE 型曲线和SPLINE2 型曲线);

3) NURBSCRV FUNCTION;

4) CURVE2 FUNCTION;

5) SURF1 FUNCTION;

6) SURF2 FUNCTION;

7) BLENSURF FUNCTION;

8) PATCH FUNCTION;

9) NET1 FUNCTION;

10)NET2 FUNCTION;

11)NURBSSRF FUNCTION;

12)CLOUD FUNCTION。

(2) 根据其曲面构造的方式,曲面分为以下几类

1) 扫描曲面:发生线沿“脊线”运动扫过形成的曲面;

2) 截面驱动曲面:控制各截面形状/面积,按“脊线”运动形成的曲面;

3) 连接曲面:以确定的控制线对两个曲面倒圆形成的曲面;

4) 填充曲面:在已有的曲面围成的区域的空白处填充形成的曲面;

5) 格曲面:由一系列纵横交错的曲线逼近形成的曲面;

6) 规律描述曲面:对构成曲面的某一特征量如角度、半径、面积等按定义的规律变化形成的曲面;

7) 布尔运算曲面:对几个曲面的布尔运算形成的曲面。

复杂曲面的造型是以不同曲线、曲面及各种边界为约束条件,由一组曲线按一定的规律运动和变化产生的。曲面的质量即曲面的光顺性取决于曲线的光顺性,因此构造高质量的曲面,必须先构造高质量的曲线。CATIA 提供了REFLECT、COMBINE,PROP 等生成光顺曲线的强大功能。通过光顺处理的曲线构造出的曲面借助于曲面渲染着色等石蜡方法进行粗略地检验、修正,还可以进一步借助于分析工具定量分析曲面的最大、最小和高斯曲率,之后根据需要进行修改,使之满足设计需要,达到满意的效果。

3 曲面造型设计流程

3.1 CATIA 曲面造型设计流程框图

3.2 下面结合汽车冷却扇的设计,讨论CATIA复杂曲面造型的过程和各步骤要点

图2 为要求完成的汽车冷却扇。具体设计时应结合汽车冷却扇的曲面特点和结构要求进行,步骤如下:

图2 冷却扇外型图

(1) 冷却扇结构分析、曲面分解

按冷却扇的曲面特点和结构要求对冷却扇进行分析,将构成冷却扇整体的曲面进行分解,可分解为基本曲面和过渡曲面。基本曲面为形成冷却扇主要轮廓的曲面,过渡曲面为曲面之间的配合面或结合面。冷却扇整体曲面划分为2 个基本曲面1、2 和两个过渡曲面3、4,还有一个整体的旋转实体5(如图2 所示)。

还应当注意的是,在曲面分解时,应使分解的曲面尽可能的减少,结构尽可能简单,曲率的变化趋势尽可能平缓。

(2) 曲线的构建

首先,根据功能的要求及结构的特点,选择正确的曲面设计方法,构建正确的曲面曲线。其次,按曲面造型方法的要求,根据图3 的通过技术创新、模式创新和金融服务创新生成曲面限制曲线的限制点,确定切矢方向后,构造“脊线(SPINE 线)”和其他约束曲线。“脊线”是曲面造型的方向约束线,其他约束线均指形状约束线和限制边界条件的曲线。

确定约束条件时应注意:①“脊线”应比要生成的曲面长些,以保证生成的曲面足够大,使以后的根据边界线裁剪生成曲面时,有足够的曲面空间;②“脊线””尽量与其他约束线平行,减少方向曲线与形状约束线的曲率变化范围,这样生成曲面的质量较好;③通过“脊线”上任何一个位置的法线与其他约束曲线的交点不应多于2 个。对这类封闭型扇状零件,可选其分模面与断面的交点来生成约束线。对生成的各种约束曲线进行分析确定后,生成建立曲面的各个生成曲线,通过对这些曲线进行包括曲率、切矢等项调整、更改达到满意后,可用这些生成曲线构建成高级曲面。曲面2 的“脊线”和约束曲线如图4 所示。

图3 生成曲面约束曲线的限制点 图4 生成的曲面限制线

(3) 曲究竟该如何进行实验呢? 抗冲击性能实验是在冲击负荷作用下测定材料的冲击强度面的设计与连接

每一种用于曲面造型的模块都有其各自的约束条件和不同的造型效果,按摩椅设计时应根据不同的曲面特点进行选择使用。具体总结如下

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1) URF1 FUNCTION (SURF1+FILL)

此功能以封闭的2~6 条边界和与边界相关的切矢条件(相切曲面)作为输入,生成曲面片。这种曲面片由于只控制边界条件,中间部分是自由拟合,非常容易因为边界切矢的变化跳跃而造成曲面片中间部分的曲率变化非常剧烈,极易形成不合格的曲面扭曲或皱褶(在曲面片狭长的时候容易发生),这种现象随曲面片的增大而益发突出。但这种方法输入条件简单,使用时只要保证边界封闭即可,因此在边界条件较好,曲面中间部分控制的型值点较少的情况下使用此功能较为适宜。

2) SURF2 FUNCTION (SURF2+CURVE+CRV CRV)

此功能的输入条件较多,可压平机根据通过曲面片的一组以实验机的力值丈量范围来看(

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