CATIA曲面造型技術在汽車產品設計中的應用

摘 要：本文簡要介紹CATIA曲面造型技術的主要功能以及汽車產品設計的特點，結合排氣歧管設計實例探討了CATIA曲面 造型設計的方法和要點。

關鍵詞：CAD； 曲面造型； 汽車設計

中圖分類號：TH391172？ 文獻標識碼：B 文章編號：1006-3315（2016）02-185-001

1.CATIA是由法國Dassault公司開發的大型CAD CAM應用軟件，后被美國的IBM公司收購。

該軟件運行于IBM的工作站上，驅動系統為VM CMS。與UG、EUCLID相比，該軟件在曲面造型方面具有獨特的優勢，因而廣泛應用于航天、汽車等行業的復雜曲面造型設計中。汽車產品設計中很大部分零部件是由一系列復雜的空間曲面構成的，這些曲面是由不同曲率的空間曲面相互連接而成，這種連接既要滿足零件功能、結構的要求，又要光滑過渡，達到平順、和諧的效果。CATIA軟件的曲面造型技術為這類零部件的設計提供了先進、方便、快捷的手段，使汽車的設計更趨完美，設計周期越來越短，極大地提高了汽車開發效率。CATIA曲面造型原理與方法211曲面造型原理樣條曲面任意空間曲面可以看作是無數點的集合。在V方向任意截面上選擇M+1個點為特征頂點，用最小二乘積逼近方法可生成一條曲線，該曲線即為B樣條曲線。

同樣，在V方向的不同截面上可生成一組（N+1）條B樣條曲線。用同樣的方法在U方向的不同截面也生成一組（M+1）條B樣條曲線。兩組B樣條曲線的直積可求得B樣條曲面。該曲面即為我們要描述的任意復雜空間曲面。其數學表達式為：P（U，V）=2ni=02m j=0PijN ik （u）N j1 （V）[1]B樣條曲線特征頂點越多、樣條曲線數量越多，B樣條曲面與實際曲面越接近，但同時計算量也越大[2]。CATIA曲面造型的原理就是基于上述曲面數學模型來描述任意空間曲面。在汽車產品設計中，一般采用B樣條曲面為雙三次B樣條曲面。212 CATIA主要曲面造型方法35，1999年第3期機械開發 Ξ收稿日期：1999-06-27 CATIA曲面造型技術主要有規則曲面造型和復雜曲面造型兩種。規則曲面造型，如柱面、球面、管面由旋轉、拉伸等方式生成，相對簡單，此處不作介紹；復雜曲面的造型設計是產品設計中的難點和重點。

CATIA軟件中復雜曲面造型即SURF2、FREEFORMDESIGN、PATCH、NET等功能提供了十幾種曲面造型方法，根據其曲面構造的方式，分為以下幾類：

（1）掃描曲面：發生線沿“脊線”運動掃過形成的曲面。

（2）截面驅動曲面：控制各截面形狀面積，按“脊線”運動形成的曲面。

（3）連接曲面：以確定的控制線對兩個曲面倒圓形成的曲面。

（4）填充曲面：在已有的曲面圍成的區域的空白處填充形成的曲面。

（5）網格曲面：由一系列縱橫交錯的曲線逼近形成的曲面。

（6）規律描述曲面：對構成曲面的某一特征量如角度、半徑、面積等按定義的規律變化形成的曲面。

（7）布爾運算曲面：對幾個曲面的布爾運算形成的曲面。

復雜曲面造型是以不同曲線、曲面及各種邊界為約束條件，由一組曲線按一定的規律運動和變化產生的。曲面的質量即曲面的光順性取決于曲線的光順性，因此構造高質量的曲面，必須先 構造高質量的曲線。CATIA提供了REFLECT、COMBINE，PROP等生成光順曲線的強大功能。通過光順處理的曲線構造出的光順曲面還可進一步借助于曲面上光著色等方法進行檢驗、修正，使之達到更滿意的效果。曲面造型設計流程CATIA曲面造型設計流程框圖：零部件結構、功能分析和曲面分解、選擇造型方法、進行獨立曲面的造型設計、獨立曲面質量評價曲面組合、形成整體曲面評價。

下面結合汽車排氣歧管的設計，討論CATIA復雜曲面造型的過程和各步驟要點。為要求完成的排氣歧管。具體設計時，應結合排氣歧管的功能和結構要求進行，步驟如下：

（1）零件分析、曲面分解。按零部件的功能和結構要求對零件進行分析，將構成零部件整體的曲面分解為基本曲面和過渡曲面?；厩鏋樾纬闪悴考饕喞那?，過渡曲面為配合面或結合面。排氣歧管整體曲面劃分為4個基本曲面1～4和一個過渡曲面5，在曲面分解時，應使分解的曲面數量盡可能少。

（2）曲面的設計。首先，根據功能的要求及結構的特點，選擇正確的曲面設計方法。45機械開發1999年第3期曲面約束曲線，其次，按曲面造型方法的要求，構造“脊線”和其他約束曲線。“脊線”為曲面造型的方向約束線，其他約束線指形狀約束線和邊界條件。確定約束條件時應注意：①“脊線”應比要生成的曲面長些，以保證生成的曲面足夠大；②“脊線”盡量與其他約束線平行，生成曲面的質量較好；③通過“脊線”上任何位置的法線與其他約束曲線的交點不應多于2個。對這類封閉型管狀零件，可選其分模面與斷面的交點來生成約束線。對生成的各種約束曲線進行評價，滿意后，用SURF2、NURBS等功能即可構建曲面。

（3）曲面質量評價對生成的單個曲面進行簡單的上光著色檢查，確認生成的曲面平滑、無扭曲變形。

（4）曲面組合，構造零部件整體曲面將前述生成的曲面兩兩連接為一個整體。曲面連接時利用生成的曲面的邊界，用SURF2+FILLET功能作變半徑倒圓，實現曲面3與曲面4的光滑連接，。

（5）曲面整體的評價。光順的獨立曲面連接并不能保證一定能生成光順的整體曲面，因而對整體曲面的評價是保證設計零件光順的重要一步。CATIA曲面造型技術應用于汽車零件復雜曲面造型設計中，使設計過程簡化、快捷、精確，縮短了產品開發周期。