基於幾何特徵的車身覆蓋件
的設計方法與技術
陳靖芯李紅徐晶倪壽勇
揚州大學機械工程學院車身技術研究室江蘇揚州 225009
【摘要】：通過基於特徵的車身覆蓋件建模理論研究，提出了形狀特徵的定義及分類，歸納總結出車身覆蓋件特徵的描述與設計方法，針對車身覆蓋件的結構特點及其形狀特徵的生成機理，提出規則曲面和複雜曲面的引數化設計一般方法，最後以汽車後風窗玻璃邊框和汽車車頂內鈑與a柱、車頂側鈑曲面模型為例總結基於特徵的引數化建模步驟。
關鍵詞：車身覆蓋件；幾何特徵；設計方法
中圖分類號：u 463.82-1文獻標識碼：a
引言在目前的汽車製造領域中，國際上已能通過cad/cam/cae系統的應用與研究實現了cad與cam/cae之間的系統的資料共享。而國內的許多汽車製造企業在這方面還有很大的差距，還在不同程度地使用著傳統的設計圖紙，以三個檢視來描述空間曲線，效率低、誤差大且不利於企業資源的共享。因而通過這些圖紙中給定的幾何特徵資料，運用汽車設計軟體catia建立三維引數化模型，對於車身結構設計、覆蓋件的沖壓模具設計與加工有著重要意義。
本文就如何應用catia針對車身覆蓋件的幾何特徵進行計算機輔助設計展開討論。
1 形狀特徵的定義及分類
在從事車身覆蓋件的設計工作時，我們會發現純幾何曲面是十分抽象的，但是當把特徵應用到覆蓋件的設計中時，就會大大增加車身幾何形體的工程資訊，從而便於計算機對更多的工作進行自動處理，為進一步的基於特徵的引數化建模起到非常關鍵的作用。
相對於管理特徵、材料特徵及技術特徵而言，形狀特徵是特徵的主體，它具有一定的幾何形狀的，是產品資訊的主要攜帶者，具有工程意義和特定的性質。從設計與製造的角度來看，形狀特徵是零件上一組相互關聯的幾何實體所構成的特定形狀，具有特定的設計或製造意義，是與描述零件幾何形狀、尺寸相關的資訊的集合。
根據形狀特徵在構造零件中所起的作用不同，可分為主形狀特徵(簡稱主特徵)和輔助形狀特徵(簡稱輔特徵)兩類。
1．主特徵：主特徵用來構造零件的基本幾何形體。根據其特徵形狀的複雜程度，又分為簡單主特徵和巨集特徵兩類；
(1)簡單主特徵：主要指圓柱體、圓錐體、成形體、長方體、球、楔形體等簡單的基本幾何形體；
(2)巨集特徵：指具有相對固定的結構形狀和加工方法的形狀特徵，其幾何形狀比較複雜，而又不便於進一步細分為其它形狀特徵的組合。巨集特徵的定義可以簡化建模過程，避免各個表面特徵的分別描述，並且能反映出零件的整體結構、設計功能、和製造工藝。
2. 輔特徵：輔特徵是依附於主特徵之上的幾何形狀特徵，是對主特徵的區域性修飾，反映了零件幾何形狀的細微結構。
輔特徵依附於主特徵上，也可依附於另乙個輔特徵。根據輔特徵的特點，將其進一步分為簡單輔特徵、複製特徵和組合特徵。
(1) 簡單輔特徵：指倒角、退刀槽、螺紋等單一特徵，它們可以附加在主特徵上，也可附加在輔特徵上，從而形成不同的幾何形體。
(2) 組合特徵：指由一些簡單輔特徵組合而成的特徵，如中心孔、同軸孔等；
(3) 複製特徵：指由一些同型別輔特徵按一定的規律在空間的不同位置上覆制而成的形狀特徵。
2 車身覆蓋件特徵的描述與設計方法
車身零件有其自身的特點。由於加工壓延性、空氣阻力特性和造型的美觀性要求，車身表面形狀設計越來越多地採用流線型曲面，其中大多數是組合自由曲面；另一方面由於車身零件是高速運動的薄殼件，對強度、剛度和振動特性的要求都很高，許多車身零件上需帶加強筋、加強梁和區域性摺皺。對車身零件的幾何特徵可描述如下：
1 基本特徵：由樣條插值得到的大塊曲面，如風窗、頂蓋和發動機罩等；
2 附加特徵：翻邊、孔、凸台、凹坑、加強筋、加強梁和區域性摺皺以及用於區域性處理、油漆或粘接的區域性曲面區域等；
3 變形特徵：曲面的修改操作；
4 組合特徵：滿足光順性條件的曲面拼接、過渡；
5 總體特徵：如用於加工車身外覆蓋件模具時毛坯下料的車身零件曲面最小包容盒。
在根據幾何特徵來設計車身覆蓋件時，首先要對構成車身覆蓋件曲面的基本機理有所了解，然後從二維圖紙（或是通過逆向反求技術）上獲取曲面的特徵資料點，然後用這些點來生成曲線，最後再構造曲面。按照上述的步驟進行設計時就會涉及到以下幾個問題：
1．如何從已知的圖紙或實物中以簡單合理的方式來劃分各自的特徵組成；
2．以什麼樣的方式根據特徵點來生成曲線才能保證最佳的精度；
3．如何選取構造曲面的方式。
其中尤以第一點為重點，特徵的劃分合理與否直接會影響下面的特徵點的選取，從而對生成的曲線、曲面的精度都會產生很大的影響。
傳統的曲面設計方法一般遵循由點到線、由線到面、由規則曲面到複雜曲面的設計路線，在整個設計過程中各個元素均獨立存在，之間沒有關聯，零件的修改較為困難，難以支援曲面的引數化設計，同時對於已經設計好的曲面，設計人員難以識別曲面的各種特徵和其形成過程。隨著計算機特徵和引數化技術在實體造型廣泛的應用，人們根據實體特徵分類法則歸納出曲面的旋轉、拉伸、放樣、掃略等基本特徵分類法，通過投影、相交、連線、分割、修剪等操作來生成各種曲面特徵曲線和各種曲面輔助特徵。
規則曲面的設計可採用以下分析設計方法：
1）分析出曲面的基本造型特徵；
2）確定曲面零件的基本特徵的二維輪廓截面，在特定平面上設計引數化、全約束的輪廓截面；
3）設計基本造型特徵的軌跡線，當基本造型特徵的軌跡線為空間曲線時，通過設計空間曲線兩個相交平面上的投影曲線合併成為空間曲線的方法形成特徵軌跡線；
4）生成基本造型特徵，以零件的輪廓截面和軌跡線等設計曲面基本造型特徵；
5）分析並設計曲面的輔助特徵，採用各種引數化互相關的操作方法如圓角、修剪、分割等編輯處理基本曲面形成輔助特徵，最終生成目標曲面。
對於複雜曲面，通常將大曲面進行分塊處理，形成每個具有一定基本特徵的曲面片。然後採用和規則曲面同樣的設計方法設計各個分塊曲面片，最後由各個曲面片以及它們之間的切矢和曲率連續性設計各曲面片之間的連續曲面，形成完整曲面。這時曲面零件中各特徵之間的相互關係必須依賴於三維設計軟體自身的引數化設計功能，由軟體本身記錄下每乙個空間元素和對應的父元素之間的關係、各個元素的引數和其間的父子邏輯關聯和尺寸關聯關係。
3 基於幾何特徵的車身覆蓋件引數化建模例項
隨著人們對產品的外形美觀要求提高，曲面造型設計越顯重要。曲面設計可以分為規則曲面和自由曲面造型設計，下面我們結合汽車後風窗玻璃的邊框曲面和汽車a柱上的結點討論曲面設計的一般方法。
對於汽車後風窗玻璃邊框的引數化設計，主要步驟為：
1. 分析邊框的基本造型特徵。
經分析，後風窗邊框在任何垂直於其掃略軌跡線的平面上都具有相同的截面形狀尺寸，是規則曲面，可以選擇掃略特徵為曲面基本造型特徵，掃略曲面的中心軌跡線是乙個空間曲線。
2. 確定曲面零件的基本特徵的二維輪廓截面
經分析，汽車後風窗邊框的軌跡線垂直於xz平面，且該平面與邊框的截面就是曲面的輪廓截面形狀。所以在該平面內設計出曲面的二維輪廓截面，如圖2所示。在二維草圖中仍然應該使用與實體造型中草圖引數化繪製相同的方法，使得曲面的二維草圖相對於座標完全定位，實現平面草圖引數化。
3. 設計基本造型特徵的軌跡線
根據原始資料設計引數化曲面特徵曲線：由風窗邊框位於yz平面上的daylight opening 曲線生成的拉伸曲面（在曲面生成線中有乙個為直線時使用）和掃略曲面所依附的風窗玻璃所在曲面求交線的方法求得掃略曲面的空間軌跡線，如圖3所示。
4. 生成曲面基本造型特徵
運用掃略命令，以位於xz面上的輪廓截面草圖作為掃略曲面的輪廓線，以曲面交線為掃略曲面的軌跡線，生成基本曲面。
5. 分析並設計曲面的輔助特徵
經分析，基本曲面的邊界為銳角，必須使用圓角輔助特徵對其進行邊的修圓；修剪基本曲面多餘部分最終生成符合設計要求的三維引數化曲面。
由於catia v5軟體以特徵的形式記錄了該曲面零件所有幾何元素間的歷史聯絡，因此在修改基本掃略曲面的二維草圖或軌跡線的部分或全部尺寸時，掃略曲面會根據它們的變化自動更新。最終曲面零件的三維檢視和其幾何元素的層次結構如下圖4所示。
綜上所述，對於能夠判別出基本造型特徵的曲面，建立曲面的二維截面引數化草圖輪廓截面和曲面軌跡線，然後使用一定的特徵造型方法，生成基本曲面。其中草圖必須由設計人員實現完全引數化，而那些空間輔助曲線的引數化和各元素父子關係關聯性則可以由軟體自動維護，這樣曲面零件的基本曲面就實現了引數化設計。
又如車頂內鈑曲面引數化設計，從曲面表面看它不具有明確的基本特徵，因為曲面的截面形狀隨著軌跡線不斷變化，而且在其末端它還和汽車的a柱的內鈑、車頂的側邊內鈑相接，形狀較為複雜。
經認真分析該曲面零件的造型特徵和考慮cad設計軟體的造型功能後，將整個曲面分為車頂內鈑、a柱和車頂側鈑三個曲面片。三個曲面片都是規則曲面，可以在不同二維平面中建立全引數化的草圖，車頂內鈑的草圖為圖中右上角紅色的二維截面草圖，a柱的二維截面草圖為左下角綠色二維草圖，車頂側鈑的二維截面草圖為右下角粉紅色的二維草圖，並根據原始設計資料設計出各個曲面的軌跡特徵線，以各自的二維草圖為輪廓線掃略出三個基本曲面。由於該曲面應與a柱內鈑和車頂側鈑結合，所以應對基本曲面作適當的修剪，，如右圖5所示。
總之，大部分曲面零件的設計仍然屬於規則曲面設計的範圍，根據曲面零件的基本特徵為其選擇乙個造型特徵，然後採用修剪和補充等操作最終完成曲面設計。但是對於曲面設計中最富有創造力的自由風格造型來說，目前還是沒有很好的引數化方法使得自由曲面造型能夠隨著某些特徵引數的變化自主改變，但是在以自由曲面作為設計依據的規則曲面設計來說，通過引數化技術使得規則曲面可以自動的跟隨自由造型曲面的變化而改變。
產品引數化模型以零部件的引數化為基礎，其中的關鍵在於通過對產品模型的功能分析建立合理的產品層次結構和裝配模型，保證產品和零部件之間的尺寸協調關係。
4 結語
採用基於幾何特徵的車身覆蓋件cad技術，提高了車身覆蓋件的設計質量，縮短了研製、開發車身的週期，同時也提高了我國車身設計製造的水平，縮小了我國與發達國家在行業上的差距，具有明顯的社會效益，在我國具有廣泛的推廣價值。研究的結果對汽車車身及其相關產品的開發具有一定的指導意義和借鑑作用，具有廣闊的應用前景。
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