可視化編程在汽車參數化設計中的研究與應用

楊玉虎，辛 劍，李 簪

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710220）

引言

當前，數字化、智能制造、大數據、人工智能等詞語出現的頻率越來越高，可以看出，科技發展與日常生活已密不可分，“科技”的程度一定意義上代表著時尚的程度，產品是否具有科技感會成為人們關注的重點。汽車如何設計得富有科技感是每個汽車設計師都需要考慮的問題。從當下各大主機廠發布的概念車及量產車來看，造型提升是讓消費者感受到科技感最直觀方式，而在汽車造型上使用參數化設計是提升產品科技感的有效手段。

1 參數化設計概述

參數化設計最早可追溯到19世紀末，西班牙建筑大師——安東尼奧·高迪，在設計薩格拉達·法米利亞大教堂時，創建的一個倒置的模型，是用純物理的方式實現參數化設計。現在所說的參數化設計是與計算機技術緊密相關的，主要包含參數化技術和設計兩個方面的含義。

參數化技術是一種計算機輔助設計技術，通過建立參數（變量）與幾何形體的關聯特征，進而實現通過變參來改變幾何形體的目的。設計是一個復雜的思維過程，對于“設計”所達成普遍共識一般包括：（1）一種創造性活動；（2）一種針對目標的問題求解過程；（3）一種改進現實的活動；（4）一種從現存事實到未來可能的轉化；（5）一種決策活動。參數化設計技術以造型約束為關鍵，整個設計過程，是一個約束規定、約束變換、約束求解、約束評測和約束優化的過程[1]。

1.1 參數化設計應用方式

汽車設計中，參數化設計應用可分為工程和造型設計兩方面。本文主要研究汽車造型領域的參數化設計技術。

汽車工程設計領域，主要以模型求解為目的，通常將一個或多個約束條件（尺寸、角度、坐標位置等）設置參數，通過調整參數的變化來影響整個模型。應用于零部件模型構建、尺寸分析、法規校核等。

汽車造型設計領域，主要以構建以一定形式變化的幾何圖形為目的，通常按照設計意圖將幾何圖形及變化形式進行參數約束，通過調整參數的變化來生成不同的設計效果。應用于汽車表面紋理設計、格柵設計、輪輞設計、燈光樣式設計等。

1.2 參數化設計的特點

參數化設計作為一種輔助設計手段，更適合在設計方向確定后進行同類多方案的對比階段，在造型初期創新性設計階段會有所制約。主要優點：（1）參數化設計技術將過程變量設置為參數方式，讓方案的修改更加便捷高效；（2）對過程變量可進行拓展，設計思路更加靈活，設計結果更加多樣化；（3）結果更加精確。

缺點：（1）參數化設計模型須在成熟的設計思路下建立，邏輯性強，建立過程耗時較多；（2）變化形式受制于邏輯關系，結果通常是可以預見的，創造性欠缺；（3）多個方案會在一種思路邏輯下建立，在容易造成設計同質化。

1.3 參數化設計的形式

參數化設計形式可以參考平面構成。平面構成是一個近代造型概念，指在二維空間上，將視覺元素根據設計者的創作意圖，進行編排和組合，主要分為有序和無序兩類[2]，平面構成“形式法則”中包含著美學原則形式規律和表現手段上的構成手法，將構成形式法則歸納為聚散（密集、發射、打散）；衡韻（對稱、重復、共形）；變形（漸變、特異、近似、變換）；數列（比例、分割）等四大部分[3]。同理參數化形式也可如此劃分，在汽車設計中，常常綜合運用多種變化形式，如下圖1所示。

圖1 汽車上的參數化設計

可以看到，參數化設計使造型形象秩序化、整齊化，形成富有節奏感和韻律感的視覺效果，視覺沖擊感更強，加深了人們對于形象的記憶。

2 Dynamo軟件簡介

Dynamo是在Alias 2019版本開始更新的可視化編程平臺，旨在降低編程難度，讓非程序員和程序員都可以使用，在Alias中選擇“Palette”＞“Transform”＞“Dynamo”即可啟動。通過基于節點的可視化編程界面，Dynamo可以讓用戶自由創建計算式設計模型或其他自動化處理過程。用戶可以使用完善的數據處理、關聯性結構和幾何控制功能，這些功能在基于傳統CAD界面的軟件中是很難做到的[4]。Dynamo使設計人員能夠自定義設計過程去解決問題，可以將工作中遇到的一些重復性工作、常見模型等進行可視化編程處理，利用Create Custome Node命令制作成小工具，以后遇到同類問題時可直接調取，從而快速解決問題。

3 設計思路和過程

基本思路可以概括為：在哪里（坐標確定）用哪種形式（變化規律）創建哪種形狀（基礎形體），如圖2。

圖2 設計思路

3.1 確定附著面UV，構建基于曲面的“坐標系”

常規參數化建模方式是將做好的陣列圖形集沿著某一方向投影到曲面上，這種做法對于處理平面圖形在曲面上的排列變化非常高效，但當曲面曲率變化太大時圖形形狀會發生改變，如圖3。

圖3 投影圖形狀改變的情況

此外，在處理立體圖形按照復雜規律在曲面上進行排布時，常規建模方式需要一個個建模，多是耗時耗力的重復性工作，在dynamo中這些問題都可得到有效解決。主要方法是將曲面進行UV方向劃分，類似于將平面坐標系中的XY軸變換為UV軸，建立起曲面坐標系，從而在曲面坐標系中創建和編輯幾何圖形。在Alias軟件中通過鼠標左鍵單擊任意曲面，紅色箭頭指示U方向，綠色為V方向，藍色箭頭指示法線方向，而在空間坐標系下，紅色為X方向，綠色為Y方向，藍色為Z方向。

3.2 設計元素的形式變化規律

我們在汽車上常看到的參數化設計不單單具有一種變化形式，是多種形式組合的結果。為便于描述，可引入矢量的概念來描述構成參數化設計的元素及其變化形式，即每個元素具有特定的大小和方向，最終的大小和方向是多個變化因素合成的結果。具體如下：

（1）變化形式的方向，方向可以是水平、垂直、放射、環形等狀態。

（2）大小的變化：大小變化常常是遵循數學規律，主要有等比、等差、根據構造函數數值變化等可以用數學公式描述的，以及根據曲面邊界線變化來調整大小的。具體參考下文實例1和實例2。

3.3 構建基礎形體

立體是由最基本的點線面構成，基礎形體的構建過程也是遵循這種規律，dynamo中可參考如下方式創建：

（1）在坐標系中根據點的位置關系構建線條或立體，比如基礎節點Circle.ByCenterPointRadius由單點確定圓、Line. ByStartPointEndPoint兩點確定一條直線、Cylinder. ByPoints- Radius由點和半徑確定一個圓柱等。

（2）通過線的關系構建面或者實體，常用到命令有PolySurface.BySweep由掃掠形成曲面、PolySurface.ByLoft由多截面線和引導線成面、Curve.Extrude將線沿著某一方向 擠出形成面、Solid.BySweep由掃掠形成實體等。

（3）對于復雜立體構建，需要對面進行編輯才能實現，常用到的命令有布爾操作（Solid.ByUnion并集、Solid.- Difference差集、Geometry.Intersect交集）、裁剪（Geometry. Trim）、圓角（Solid.Fillet）等。

4 基于可視化編程的參數化設計實例

理論和實踐結合方能在實際應用中得心應手。本文選取兩個常見實例來對上文的一些設計方法加以說明，其中實例1為在Dynamo中進行可視化編程設計的思路和具體實施過程，實例2主要概括了alias中曲面邊界和曲率調整對設計元素變化形式的影響。

4.1 實例1圓形在曲面的排布

根據可視化編程原理，首先需對設計思路要有大概的整理，在具體操作過程中根據實際情況調再行修改。以圓在曲面上排布的情況為例，如圖4，具體設計思路如圖5。

圖4 圓在曲面上排布情況

圖5 建模思路

可視化編程過程可參考如下：

（1）確定曲面UV，將U和V向所需圓的個數設置為輸入參數，并設置邊界尺寸占比t，定義所需最小圓角半徑r，具體可用codeblock和Number Slider兩個節點實現。

（2）用Select from Alias工具選取要編輯的曲面，用Surface.GetIsoline提取曲面最短邊界并測出距離，根據最短邊界排列的個數計算該曲面上圓的最大半徑R，為便于調整圓的大小，可增加一個半徑調整參數Pr，即實際圓半徑為R－Pr；使用Surface.PointAtParameter節點創建曲面上點集，其中U和V的輸入來自“t..1-t..#m”，表示在t到1－t范圍內將數值共分成m份，m的數值來自定義的U和V向所需圓的個數；下一步用Surface.NormalAtPoint節點創建曲面上點的法線，將法線和點作為輸入端用Plane.ByOriginNormal節點創建過曲面上點的切平面，最后使用Circle.ByPlane- Radius節點創建圓形。

（3）以U向的點為自變量，V向點為因變量在曲面上作sinx函數曲線，選取0到1弧度段的曲線，可根據實際需要調整函數曲線或者曲線段長度。

（4）通過Geometry.DistanceTo節點測量點到所創建曲線的距離d，使用Math.RemapRange節點建立距離與半徑的映射關系，newMax來自R－Pr，newMin來自定義的最小半徑，輸出結果作為輸入連接上一步Circle.ByPlaneRadius節點中的Radius。

（5）接下來通過對曲面操作的節點Surface.ByPatch→ Surface.Thicken→Solid.ByUnion創建沿著曲面排布的圓柱實體，通過Surface.SubtractFrom節點對曲面進行裁剪生成在曲面上排布的圓，最后通過Bake to Alias節點輸出回到Alias中，結果可參考如圖4(a)，具體步驟參考圖6。

圖6 可視化編程步驟

在這個實例中，可以改變數學曲線的函數關系來改變圓形的變化形式，如圖4(b)和圖4(c)，也可通過替換circle. ByPlaneRadius節點將其改變為需要的形狀，可在circle. ByPlaneRadius節點后加Polygon.RegularPolygon節點將圓形改變為多邊形，還可改變曲面邊界線型，從而引導圖形的方向。

4.2 實例2 曲面邊界和曲率調整對設計元素變化形式的影響

四棱錐在汽車上是經常見到的一個參數化設計元素，本例選取在dynamo中按照等比關系建立的四棱錐模型陣列，用以說明曲面邊界和曲率調整對設計元素變化形式的影響。

（1）曲面邊界引導曲面內部設計元素大小和方向的變化，參考如圖 7，邊界由平行變為相交時，內部元素呈現放射變化。

圖7 邊界變化引起四棱錐形狀和排列方向改變

（2）曲面曲率變化劇烈的地方會引起設計元素大小劇烈變化，如圖8曲率大的地方對應的元素變小，曲率小的地方元素拉長。

圖8 曲率對變化形式影響

通過以上兩個實例，可以看出，對于常用到的聚散、衡韻、變形等形式，不僅可以通過控制數學曲線得到還可以通過調整曲面邊界、曲面曲率來得到。需要注意的是，在設計區域和曲面邊界不一致情況下，對于參數化設計區域在一個大面上的，可以通過裁剪邊界來調整效果，對于在多個曲面組成的區域，可以將多個曲面連接成一張面后裁剪來調整。

5 參數化設計的展望

參數化設計早在2011年法系品牌雷諾發布的概念車上就進行了運用。發展到如今，可以說是百家爭鳴，各有千秋，在老牌車企、造車新勢力的乘用車、商用車的產品上，都可以看到它的身影。它具有獨特的設計魅力，是極富有科技感、時尚感、年輕感的設計語言。可視化編程技術給參數化設計插上了騰飛的翅膀，它將會成為設計師的一大利器。可以預見，隨著時代的進步，設計理念的更新，消費者審美的提升，未來參數化設計必將大放異彩。