面向輪胎3D花紋的語義建模方法

董玉德　宋忠輝　張榮團　白蘇誠　張方亮　劉彥超

1.合肥工業大學,合肥,230009　2.佳通輪胎(中國)研發中心,合肥,230601

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面向輪胎3D花紋的語義建模方法

董玉德1宋忠輝1張榮團1白蘇誠2張方亮2劉彥超2

1.合肥工業大學,合肥,2300092.佳通輪胎(中國)研發中心,合肥,230601

針對以幾何特征為主導的建模方式會造成輪胎3D花紋模型創建操作繁瑣、設計信息表達分散且不完備的問題，提出了以語義為主導的3D建模方法。該方法是在花紋設計的應用理論及實用技術探討和研究的基礎上，將理論設計中的花紋溝、裝飾品及交匯特征的結構抽象分解得到輪胎花紋語義單元，從而構建花紋語義模型庫和結構設計知識庫。在此基礎上引入輪胎節距信息，實現了輪胎花紋從概念設計到裝配設計的層次化、系統化、形式化表達。最后，以CATIA/CAA為開發平臺引入基于特征的建模技術,開發出語義級輪胎3D花紋設計系統。實例分析結果表明，該系統適用于多種類型的輪胎花紋建模，提高了CAD技術對設計信息表述的支持能力，增強了產品建模的自動化水平,有效地減少了設計人員的重復性工作，縮短了研發周期。

輪胎花紋;工程語義;語義單元; 計算機輔助設計

0　引言

輪胎花紋作為車輛與地面直接接觸的部位[1]，其設計質量直接影響輪胎的牽引力[2]、側向力[3]、耐磨性、排水性[4-5]以及噪聲[6]等，關系到駕駛的安全性和乘坐的舒適性。由于輪胎花紋的復雜性及表面的雙曲率特性，輪胎的3D建模一般從二維設計開始[7]，即根據輪胎花紋結構及加工要求等信息，在AutoCAD等二維軟件環境下設計；然后將設計完成的二維花紋導入到CATIA、Creo等三維軟件，通過二維曲線到三維輪胎表面的映射獲得三維曲線；最后利用三維曲線繪制3D花紋，完成3D花紋建模。該建模過程需要大量的重復性操作，尤其是花紋溝側壁的生成及輪胎各節距之間的裝配[8]，嚴重影響了輪胎企業研發新產品的效率。

為解決通用CAD軟件中因缺乏輪胎行業專業知識而造成建模人員的大量繁瑣的操作問題，提高輪胎企業的研發效率，國內外學者借助計算機對輪胎設計進行了諸多研究。胡萌[9]對花紋進行拆分設計，并基于UGNX4.0平臺開發了面向電極的輪胎三維花紋專用CAD系統。郝泳濤等[10]在提出自動化智能輪胎設計概念的基礎上，基于CATIA三維造型平臺和自動化語言VBA二次開發工具，開發了CAD三維輪胎數字化模型系統。朱茂桃等[11]通過將胎面花紋的特征參數提取存入Excel中，再通過調用Excel中參數實現胎面花紋的快速設計。Chu等[12]在分析輪胎及其花紋特點的基礎上,借助于CATIA提供的CAA-RADE開發工具,實現了輪胎三維花紋的快速化設計。田敬華等[13]通過建立縱向輪胎花紋的3D數學模型,實現了任何一種縱向輪胎花紋的設計。結合以上研究者使用的方法和手段，本課題組將語義學中的相關知識信息應用于花紋建模，提出以語義單元為基本特征進行輪胎花紋建模設計,代替通用CAD軟件以點、線、面、體等幾何特征為主導進行的設計，從而使創建的輪胎CAD模型在表達設計信息時具有圖形關聯性和專業關聯性，以便用戶理解設計信息。

根據以上理論，本文首先在對輪胎花紋進行特征分類的基礎上進行語義單元的劃分。然后以CAA對CATIA的二次開發為平臺，借助面向對象技術將輪胎花紋結構圖形對象的內在關聯屬性與各圖形對象之間的專業關聯屬性進行歸一與封裝，從而實現各模塊的獨立性。最后借助程序設計將繁雜的輪胎3D建模過程進行程序組合，實現以尺寸為驅動、具有自動生成功能的3D輪胎花紋創建。從而形成了一套基于語義的輪胎3D花紋建模專用系統。

1　花紋語義模型的創建

1.1花紋語義單元的概念

在語義學中，語義定義為具有一定意義的代表其他事物的東西，由形式和意義組成，本身是某一種概念或意象的載體[14-17]。輪胎花紋語義可認為是對輪胎3D花紋設計過程中數據符號的解釋，應該包含輪胎3D花紋的完整描述，保證造型過程的信息流無差錯傳遞。因此，輪胎3D花紋的設計過程可視為將設計語義進行實例化的過程，輪胎花紋語義單元的概念定義如下:具有一定功能的花紋結構單元，根據輪胎花紋的拓撲特征、形狀特征、尺寸特征等，將描述同一特征的點、線、圓、圓弧等圖素和尺寸、約束信息等加以組合抽象而成。

1.2花紋語義單元劃分

為使輪胎花紋語義單元劃分清晰，首先根據輪胎花紋的設計知識將花紋分為花紋溝特征、裝飾品特征和交匯特征三大特征類，然后再進行輪胎花紋單元劃分。

花紋語義是以花紋構造知識為主載體，在整個輪胎花紋設計的各階段傳遞構造信息。花紋語義單元定義的提出，取代了傳統設計中的普通曲面，成為設計中的最小單元。這個最小單元包含信息量的大小與對花紋語義單元劃分的細化程度有重要關系[18]。為準確劃分語義單元,避免分化過細造成建模過程中信息感知較差和過粗導致的細節表達不清晰的問題，結合輪胎花紋結構和功能的相關知識，提出花紋語義單元的確立原則[19]:

(1)語義單元能夠形式化描述特定輪胎花紋結構，且具有一定功能含義；

(2)語義單元需包含輪胎花紋中特定結構中的全部幾何要素，實現對結構相近或功能相似的幾何形狀的抽象表示；

(3)語義單元內部各元素之間聯系緊密，具有高內聚性，而不同語義單元之間相對獨立，具有低耦合度；

(4)語義單元能適應輪胎花紋設計過程中不同階段的需要，貫穿花紋構思到實現的整個過程。

1.2.1花紋溝特征語義單元的劃分

花紋溝是由側壁曲面、溝底曲面及側壁與溝底的倒角曲面等特征組合并通過一定形式約束而成的。根據花紋語義單元的確立原則花紋溝特征可劃分為以下語義單元。

(1)花紋溝斷面形狀語義單元。輪胎花紋溝斷面形狀決定輪胎的牽引力、自潔性和花紋溝是否容易裂口損壞等，按照其斷面層數可描述為一層溝、兩層溝和三層溝[20]。一層溝也稱普通花紋溝，其側壁經過一次掃掠得到。如圖1a所示，一層溝一般又可分為兩種形狀，即U形和V形。二層溝通過一次中間曲面過渡，掃描兩次得到。三層溝經過兩次中間曲面過渡，掃描三次得到。其中垂直于胎面的直線和側壁生成的傾角α為關鍵參數，如圖1b所示。

(a)一層花紋溝

(b)多層花紋溝圖1　花紋溝類型

(2)偏移面語義單元。在多層花紋溝的設計中，涉及花紋溝偏移情況。當花紋溝不偏移時，兩層花紋溝曲面直接相連，而偏移是指在兩層花紋曲面之間通過一小段偏移曲面相連，具體如圖2所示。

(a)有偏移　　　　(b)無偏移圖2　花紋溝偏移

(3)花紋溝底面倒角語義單元。花紋溝底面倒角具有減小花紋溝底面應力、減小溝底裂紋等作用。按照底面倒角情況可分為無倒角花紋溝和有倒角花紋溝，根據倒角類型不同，有倒角花紋溝又可分為全圓弧倒角和兩側倒角。具體如圖3所示。

(a)全圓弧倒角　　　(b)兩側倒角圖3　花紋溝倒角類型

(4)引導曲線數目語義單元。花紋的引導曲線決定胎面花紋走向，亦決定花紋側面數量。根據花紋溝引導曲線數目的不同，花紋的引導曲線分為單曲線花紋溝和多曲線花紋溝。多曲線花紋溝即花紋溝引導曲線由多條連續線段組成，具體如圖4所示。

(a)兩側單一引導曲線　　(b)兩側多條引導曲線圖4　花紋引導曲線數目

將以上花紋溝特征進行整合分析，可得到以下花紋溝語義單元類型，見表1。

表1　花紋語義單元類型劃分

注：“—”表示可以包含該特征但并未包含；“√”表示包含該特征；“×”表示不會出現該特征。

1.2.2裝飾品特征

輪胎花紋裝飾品是除主花紋溝以外的輪胎表面其他各種形狀的溝槽或凸起的總稱，包括簡單鋼片、復雜鋼片、溝底凸臺、磨耗標記、胎邊文字等，其中鋼片是胎面花紋中存在數目較多、結構最復雜的裝飾品。根據花紋語義單元的確立原則對鋼片的結構與功能信息進行分析、提取與整合，可得到鋼片特征的拆解方案，見表2、表3。

通過對上述對鋼片特征語義信息的分析與提取，鋼片花紋可歸納為三個基本語義單元，即等深簡單鋼片語義單元、臺階性鋼片語義單元、修飾鋼片單元，見表4。經過這三種鋼片語義單元的組合，可以構成大部分類型的鋼片特征。

表2　鋼片語義信息分解(一)

表3　鋼片語義信息分解(二)

表4　裝飾品語義單元類型劃分

1.2.3交匯特征

在胎面花紋及裝飾品造型過程中, 經常出現花紋溝與裝飾品相交的情況，為獲得相互貫通的胎面花紋，需要對花紋溝與裝飾品之間連接的多余部分進行修剪處理，稱為交匯處理。如圖5所示，每種情況按照交匯方式分為T形交匯、X形交匯、V形交匯三種。

圖5　交匯特征

將上述交匯信息與花紋特征進行組合，得到各交匯語義單元類型，見表5。

表5　交匯語義單元類型劃分

1.3語義單元封裝

對劃分后語義單元歸納總結，可得到圖6所示的花紋語義單元類型，這些花紋語義單元類型作為花紋設計的最基本單元，通過組合調用可以構成各種類型的輪胎花紋。

圖6　輪胎花紋語義單元

為了確保各花紋語義單元的完整性與獨立性，將語義單元信息采用面向對象[21]類的結構進行封裝，形成的花紋溝語義類、裝飾品語義類、交匯語義類可轉化為屬性列表和方法列表進行描述[22]。

1.3.1花紋溝語義類

如圖7所示，花紋溝結構主要由溝側壁曲面、溝底面和倒角組成，溝側壁曲面通過花紋引導曲線以及相關控制參數如支持面、掃描角度等掃描生成，溝底面通過溝壁面分割溝底支持面得到。其中一層溝經過一次掃描得到；二層溝通過一次中間曲面過渡，掃描兩次得到；三層溝經過兩次中間曲面過渡，掃描三次得到。將上述信息以類的形式進行封裝, 得到花紋溝類，具體見表6。

圖7　花紋溝語義元素

屬性列表方法列表花紋溝標識符花紋溝類型引導曲線控制面信息一層溝二層溝曲面掃描角度曲面掃描深度倒角類型倒角半徑偏移偏移不偏移(1)Sweep函數實現曲面掃面生成;(2)Fillet函數實現倒角特征;(3)曲面組合修剪輸出花紋溝。

1.3.2裝飾品語義類

花紋裝飾品即輔助花紋，包括鋼片、溝底凸臺、磨耗標記等，鋼片又包括簡單鋼片、臺階型鋼片、修飾型鋼片三種，大部分復雜鋼片可視為由這三種鋼片組合而成。裝飾品花紋雖然結構各不相同，但經過總結與結構分析發現，這些花紋基本上都是由引導曲線或輪廓曲線通過掃描、拉伸、加厚等實現，其中簡單鋼片通過中心線掃描生成曲面，再將曲面加厚得到鋼片特征；溝底凸臺、磨損標記等形狀較簡單，通過選取不同的輪廓曲線，掃描拉伸即可獲得所需特征，具體見表7。

表7　裝飾品語義類的封裝

1.3.3交匯語義類

花紋的交匯處理即去除相交花紋單元間的多余曲面，實現花紋單元的貫通，主要包括花紋溝之間交匯處理、鋼片間交匯處理、花紋溝與鋼片間交匯處理三大類，交匯類型有T形、V形、X形三種交匯方式。交匯過程中，使用曲面間的交線對面進行分割，保留需要的曲面。具體見表8。

表8　交匯語義類的封裝

1.4封裝語義單元類的通信

通過花紋語義單元的封裝形成的花紋語義類，包含輪胎花紋幾何元素的數字化信息與設計信息的融合。這些封裝的花紋語義類之間的通信，采用各個語義類方法屬性設定的方式進行，從而形成具有一定層次性和系統性的花紋語義模型庫和結構設計庫；而與外部的通信則采用面向組件的COM技術Query-Interface接口的方式，構建該封裝語義單元的無縫鏈接機制。然后利用RADE(rapid application development environment)工具及應用程序接口API(application programming interface)實現花紋語義單元與CATIA平臺的通信，完成輪胎花紋設計信息的實例化表達。花紋語義類通信過程如圖8所示。

圖8　花紋語義類通信過程

2　輪胎3D花紋CAD系統開發

輪胎3D花紋CAD系統的開發是采用模塊化[23]結構體系進行程序設計的，即將輪胎花紋的語義元素組合在一起，構成一個具有特定造型功能的子模塊，再將此子模塊與其他輪胎花紋語義單元的子模塊組合構成整個系統模塊，進而設計不同結構與不同功能的復雜輪胎花紋。

2.1總體結構

由輪胎花紋語義模型的創建及對其相關結構信息與功能信息提取、歸納與整合，該系統可劃分為三個主要語義設計模塊，即花紋溝模塊、裝飾品模塊、交匯處理模塊。其次，為了提高輪胎花紋節距的裝配效率，結合輪胎花紋的設計信息，增設花紋節距裝配模塊。系統的總體模塊結構如圖9所示。

圖9　系統模塊化設計總體結構

首先對各模塊工具條進行簡要介紹并以花紋溝模塊的一層花紋溝設計單元為例對模塊創建程序進行介紹，最后對輔助設計模塊作簡要的概述。其他花紋溝的程序設計方法基本類似。

2.2花紋溝模塊

花紋溝模塊所包含的語義單元包括一層花紋溝、兩層花紋溝、三層花紋溝、多曲線花紋溝以及胎肩花紋溝等。其模塊工具條如圖10所示。

圖10　花紋溝語義設計模塊工具條

一層花紋溝的設計首先通過將引導曲線掃描形成側壁曲面，再通過對側壁曲面與溝底控制面面分割并倒角獲取溝底曲面。運用編程方法，可通過以下幾個步驟實現一層花紋溝的設計過程。

2.2.1曲面掃描

CATIA中曲面掃面方法是通過輸入引導曲線、掃描控制面、掃描角度、深度等參數獲取。在花紋曲面獲取過程中，為保證花紋溝之間的互相貫通，方便花紋溝之間的交匯處理，首先需要對引導曲線進行延伸，要求生成的花紋溝曲面之間不能存在縫隙；其次為保證花紋溝側壁曲面與溝底之間無縫結合，要求側壁必須穿透溝底控制面，并通過溝底控制面位置自動控制掃描深度，生成掃描曲面。具體實現過程如下。

(1)掃描引導曲線延伸。通過函數GetAll-Cells()獲取引導曲線上所有的點，并將這些點記錄到點集內，通過最小距離函數CATCreate-DistanceMinTopo()獲取所有點中到點集最近的點，將得到的這個點記為所要延伸的端點。然后調用函數CATCreateTopExtrapolWireOpe()對其進行延伸得到延伸線，同理再對延伸線另一端延伸得到最終曲線。

(2)計算Sweep距離。獲取最終曲線上所有的點，并調用函數CATCreateTopProject()求其投影在參考底面上的點，通過最小距離函數CATCreateDistanceMinTopo()獲取曲線上點與投影點之間的最小距離，然后取所有最小距離集合中的最大值作為Sweep高度。

2.2.2曲面分割方向智能判別

通過曲面掃描可獲得圖11所示的側壁曲面。接著需要對側壁曲面與溝底控制面進行分割處理，得到溝底基礎面，具體分割過程如下。

圖11　掃描完成后曲面

(1)通過函數CATCreateTopSplitShell()，用掃描面Sweep1對溝底面Bottom分割得到Split1，將會出現圖12所示的兩種情況。此時，通過函數CATCreateDistanceMinTopo()獲取Sweep2與Split1之間距離，如圖12a所示，如果距離不為零，則需要對分割方向作反向選擇，得到圖12b所示結果；如果距離為零，說明分割方向正確，可進入下一步操作。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二圖12　曲面Sweep1分割溝底面

(2)繼續用曲面Sweep2對Split1進行分割得到Split2，同理，將會出現圖13所示的兩種情況。其曲面判別方法與上述類似，通過獲取曲面Sweep1與Split2之間的距離判斷分割曲面的方向是否正確，最終得到圖13b所示的基礎溝底曲面Split2。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二圖13　曲面Sweep2分割溝底面

(3)得到基礎溝底曲面Split2后，便可使用Split2對曲面Sweep1、Sweep2進行分割，以獲取基礎溝壁曲面Split3、Split4，曲面分割方向有兩種情況，如圖14a 、圖14b所示。曲面分割方向可通過獲得Split3、Split4與胎頂面Surface之間的距離判斷，最終得到圖14c所示的基礎溝特征。

(a)情況一　　　　　　　(b)情況二

(c)基礎溝示意圖圖14　溝底面分割Sweep面

(4)根據花紋溝設計要求，對溝底進行相應倒角，即可完成一層花紋溝特征設計。將上述設計過程通過代碼封裝，實現一層花紋溝單元的自動設計，其C++偽碼說明如下。

輸入：引導曲線line1、line2，控制曲面Surface、Bottom

輸出：一層花紋溝特征

Step1.Sweep1=GetSweep(line1,Surface, Bottom);

Sweep2=GetSweep(line2,Surface, Bottom);

//以Surface為頂面，Bottom為底面，得到掃描面

Step2. 用Sweep1分割Bottom得到Split1，并獲取Split1與Sweep2距離N1；

Step3. If(N1==0){返回Step2，對Split1分割方向作反向處理;}

Step4. 用Sweep2分割Split1得到Split2，并獲取Split2與Sweep1距離N2；

Step5. If(N1==0){返回Step4，對Split1分割方向作反向處理;}

Step6. 用Bottom分割Split1、Split2，得到Split3、Split4，獲取Split3、Split4與Surface距離K1、K2

Step7. if(K1==0){返回Step6，對Split3分割方向反作向處理;}

if(K2==0){返回Step6，對Split4分割方向作反向處理;}

Step8. 判斷倒角類型，并根據不同類型進行倒角造型；

Step9. resultBody=join(Split3,Split4,Split2);//合并結果輸出特征。

2.3交匯處理模塊

交匯處理模塊主要是對花紋溝之間連接的多余曲面進行修剪處理，獲取無縫貫通的胎面花紋。包含花紋溝交匯與鋼片交匯模塊，其模塊工具條如圖15所示。主要包括T形、V形和X形交匯等語義單元。

圖15　參數化交匯處理語義模塊工具條

2.4裝飾品模塊

裝飾品模塊用于各種裝飾品花紋設計，如簡單鋼片、臺階型鋼片、修飾性鋼片、溝底凸臺、磨耗標識線等語義單元。其模塊工具條如圖16所示。

圖16　裝飾品語義設計模塊工具條

2.5輔助設計模塊

輪胎節距是輪胎結構建模的基本單元，節距單元是按輪胎胎面花紋[24]的形狀劃分的，輪胎花紋通常由多個節距單元構成。這些基本單元沿著輪胎周長按一定順序排列組成整個輪胎花紋。如圖17所示。在傳統的輪胎花紋設計過程中，利用CATIA軟件裝配模塊中的相合約束(Coincidence Constraint)與接觸約束(Contact Constraint)功能，可將兩相鄰節距單元裝配約束成整體，節距裝配如圖18所示。但輪胎花紋節距較多，一整條輪胎包含幾十個至上百個不等，且排列順序復雜，尤其是非周期性無序排列，逐個輪胎節距裝配約束耗時較多。因此，在程序設計時引入輪胎花紋的節距信息，通過輸入輪胎花紋節距排列順序的編號，快速完成輪胎花紋節距的裝配。

圖17　花紋節距排布

圖18　花紋節距裝配

輔助設計模塊的具體開發流程如下。

(1)利用CATIA/CAA提供的批處理模式新建一個Session，然后創建一個包含CATIProduct類型的產品父類文檔，將零部件逐個添加到該產品父類并調用指定的輪胎節距單元。其中在添加產品的零部件時，需獲得零部件的儲存路徑，零部件的名稱等相關信息。

(2)利用發布(Publication)相關函數提取發布的幾何元素，由CATIConnector接口的相關連接函數連接幾何元素，函數CreateConstraint約束節距的連接幾何元素構成裝配，對輪胎花紋節距逐個約束組合形成完整輪胎，并將輪胎產品保存到指定的文件路徑。

(3)系統模塊化設計完畢，運行CATIA，可得到與CATIA界面具有一致的風格的圖標、工具條及對話框，如圖19所示。

圖19　系統的工具條及對話框界面

3　設計實例

以越野輪胎花紋建模為例，利用輪胎3D花紋建模系統進行輪胎建模,實現過程如圖20所示。

圖20　系統應用實例

利用該系統對SUV輪胎、越野胎、泥地胎和公路胎4款花紋進行建模并與通用CAD軟件繪圖所需的時間進行測試分析，可得表9所示的測試結果。由結果可知，該輪胎花紋CAD建模系統使輪胎花紋建模效率得到較大的提升。

4　結語

本文針對目前輪胎3D花紋設計中存在的問題，引入輪胎花紋語義單元概念，開發了基于語義的輪胎3D花紋CAD系統，使建模效率得到大幅度提升。但對花紋產品設計完成后，如何通過一套分析機制對輪胎花紋進行噪聲、滑水性、耐磨性等性能快速評價，尚未添加到該花紋設計系統中。后續研究將會以此為方向進行研究，從而為輪胎花紋深入優化設計提供參考。

表9　繪圖時間對比　h

注：AT表示采用開發CAD系統繪圖;GE表示通用CAD軟件繪圖。

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(編輯陳勇)

Semantics Modeling for 3D Tread Patterns-oriented

Dong Yude1Song Zhonghui1Zhang Rongtuan1Bai Sucheng2Zhang Fangliang2Liu Yanchao2

1. Hefei University of Technology, Hefei, 230009 2.GITI Tire (China) R&D Center, Hefei， 230601

Aiming at fussy operations and expressions of design information scattered of 3D tread patterns modeling, which caused by the way that dominated by geometric features, a semantic-driven 3D modeling approach was proposed herein. The structures of the groove features, ornament features and intersection features in the theoretical design were decomposed abstractly to obtain the semantic units of the tire pattern based on discussion and research on the application theory and practical technology of pattern design. Then,the hierarchical, systematic, formal expressions of tire tread pattern from conceptual design to assembly design were realized by the introduction to tire pitch information.Finally, feature-based modeling technology was introduced, making CATIA / CAA as the development platform to develop a semantic level 3D tire patterns design system. The example analysis results show that the system is applicable to a variety of types of tire patterns modeling, enhancing the ability of the CAD technology design of information description and improving the automation level of product modeling, thus effectively reducing the repetitive work of designers and shortening the development cycle.

tread pattern; engineering semantics; semantic element; CAD

2016-09-30

國家自然科學基金資助項目(51275145)

TP391.7

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.010

董玉德，男，1966年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院教授、博士。研究方向為計算機輔助設計(CAD/CAE/PDM)。宋忠輝，男，1988年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。張榮團，男，1990年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。白蘇誠，男，1991年生。佳通輪胎(中國)研發中心研發工程師。張方亮，男，1979年生。佳通輪胎(中國)研發中心副總工程師。劉彥超，男，1983年生。佳通輪胎(中國)研發中心研發工程師。