第3章车身三维建模技术

•主要内容：•第3章车身三维建模技术•线性模型、表面模型和实体模型的建模方法•车身CAD的曲面模型与实体模型•车身覆盖件的几何建模第3章车身三维建模技术随着计算机技术的发展，从二维着手进行设计的传统方法已不能适应生产的需要。当前利用计算机进行产品设计的趋势是从三维入手，在三维空间中建立物体的模型，可以提高模型的真实感，便于观察和分析复杂形体的结构。通过显示控制来观察这些模型的立体效果，并对模型的结构和造型进行修改，直到满意。这更符合人的视觉和思维习惯，是计算机辅助产品设计的主要方法。利用计算机进行三维建模,是通过对点、线、面、体等几何元素进行平移、旋转、变化等几何变换和交、并、差等集合运算，而产生实际的或想象的物体模型。计算机辅助汽车造型设计的工作对象绝大多数是三维的。用计算机处理三维形体，须把三维形体描述成计算机认知的内部模型，这个过程称为建模。目前大多数CAD、CAGD、系统采用的建模方法是几何建模和特征建模。3.1线性模型、表面模型和实体模型的建模方法几何建模是指形体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息基础上的建模方法。几何信息一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小。而拓扑信息是指形体各分量的数目及相互间的联接关系。具体说,几何信息包括有关点、线、面、体的信息,这些信息可以用几何分量方式表示。如：三维空间中一个点可用其坐标值（x,y,z)表示，一个平面可用方程式Ax+By+Cz+D=0来表示。但是,通常形体仅用几何信息表达是不充分的，必须同时给出拓扑信息，用以表达形体中的点、线、面、体之间的相互联接关系。根据拓扑描述方法以及存储的几何信息和拓扑信息的不同，可将三维几何建模技术分为三种类型：线框建模、表面建模、实体建模。由于这三种模型所包含的信息量(特别是拓扑关系)不同,因此对模型的进一步加工会有所不同,例如,对模型的剖面表示,线框模型和表面模型几乎无能为力,而实体模型却较易做到,并允许进行组合运算;线框模型不能进行消隐和着色渲染,而表面模型和实体模型则可进行此类操作。3.1.1线框建模(WireframeModeling)线框建模是最早用来表示形体的建模方法,至今仍在广泛应用。它利用基本元素(点、直线、圆弧、曲线)构成立体框架图来描述形体,也就是说,线框模型表示的是物体的棱边。线框模型具有数据结构简单、对硬件要求不高、易于理解和掌握等特点，是表面模型和实体模型的基础。但它也存在着严重的缺陷,这种模型给出的不是连续的几何信息(只有顶点和棱边),不能明确地定义给定点与形体之间的关系,不能实际定义三维表面。由于线框模型的信息量很少,因此这种模型很容易产生多义性。线框模型表现物体的棱线，由点，直线和曲线组成开发于60年代。1.线框模型的计算机表示线框模型在计算机内部是以边表和点表来表达和存储的,实际的三维物体是边表和点表相应的三维映像。如图所示的立方体线框模型。计算机自动实现视图变换和空间尺寸协调。2.线框模型的优缺点优点：构造模型时操作简单，处理速度快且占用内存少。适用于设计构思建立设计图的总体空间位置关系及图形的动态交互显示。缺点：（1）由于线框模型的表示过于简单，用来表示一个真实物体的约束条件不够充分。(2)线框模型存多义性问题。一个线框模型也可能理解成多个实际物体。3.1.2表面建模（SurfaceModeling）表面建模是通过对物体各表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。这种方法主要适用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体。因此,这种建模方法特别适用于进行机电产品造型设计、服装款式设计、自然景物模拟等。1．表面模型。表面模型是最普通的三维模型。它是用三维空间中的有向棱边围成的部分来定义形体表面,由面的集合来定义形体，模型就像一个被表面形状包起来的一层空壳,只有表面特征,不包含组成实体的材料和物理特性数据。表面模型是在线框模型的基础上，增加有关面边信息以及表面特征、棱边的连接方向等内容。因此可以对表面模型进行消隐、渲染、计算表面积、生成刀具轨迹等操作。轿车的表面模型2.常用的参数曲面表面建模中的重点是曲面造型。曲面在汽车、飞机、造船、家电、建筑物、玩具等多种产品和工程设计以及影视、动画的制作中有着广泛的应用。目前CAD、CAGD、CAID系统中流行最广的参数曲面有:孔斯(Coons)曲面、贝齐尔(Bezier)曲面、B样条(B-Spline)曲面、非均匀有理B样条(NURBS)曲面等。(1)规则曲面。规则曲面不是任意曲面，它可以用数学方程精确地描述出来。通常采用向量形式的参数r(u，w)来表示规则曲面。AutoCAD中所能生成的规则曲面有：直纹曲面、板条曲面、旋转曲面等。(2)自由曲面自由曲面是指不能用基本立体要素(如棱柱、棱锥、球、一般回转体等)描述的呈自然形状的任意曲面，这种曲面必须根据空间自由曲线和自由曲面的理论进行计算。一些复杂的物体表面都是自由曲面。AutoCAD目前支持以下三种在工程上常用的自由曲面：1)二次(双平方)B样条曲面；2)三次(双立方)B样条曲面；3)Bezier曲面曲面生成方式•通过一条或多条曲线构造曲面•由位于矩形网格的一组输入点（控制顶点）构造曲面。Bezier曲面，B样条曲面。•通过插值其他曲面构造曲面圆角曲面：为两个曲面间的过渡曲面。•组合曲面（CompositeSurfaces）是由曲面片拼合成的复杂曲面。将整张复杂曲面分解为若干曲面片，每张曲面片由满足给定边界约束的方程表示。采用这种技术任何复杂曲面都可以由定义完善的曲面片拼合而成。表面模型优点：能构造汽车、飞机、船舶等非常复杂的物体；可以实现消隐、生产明暗图、计算表面积、生成表面数控刀具轨迹及有限元网格。表面模型缺点：操作复杂，需要具备一定的曲面造型知识；缺乏面与体的关系不能区分体内与体外，无体内和体外的信息，适于描述物体的外壳。3.1.3实体建模（SolidModeling）实体建模是以基本实体体素(如立方体、圆柱体、圆锥体、球体等)采用并、交、差等组合运算(或称布尔运算)来构成三维物体的一种建模方法。实体建模不仅定义了形体的表面，还定义了形体的内部形状，使形体的物质特性得到了正确的描述。因此，实体模型是唯一能用来做工程分析的模型。它看起来与线框模型与表面模型相似，但包含了模型实体的体积、材料、重量等物理特性数据，而且还能将构成实体模型的数据生成NC代码。目前常用的实体造型方法主要有如下三种：1.几何体素构造法（ConstructiveSolidGeometry,CSG）:是一种造型方法的专用术语。这种方法把复杂的实体定义为较简单实体体素的组合。CSG构造法与机械装配的方式类似,先定义体素,再通过布尔运算将体素拼合几何体。•集合的交、并、差运算•简单实体的构造CSG法的优缺点优点：1）用CSG法表示复杂实体非常简明，可惟一定义物体；2）CSG法所表示实体的有效性是由体素的有效性和集合运算的正则性自动得到保证；3）CSG法描述物体紧凑，体素种类越多，CSG法所定义的实体的覆盖域越宽；4）大多数实体造型系统作为用户输入手段。缺点：1）CSG树只定义了物体的构成体素及构成方式，没有反应物体的面，边，顶点等有关信息，因此这种数据结构称为“不可计算的”；2）当真正进行物体的拼合运算并最终显示物体时，还需要CSG树数据结构转换为边界表示的数据结构。2.边界表示法（Boundary-representations，B-rep）:是以物体边界为基础,定义和描述几何形体的方法.这种方法使用面、环、边、点来定义形体的位置和形状.原理：每个物体都由有限个面构成，每个面由有限条边围成的有限个封闭域定义。有效表面条件：封闭、有向、不自交、有限和相连接并能区分实体边界内、边界外和边界上的点。比如说,一个长方体由六个面围成,对应有六个封闭环,每个环由四条边界定义,每条边又由两个端点定义。优点：记录三维形体所有几何元素的几何信息和拓扑信息；表示的实体不存在二义性；缺点：存储量大，不能反映形体的构造过程。3．扫描表示法（SweepRepresentation，SR）:SR法是建立在沿某一轨迹移动一个点、一条曲线或一个曲面的想法之上的。由这个过程所产生的那些点的轨迹定义一维、二维或三维的形体。采用扫描法进行实体造型,需要两个要素,即被移动的形体和移动该形体的轨迹。这个形体可以是一条曲线,或是一个曲面,还可能是一个实体。而轨迹是可解析定义的路径。常用的扫描方法有:平移扫描法和旋转扫描法。（1）平移扫描法是一种沿空间某一轨迹移动某物体从而定义新物体的方法。平扫体矢量数学模型为：'rrln=+?式中：：平移图形的矢量函数（面）；：扫描后图形的矢量函数（体）；：扫描方向；：扫描距离。r'rnl（3）旋转扫描法把一个区域绕某一轴线旋转来定义新物体，一般称为旋转体。旋转体的矢量数学模型为：'iirrRn=+?r'r式中：：旋转轴矢量；：母线上各顶点的旋转半径；：旋转单位圆对应的位置矢量；：回转体相应点的位置矢量。iniR3.1.4特征建模(FeatureModeling)自20世纪80年代以来,为了满足CIMS技术发展的需要,国内外学者一直在研究更完整地描述产品几何体的实体造型技术,这就是特征造型技术。将特征概念引入几何造型系统,可以增加实体几何的工程意义。由于特征概念的引入,出现了产品特征模型。1.特征的定义：特征是与产品描述相关的信息集合，产品的特征描述是指其设计和制造等方面的信息。用特征描述的产品信息模型具有形态、材料、功能、规则和约束等内容的描述，而且这些描述是可以量化的。由于特征造型技术是一门新兴的技术,因而对于特征本身还缺少一个明确的形式化定义。总之，特征是一组具有特定属性的实体,是在设计、加工、装配等过程中进行推理所需要的关于零件形状和其他属性的信息集合,反映了一个实际产品或零部件的特定几何形状和特定加工的功能要求。2.特征的分类常用的特征信息主要包括以下几类：1)形状特征:描述一定工程意义的功能几何形状信息。包括零件的几何尺寸和立体形状结构（如轴类、箱体类等）及辅助结构（如倒角、键槽等）；2)精度特征:描述零件的形状位置、尺寸和表面粗糙度等。3)材料特征:描述零件的材料、条件和热处理方式等。4)装配特征:描述零件在装配过程中需要使用的信息,如产品中各零件之间的配合与配合关系、连接关系、装配尺寸链；5)技术特征:描述零件的功能和性能参数等；6)管理特征:描述零件的管理信息,如产品的批量、设计过程管理、设计审核等。3.基于特征的设计系统特征造型系统必须建立在通用几何造型系统的平台上，具备线框、表面和实体混合建模的能力，同时针对某些专业应用领域的需要，配置特征库。特征库中的各种特征是从具体应用中抽象和总结出来的。在设计过程中，每次从特征库中调出特征，并给出该特征的尺寸、位置参数和各种属性，实时生成需要的三维形体。特征造型系统中有两种模型,一种是实体模型,用于图形的显示和物体的计算分析等；另一种是特征模型,用于记录特征参数等。目前在CAD/CAM领域中较有影响的基于特征的参数化设计系统主要有：ParametricTech公司的Pro/Engineer、CV公司的CADDS5、SDRC公司的I-DEAS、Dassault公司的CATIA、UnigraphicsSolutions公司的SolidEdge、Autodesk公司的MDT等。3.2车身CAD的曲面模型与实体模型1.车身CAD建模的步骤车身CAD建模主要指车身曲面建模和车身实体建模，步骤如下：1）造型的前期准备：收集同类型造型资料和相关总布置资料等；2）二维效果图：造型创意的图面表达，是初步造型方案的评审依据；3）车身CAD三维曲面造型：是造型效果的数字化体现，是进一步结构设计和空气动力学分析的基础，造型方案确定；4）实体结构设计：曲面模型，结构设计和工程分析；5）实物模型：快速原型技术或NC加工制作实物造型。2.车身CAD曲面模型车身曲面建模过程中，需要造型设计师和工程师通力合作，使得造型设计师的设计创意图能够在数学模型上得到充分的体现，并能够有很好的制造工艺保证。车身曲面建模的一