CAID在汽车设计中的应用发展研究

专题报告

CAID在汽车设计中的应用发展研究

学生班级： 模具1102班 学生学号： 3110305045 学生姓名： 张欢 任课教师： 王匀

2015年 1 月

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CAID在汽车设计中的应用发展研究

模具1102 张欢 3110305045

摘要:探讨了汽车CAID技术的基本内涵、功能及相对传统汽车造型设计方法的优势,分析了以数字化建模为特点的汽车CAID的基本实现过程,包括用CAID技术建构汽车造型数学模型、借助该数字模型虚拟造型效果和评价造型方案,讨论了汽车CAID过程与结构CAD、车身制表面、计算机辅助空气动力试验、NC 铣床和快速原型系统等之间的数据传输和共享,指出汽车CAID 是汽车造型设计发展的必然趋势。

关键词：CAID、汽车造型设计、数字模型、虚拟建模

引言：CAID 即计算机辅助工业设计技术一直在不断的发展，企业应用CAID 技术提高企业的设计效率、优化设计方案、缩短设计周期、提升设计质量。CAID 技术对汽车造型设计的开展过程和表现方式产生了重大影响。工业发达国家运用CAD/ CAM技术进行车身设计开发已有30 年历史。但在汽车造型设计方面,仅从80 年代后期开始,国外一些汽车公司开始采用计算机辅助方法, 进行汽车造型设计及其动画技术研究。法国雷诺公司以数字化建模和视频动画技术,于1991 年在法兰克福国际车展上展示了“Scenic”车型, 1993 年展示了“Raccoon”车型,

[1]1994 年展示了“Ludo”和“Modus”车型。在国内, 东风公司(SGI工作站上运用

Alias wavefront和Pro/DESIGNER)、长春汽研所(工作站上运用Euclid3)、重汽公司(VAX400工作站上运用BRAVO[2])、武汉汽车工业大学虚拟工程研究所(微机上运用SolidWorks[3])等单位应用汽车CAID技术进行汽车产品开发。但总体而言, 我国汽车企业主要仍采用传统的汽车造型设计和建模方法。

1、CAID技术及行业发展

1、1 CAID技术

CAID（Computer Aided Industrial Design计算机辅助工业设计）技术是工业设计理论和CAD技术的结合。CAID技术的应用提高了从设计到生产制造所需的时间。工业设计的整个工作流程一般包括:接受项目、制定计划，市场调研、提出概念，设计构思、方案选定、优化方案，深入设计、模型制作，样机制作，设计展示、综合评价。在整个过程中，从设计构思到综合评价都应用了计算机辅助设计，成为应用CAID技术的主要环节。采用CAID技术设计的数字模型，可以输出数据直接进行快速成型制造，从而减少许多来回繁复的设计过程，缩短产品研发周期，产品的表现力与市场竞争力明显增强。

1、2 CAID行业的发展

CAID行业的两大领导软件是Alias和Icem Surf，行业应用中Alias 往往偏向前期应用，Icem Surf 偏向后期应用。Alias 它包括草图绘制、建模和可视化工具，有效帮助设计团队在开发过程中从草图→建模→评审→修改的各项工作在同

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一软件平台下进行一体化应用，减少工作衔接的障碍，提升设计方案执行的工作效率。ICEM Surf 具有数据更简单、更低的数学阶次的特点，这使它速度更快，曲面之间的配合更好更光滑。结果是成形面的设计时间更短，具有高度的可行性、可制造性。因此ICEM Surf 是非常专业的高级曲面生成软件。2005 年5 月Autodesk（欧特克）公司收购Alias；2007 年6 月Dassault Systemes（ 达索系统）收购ICEM, 意味着CAID 与CAD 软件的进一步整合时代的到来。

2、CAID技术在汽车开发过程中的工作内容

CAID 所制作的数据是产品的外观数据，既是造型的最终递交物，同时也是工程用以制作结构，产品制造生产的表层数据[4]，因此造型数模需要同时满足造型意图，工程条件，制造要求，是每个产品开发项目整合各项要求下达到的最优递交成果，其内容包括：

2、1 体现造型意图

数字设计的首要的工作内容是利用软件工具在软件中塑造三维造型，这也是数模设计软件的基本职能。主要通过逆向设计和正向设计两种形式进行体现。与工程CAD 软件实体建模概念相区别，造型数模设计变现的是外观表面的概念，注重造型的自由变化，主要表现内容可分为线条和型面两部分组成，通过塑造线条和型面在三维空间中各个角度的视觉效果，来体现工业产品设计美感。 2、2满足工程条件

工业产品不是艺术品，因此在CAID设计体现设计意图的同时，需要接受来自总布置，工程，性能，法规，制造等需求，而这些需求通常也是通过三维数据或则典型断面的形式作为条件信息输入给数模设计，如Zoom/Limitcriteria, Typical section, Des Section 等，CAID设计者在软件中加入这些条件信息后，就可以参考这些信息将数模的曲线及型面构建到符合各项要求。

2、3 提升外观质量

CAID的另一项重要职能是实现外观质量优化，这是在产品竞争日趋激烈的今天，外观感知质量的满意度塑造也更加成为产品开发的一项重要内容。外观质量不仅是造型数模的曲线及型面质量，还包括产品各零件装配时的匹配关系，如搭接形式，间隙处理，面差关系，分模线位置等，而这些都和零件生产工艺，最终装配工艺有着密切的联系。

3、汽车CAID 技术的应用方法

3、1 汽车造型虚拟建模

a、传统手工建模。传统汽车造型设计过程可归纳为图1 中外虚线框所示。其特点是手工绘制方案效果图、建模、模型数据测绘等。手工建模(图1中内虚线框)过程中, 通常以可塑性材料(如油泥、硬泡)制作完成外形、内饰模型, 最后进行表面精饰。在一定的精度要求下, 即使是有经验的造型设计人员和模型制作人员协同工作, 也需要较长一段时间才能完成, 而且测绘和转换实物模型曲面数据也需要一段时间。

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图1 传统汽车造型设计系统及其数据流向

b、虚拟建模。传统汽车造型设计(尤其是其中的手工建模)被汽车CAID 所取代,实物模型风洞试验被CAA取代(特别是在早期开发阶段),是一种必然的趋势。在计算机虚拟环境下,构建汽车三维数字模型是汽车造型CAID 的基础,也是车身结构CAD的前提条件。汽车CAID 的内容及过程如图2所示。

图2 汽车CAID 系统及其数据流向

三维曲线生成。方法一是将感性设计数字化, 即将设计师感性的形体创造能力, 转化为软件系统能够识别和处理的矢量化图形。如自动循迹功能,将扫描得到的图像转化成曲线,并利用“透视匹配”功能定位三维透视摄像机,匹配原来的二维透视图草图[5];也可以从三视线图扫描的图像为摹本,在屏幕上画出车身主视图、前视图和俯视图等方向关键轮廓线。这样,饱含设计师感性设计的三视图外形线图,就输入到计算机系统,然后进一步构造所需曲线。另一种方法是直接利用系统多样的曲线生成功能,先通过二维主轮廓线投射出空间曲线, 再进一步构造所需曲线。

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三维曲面的生成及其处理。汽车CAID 通常以NURBS曲面建模为主要方式, 创造与建构三维汽车形体。利用旋转、突伸、蒙皮、界定边界、限界平面、倒角等曲面生成功能,分别构建出不同的曲面和片块[5,6]，并可利用参数控制曲面的曲度。实际上就是设计和塑造汽车造型形体的过程。为了获得平顺的空间形体, 修整单个曲面的光顺性和各个表面之间的过渡性平顺, 通常, 开始时只做对称车身的一半,另一半可通过镜射的方式生成, 并将两者进行平顺化处理,完成整个造型形体的塑造。

3、2 虚拟造型效果及其评价

a、虚拟造型效果。完成数字模型后, 下一步对数字模型进行真实效果模拟和造型评价变得顺理成章。利用系统的相应功能模块, 如SGI公司Alias │wavefront/ DESIGNER、PTC 公司Pro/ DESIGNER、SolidWo rks(其中的PhotoWorks 模块)等软件的材质编辑功能模块, 虚拟外形和内饰造型效果。虚拟环境下, 可方便地考察内部构件造型、材质肌理、色彩运用、结构配合和装配过程等是否统一、得当、和谐、正确;在实物模型中不便实现内外模型合而为一的问题, 也可得到完全解决。还可以通过虚拟设置灯光效果、设定摄像机及其视点和视角、设置环境背景等手段, 利用渲染功能, 可将汽车造型的真实性效果生成出来, 以供硬拷贝输出、评审和网络传输。Alias │wavefront/ DESIGNER 还提供了粗略渲染、光线追踪方式渲染、快速明暗调渲染、快速渲染、运动模糊效果、自然现象(如火、烟、雾、水)模拟、数字模拟光效果等多种选择[5]。

b、虚拟环境下的造型评价。汽车是一种内外造型相关联的特殊审美对象。但实物的外形、内饰模型难以统一在一个模型上, 这在评审过程中割裂了对汽车造型设计应有的完整印象。

虚拟环境下, 内外造型设计可以完全统一在一个三维数字形体模型上。借助汽车CAID 软件的动画功能, 通过设置虚拟摄像机(观察视点)的连续移动路径, 甚至可以模拟借助实物模型无法做到的观察和评估视点,并可将这一完整的、真实感很强的观察过程记录为动画文件。利用数字投影设备,将渲染出的形体透视效果、正视图效果、动画等投射到大屏幕上, 成为实车大小的图像和动画视像, 反复播放, 据此进行造型设计虚拟评估。与内饰、外形分离的手工建模相比, 这就提供了真正统一、完整和真实地评价造型设计的可视化手段和依据。 3、3 数据输入/输出

汽车CAID系统通常支持工业标准的数据格式、范围广泛的外围设备及用户程序,可保证CAID、CAD、CAM 等过程实现数据共享,达到汽车开发过程的多学科集成和从设计到制造的数据集成和开发过程的并行化。①与CAD/CAM系统主要以IGES、DFX 等格式进行数据输入/输出。Alias│wavefront/ DESIGNER 进行数据输入/ 输出支持的数据格式更有IGES、VDA/FS、VDA/IS 、DES、JAMA IS、Pro/ENGINEER、DXF等多种,还专为如下软件设有IGES数据接口:CATIA®、Pro/ ENGINEER®、IDEASTM 、UNIGRAPHICS。②数字模型也可以传到快速原型(RP)系统。③模型数据传输到NC 铣床,设计加工路径后,可直接铣削油泥、硬泡或石膏模型。④用户可以自己开发程序作为插件,并可将其集成到界面中去,也可以编写程序对数字模型进行操作。如Alias│wavefront/DESIGNER的OpenAlias 和OpenModel模块;⑤支持扫描仪、打印机、绘图仪、视频I/O ,甚至电影摄像机等外部设备。

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