CATIA IMA在汽車造型設計中的具體實施方法及建模思路

趙 津

（恒大恒馳新能源汽車全球研究總院 造型研究院，上海 201600）

近年來“快速建模”技術正在被國內外主流車企所認可并應用，越來越多汽車造型從業(yè)人員開始學習并研究這一新興建模技術及其相關應用。

雖然較早應用在工業(yè)造型領域的細分建模軟件是犀牛的T-splines插件，但目前在汽車造型領域被廣泛應用的是Dassault公司的CATIA IMA（Imagine&shape）模塊與Autodesk公司的Speed Form（2020年后已整合并入ALIAS）。這兩款軟件在功能性與穩(wěn)定性方面互有優(yōu)缺點。總體來看，CATIA IMA更為成熟，雖然其在建模自由度上要遜于ALIAS，但其命令更為豐富、邏輯更為嚴謹、結構更為清晰、穩(wěn)定性也更為可靠。本文先從細分曲面（subdi）細分建模相較非均勻有理B樣條（Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS）傳統(tǒng)建模的優(yōu)劣勢入手，簡單闡述細分建模存在意義及其應用階段；然后概述CATIA IMA及其常用命令；最后著重介紹CATIA IMA“快速建模”的具體實施方法、建模思路及技巧。

1 細分建模在汽車造型設計領域存在的意義及其應用的階段

1.1 細分建模存在的意義

傳統(tǒng)NURBS建模方法雖可以精確表達任意幾何形體，且具有局部控制性及仿射不變性等良好特性[1]。但其修改、拓撲及迭代的速度是其技術上無法克服的障礙。特別是在其處理任意拓撲關系的幾何形體時，具有很大局限性，且需不斷進行裁切與拼接。在占用過多計算與存儲資源的同時，也無法自動保持較高曲面連續(xù)性[2]。然而細分曲面方法則憑借其任意拓撲性和良好的整體連續(xù)性的特點，恰恰克服了NURBS建模拓撲局限性這一先天瓶頸，在功能上剛好擊中了傳統(tǒng)NURBS建模所無法覆蓋的真空地帶，成為近年來3D數(shù)字圖形領域最受關注的建模方法之一。特別是在汽車造型領域，已被越來越多車企所應用，對解決企業(yè)當今所面對的產品迭代快、研發(fā)周期短、人力資源緊張等現(xiàn)實問題有著積極的推動作用。

1.2 細分建模在汽車造型設計領域應用的階段

首先，細分建模在汽車初步造型面（Concept A Surface, CAS）階段的應用是毋庸置疑的。相較于傳統(tǒng)汽車造型開發(fā)流程[3]，當下更為流行的方法是把細分建模應用在從2D轉3D的第一步，做為CAS0或CAS0.5的交付物，并稱其為“快速建模”。其不僅能夠在數(shù)字化初始階段就快速準確地表達設計意圖，也可快速應對來自各方面造型意見及各工程部門提出的宏觀可行性分析報告（如：人機工程、空氣動力學、行人保護、沖壓成型、成本控制等）。基于目前細分建模軟件的性能，“快速建模”階段的交付物已經(jīng)可以達到比較精細，用于油泥模型或硬質模型的銑削加工。

其次，細分建模也可供設計師在三維中推敲形體，是一種全新的創(chuàng)意手段。當下汽車造型趨勢中，強勁有力的腰線和夸張的臉譜已不再是打動大眾審美的特征屬性。人們已厭倦了濃妝艷抹的線條設計，慢慢開始喜歡更有親和力的曲面和光影。設計師也開始嘗試更為含蓄的光影和絲綢般微妙變化的曲面為特征的造型語言（如圖1所示的馬自達新一代車型曲面光影）。然而如果這種微妙變化的曲面僅靠手繪草圖在二維平面中去進行創(chuàng)意，是相當困難的。“快速建模”恰恰能夠幫助設計師在三維空間中尋找創(chuàng)意靈感，進行創(chuàng)意表達，真正實現(xiàn)“一邊想象一邊設計”，讓產品造型具有更為多樣化的解決方案。

圖1 馬自達新一代車型曲面光影

2 CATIA IMA（Imagine&shape）模塊的簡介及其常用命令概述

CATIA 從V5版本就推出了基于細分方法的曲面建模模塊—CATIA IMA（Imagine&shape），并且一直服務于BMW造型中心，已歷經(jīng)了十余年的發(fā)展及優(yōu)化。IMA支持快速自由形體塑造，同時保持細節(jié)特征的參數(shù)歷史，以此實現(xiàn)高效的創(chuàng)造及方案迭代，并且和后續(xù)CATIA工程開發(fā)保持完美的數(shù)據(jù)連續(xù)。CATIA IMA的命令并非本文重點，以下只羅列最高頻命令，如圖2所示。

圖2 CATIA IMA高頻命令簡介

3 基于CATIA IMA模塊“快速建模”的具體實施方法、建模思路及技巧

3.1 CATIA IMA建模的實施方法

CATIA IMA整車建模從宏觀上來說有兩種實施方法：一種是從局部一步一步延展為整體；另一種則是從整體一層一層微觀到細節(jié)。本文認為兩種方法各有利弊，但第二種方法更能體現(xiàn)細分建模的優(yōu)勢，且效率更高。其原因有（1）可以最大程度體現(xiàn)全局意識和整體觀，發(fā)揮細分方法整體連續(xù)性的優(yōu)勢[4]；（2）從整體入手更有利于體現(xiàn)設計意圖，先確定比例姿態(tài)，再進行細節(jié)刻畫；（3）從整體到細節(jié)的思路更有利于發(fā)揮細分方法的邏輯優(yōu)勢，效率更高。

3.2 CATIA IMA快速建模的建模思路及技巧

（1）網(wǎng)格線排布從“零亂”到“規(guī)整”的建模思路：初期數(shù)據(jù)的網(wǎng)格線排布一定是不準確的、零亂的。有“精神潔癖”及“強迫癥”的建模師一定要克服這一點。因為如果起初就追求網(wǎng)格線的規(guī)整及特征線的對齊，勢必會造成大量無用功。合理的方法是：人為屏蔽、過濾掉復雜細節(jié)，從比例姿態(tài)及主特征出發(fā)，迅速塑造形體，之后再根據(jù)需要增加網(wǎng)格線，梳理控制點，塑造細節(jié)。

圖3 五星尖點在整車中的實例

（2）五星尖點的排布及處理方法：在細分方法基礎理論中，奇異點（對于四邊形網(wǎng)格，共享頂點的邊數(shù)不等于4的頂點稱為奇異頂點，更多奇異點知識可參考文獻[5]）的處理一直是難點。針對其有效解決方案也一直被業(yè)界所探討。只接受四邊面是CATIA環(huán)境的基本準則，那么當橫縱方向上的網(wǎng)格線和其他方向網(wǎng)格線（例如：輪包方向的網(wǎng)格線或某些特征線方向的網(wǎng)格線）交匯時，就必然會出現(xiàn)五星尖點。存在五星尖點的地方，往往所對應的實際NURBS曲面的邊界呈現(xiàn)扭曲狀態(tài)，這是無法避免的。但只要五星尖點排布合理，成品的高光是不會有問題的（如圖3所示）。

（3）簡化網(wǎng)格線排布的重要性：網(wǎng)格線排布盡量均勻，但也不要為了均勻而增加沒有必要的網(wǎng)格線。在IMA中網(wǎng)格線之間的距離對造型起著關鍵作用。特別是在設置權重后，這一現(xiàn)象更加明顯。然而如果為了均勻而增加沒必要的網(wǎng)格線是得不償失的。盡可能簡潔的網(wǎng)格線排布才是快速建模的精髓，其可以有效避免由于控制點過多而產生的曲面高光異常，且更具有優(yōu)越的可編輯性。

（4）“卡線”是鋒銳特征形成的重要方法：網(wǎng)格線之間的距離越近，所夾曲面就越銳利。特別是當兩條網(wǎng)格線之間夾著一條帶權重的網(wǎng)格線，尖銳特征[6]會越發(fā)明顯。如圖4所示，腰線位置帶+100權重的網(wǎng)格線，如果將其上、下相鄰整排控制點沿網(wǎng)格線方向靠近，那么腰線會越來越鋒銳。整車造型中側圍A柱與頂蓋的關系也是如此，這種方法被稱為“卡線”。

圖4 尖銳特征線的形成

（5）拆件切割的兩種方法及優(yōu)略分析：如果采用本文所推薦的從整體入手的方法，進展到一定階段，相對獨立的零部件就需要分塊后再分別繼續(xù)深入細節(jié)。通常有兩種分件方法：第一復制整體subdi，刪除多余面片，只留下與此零部件相關面片，然后再進行規(guī)整、優(yōu)化、豐富細節(jié)、翻遍倒角等操作，并以此類推做出所有零部件；第二把整體做到足夠精細，且充分滿足造型需求，再結合NURBS建模進行帶參分割（兩種方法見圖5）。方法1的優(yōu)勢是即使某一零部件造型較為復雜，也不影響其他零部件控制點數(shù)量，缺點是單件邊界線難以控制，且后期編輯過程中，難以保證部件之間的曲面連續(xù)性。方法2的優(yōu)勢是簡單且直觀，缺點是如某一細節(jié)較為復雜，會導致整車控制點數(shù)量激增，給整車曲面光順和可編輯性帶來麻煩。本文建議在實際使用過程中應具體問題具體分析，兩種方法結合使用。對于復雜的局部可用方法1切分出來再塑造細節(jié)。對于相似復雜程度的零部件，可采用方法2，先整體造型，再結合NURBS建模進行分割。

圖5 分件的兩種方法

（6）三角面的處理方法：不要對三角面產生恐懼，只要網(wǎng)格線排布合理，三角面區(qū)域高光也可足夠光順。雖然實際分面比較怪異，但呈現(xiàn)造型才是快速建模階段的目的（如圖6所示）。

圖6 三角面的高光效果及實際分面

（7）把軟件設置為手動更新的重要性：后期復雜的網(wǎng)格線再加之鏡像、分割等帶參操作，使得每一步操作都會產生很大的運算量。那么我們設置為手動更新，在完成一些列的移動、對齊等命令后，再手動更新一次，這樣規(guī)避了每一步操縱、更新所產生的卡頓。

（8）區(qū)分并合理使用ISD、IMA兩個模塊中的symmetry命令：ISD的symmetry是CATIA中最常用、最重要的命令之一，其是純粹的鏡像，可對所有類型物體進行操作。IMA的symmetry只能對subdi對象進行操作，并且其在鏡像的同時可自動完成參數(shù)化驅動的G3融合。所以IMA的symmetry非常適合汽車這種對稱物體建模，是一個創(chuàng)新且強大的命令。

（9）要善于使用working zone definition命令：這個命令可以幫助我們選擇暫時想要編輯的網(wǎng)格線，而過濾掉暫時無關的網(wǎng)格線。后期的數(shù)據(jù)已經(jīng)比較精細，網(wǎng)格線排布相當密集，甚至紛繁復雜。這個時候如果想要調整某條特征線線型、某個局部細節(jié)、某兩個面或多個面的相對關系，通常由于眼花繚亂而無從下手。working zonedefinition命令可以幫助我們排除干擾，過濾暫時不需要編輯的網(wǎng)格線，使工作變簡單。

4 結論

CATIA IMA的快速建模能力，不僅體現(xiàn)在建模算法的強大，更體現(xiàn)在設計手段的變革。所見即所得的設計方式，允許用戶進行更加自由靈活的設計變更，才是IMA最大特點及優(yōu)勢。這些卓越的功能及特點也正是概念設計階段所需。

想要熟練運用CATIA IMA開展造型設計相關工作，則需要在熟練掌握命令的前提下，具有對造型形體的良好認知。同時還要掌握網(wǎng)格線與型體一一對應的關系及網(wǎng)格線對曲面的作用效果。初用軟件可先不糾結命令的細節(jié)和一些增強型命令的使用，單純運用點、線、面的移動、刪除、修補等命令大刀闊斧的操作，推敲想要的造型。在這個過程中體會網(wǎng)格線的“性格”，當我們做到用IMA建模就如同用手捏橡皮泥一樣自如后，再研究那些非高頻命令及增強型復合命令，來進一步提升工作效率。在大量的實際操作中，結合所遇到困難，參考并研究本文所闡述的實施方法、建模思路及技巧，相信會助力各位讀者更快地掌握這門新興技術。