CATIA軟件在車身曲面重構(gòu)中的應(yīng)用

2013-05-26  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

近年來(lái),隨著人民生活水平的提高,汽車產(chǎn)銷量大幅度增長(zhǎng),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,各種車型不斷推陳出新。為適應(yīng)市場(chǎng)需求,國(guó)內(nèi)汽車廠家不斷采取措施,縮短開(kāi)發(fā)周
期,快速推出新產(chǎn)品。

其中車型改進(jìn)設(shè)計(jì)是縮短汽車開(kāi)發(fā)周期的有效手段之一,對(duì)于提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。新車型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),是汽車車身造型設(shè)計(jì)師們利用計(jì)算機(jī)輔助造型設(shè)計(jì)工具先將在汽車模型上所獲得的數(shù)字信息構(gòu)建成CAD模型,然后在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)造來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,它對(duì)現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)輔助造型設(shè)計(jì)軟件工具提出了更高的要求,進(jìn)而促進(jìn)CAD軟件的快速發(fā)展,CATIA軟件就是其中一例。

CATIA作為大型三維CAD軟件,在最初的汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域,主要應(yīng)用于正向設(shè)計(jì)。隨著逆向工程技術(shù)的發(fā)展,為滿足復(fù)雜曲面重建的要求, CATIA V5也提供了逆向工程模塊,即數(shù)字曲面編輯模塊DSE(Digitized Shape Editor) 和快速曲面重構(gòu)模塊QSR (Quick Surface Reconstruction) 。它涵蓋逆向軟件的基本點(diǎn)云輸入和數(shù)據(jù)輸出功能及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能,并綜合應(yīng)用創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊GSD(Generative Shape Design) 和自由曲面造型模塊FSS ( Freestyle Shape) 發(fā)揮其強(qiáng)大的曲面、曲線擬合功能。而且并且,由于它將逆向工程模塊融于一體,實(shí)現(xiàn)逆向工程與正向的曲面功能的交互應(yīng)用,其使用變得更為簡(jiǎn)便、靈活。本文是以某車型車門為例,應(yīng)用CATIA軟件的DSE、QSR 、GSD和FSS 四個(gè)模塊對(duì)車身曲面重構(gòu)流程作了深入探討。

    一、數(shù)據(jù)預(yù)處理

在曲面建模前,需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理,以得到建模所需的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù),因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果的好壞將直接影響數(shù)學(xué)模型的成敗。它主要解決兩方面的問(wèn)題,一方面是點(diǎn)云拼合,即點(diǎn)云的對(duì)齊和定位,另一方面是去除雜點(diǎn)和數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。對(duì)于優(yōu)秀的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō),它不僅能得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù),而且能將掃描數(shù)據(jù)直接自動(dòng)拼合,消除了累積拼合誤差,提高了測(cè)量精度。例如德國(guó)GOM公司的ATOS測(cè)量系統(tǒng),設(shè)計(jì)人員可以先利用Tritop照相測(cè)量模塊測(cè)量出特征標(biāo)志點(diǎn)的三坐標(biāo)位置,將所有特征點(diǎn)形成個(gè)固定的坐標(biāo)系統(tǒng),然后使掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)拼合到該坐標(biāo)系中,從而省去點(diǎn)云拼合的繁瑣勞動(dòng)。如果測(cè)量出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大,且在后續(xù)的CAD模型重構(gòu)前還沒(méi)有經(jīng)過(guò)測(cè)量坐標(biāo)系的對(duì)齊,那么點(diǎn)云拼合過(guò)程就可以在逆向工程軟件Polyworks 或Rapidform 的點(diǎn)云預(yù)處理模塊中完成。CATIA雖然也包含點(diǎn)云對(duì)齊功能,但相比專業(yè)的逆向軟件的來(lái)說(shuō),處理海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)功能有限而且拼合質(zhì)量略顯不高。另外,通過(guò)CATIA測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)旬含一定數(shù)量的冗余點(diǎn)和噪聲點(diǎn),這些噪聲點(diǎn)可通過(guò)肉眼觀察,并通過(guò)手動(dòng)去除。冗余點(diǎn)的存在不但增加了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān),還會(huì)影響數(shù)據(jù)處理和重構(gòu)模型的速度,因此應(yīng)在精度允許的范圍內(nèi)采用定算法對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)。對(duì)于光順情況不好,特征不明顯的點(diǎn)云,一般可采用等距寓法來(lái)稀化精簡(jiǎn),對(duì)于特征明顯的點(diǎn)云,可以采用我偏差法來(lái)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù),此法的優(yōu)點(diǎn)是在由率變化大的地方點(diǎn)云精簡(jiǎn)得少,在曲率變化小的地方點(diǎn)云精簡(jiǎn)得多。另外要注意,在精簡(jiǎn)點(diǎn)云時(shí)不要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行整體刪減,應(yīng)分區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化,并根據(jù)每個(gè)區(qū)域的曲率變化特點(diǎn)過(guò)濾點(diǎn)云,這樣使精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云特征更加明顯。圖1所示為車門原始點(diǎn)云,圖2所示的是在CATIA的DSE模塊中,對(duì)點(diǎn)云分區(qū)域應(yīng)用弦偏差法( Adaptative )精簡(jiǎn)后的結(jié)果。由圖1、圖2可見(jiàn),點(diǎn)云的輪廓特征都保留下來(lái)。

    圖1 車門點(diǎn)云精簡(jiǎn)前

    圖2 車門點(diǎn)云精簡(jiǎn)后

    二、曲面重構(gòu)

點(diǎn)云處理的目的是為了曲面建模并重新設(shè)計(jì)。在構(gòu)建模型之前的準(zhǔn)備工作很重要,要對(duì)汽車車身進(jìn)行詳細(xì)的分析,并理清產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征。復(fù)雜結(jié)構(gòu)要分清基本特征和次要特征,設(shè)計(jì)人員應(yīng)從基本特征人手,保證重點(diǎn),然后才生成模型的基本形狀,在這個(gè)基礎(chǔ)上再完成次要細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì),如過(guò)渡面和圓角特征。具體到每一步驟的時(shí)候,可以隨時(shí)調(diào)整生成方法,必要時(shí)也要調(diào)整整體思路,靈活應(yīng)用。另外需要注意的是,在設(shè)計(jì)時(shí)也同時(shí)要考慮相關(guān)系統(tǒng)的配合協(xié)調(diào)問(wèn)題,這在造型和設(shè)計(jì)階段是重要問(wèn)題。

構(gòu)建模型應(yīng)遵循的原則是:整體戰(zhàn)略清晰,具體戰(zhàn)術(shù)靈活;外部表面保證質(zhì)量,內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證精度。

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分塊

點(diǎn)云分塊是曲面建模的第一步,分塊方式直接影響后續(xù)的曲面構(gòu)造方式、曲面拼接和過(guò)渡效果。分塊時(shí),首先要按照點(diǎn)云各部分的重要程度等級(jí),找出基本面和過(guò)渡面?；久媸钱a(chǎn)品外形的面積較大且具有較大曲率半徑和一致凸凹曲率趨勢(shì)的曲面。過(guò)渡面是連接兩個(gè)或多個(gè)基本面的曲面,一般都是形狀狹長(zhǎng)、曲率較大、曲率變化劇烈的區(qū)域。就由面質(zhì)量而言,基本面既要保證曲面精度,又要保證光順性,而過(guò)渡面則要求保證光順,不出現(xiàn)褶皺。

    圖3 車門三角化網(wǎng)格顯示分塊圖

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角化網(wǎng)格( Mesh Creation) 顯示,可以清晰看出被測(cè)物休的基本曲面和過(guò)渡曲面的構(gòu)成狀況,同時(shí)還可以應(yīng)用根據(jù)曲率標(biāo)準(zhǔn)分塊工具(Segmentation by Curvature Criterion) 對(duì)曲面點(diǎn)云進(jìn)行分塊。圖3所示是應(yīng)用曲率標(biāo)準(zhǔn)分塊土具顯示的車門三角化網(wǎng)格分塊情況,圖中車門被分成A、B兩大部分,A部分基本曲面為A1、A2和A3,B部分基本曲面為B1、B2、B3和B4,它們都是曲率變化較小、輪廓清晰的大曲面,而且它們之間的過(guò)渡曲面的曲率變化較大,它們共同組合在一起構(gòu)成了車門的主要曲面形狀。

    2.基礎(chǔ)面的構(gòu)建

    (1)曲面的構(gòu)建方式

采用矩形域參數(shù)曲面擬合法構(gòu)建曲面,主要有兩種方式一是由曲線生成曲面;二是由點(diǎn)云直接生成曲面。

    圖4 截面線在凹槽處斷開(kāi)情況

自由線生成曲面的方法,是用截面法(Planar Sections) 或通過(guò)點(diǎn)云特征提取特征線(Curve Creation 或Create Free Edges) 的方法,經(jīng)過(guò)掃掠(Sweep) 、多截面由面( Multisection Surface) 、填充( Fill )或混成(Blend) 等功能來(lái)創(chuàng)建光順由面片。這種方法的關(guān)鍵是要有質(zhì)量好的架構(gòu)線和合理的曲面片生成規(guī)劃。有高質(zhì)量的架構(gòu)線作面,曲面的精度和光順性才能很好的保證。而只有高質(zhì)量的構(gòu)架線,也還是無(wú)法生成曲面或理想曲面的可設(shè)計(jì)人員在構(gòu)面前一定要規(guī)劃合理的曲面片生成順序和生成方法。構(gòu)建曲線的類型有直線、圓弧和樣條線等多種,一般情況下采用樣條線(Spline) 即可順利完成構(gòu)建。DSE模塊中的3D Curve或GSD模塊的Spline功能均可生成樣條線,其強(qiáng)大的編輯功能還包含移除、增加控制點(diǎn)和約束控制點(diǎn)等,以保證曲線切矢連續(xù)或曲率連續(xù),設(shè)計(jì)師可根據(jù)需要對(duì)已生成的樣條線進(jìn)行調(diào)整。此外,在GSD模塊中,設(shè)計(jì)人員還經(jīng)常需要對(duì)曲線進(jìn)行斷開(kāi)(Split)、橋接(Curve Connect) 和光順(Curve Smooth) 處理,以獲得構(gòu)面所需的架構(gòu)線。如圖4所示的是對(duì)基本曲面B2截面后所得的其中5根截面線的斷開(kāi)處理情況。這里的曲面規(guī)劃思想是:基本曲面B2作為一整張曲率變化外凸的曲面,被凹槽B3所裁,兩曲面之間由過(guò)渡面來(lái)連接。因此為構(gòu)造曲面B2,需對(duì)生成的截面線在凹槽地方進(jìn)行斷開(kāi)、連接和光順處理,使其所有截面線的曲率變化一致。另外,對(duì)于處理好的曲線應(yīng)用多截面曲面功能構(gòu)面,創(chuàng)建曲面如圖5所示。

    圖5 截面線處理后構(gòu)面的情況

由點(diǎn)云直接生成曲面的方法,是根據(jù)不同的分塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用強(qiáng)力匹配(Power Fit) 的方法直接生成曲面片,或用曲面與點(diǎn)云匹配(Fit a surface to a cloud of points) 等方法直接生成曲面片。應(yīng)用強(qiáng)力匹配時(shí),可以同時(shí)給定曲面片的邊界曲線和邊界約束等,使得生成的曲面片在滿足幾何形狀特征的情況下盡量與點(diǎn)云匹配。應(yīng)用曲面與點(diǎn)云匹配時(shí)應(yīng)先創(chuàng)建簡(jiǎn)單由面,然后調(diào)整由面控制頂點(diǎn),在保持由面質(zhì)量的同時(shí),盡量逼近點(diǎn)云,并保證各曲面片之間連接的連續(xù)性要求,這種方法雖能快速直接地生成較高質(zhì)量的曲面,但是生成光順曲面后的調(diào)整比較困難,曲面之間拼接的連續(xù)性約束要預(yù)先合理規(guī)劃,曲面的生成反復(fù)重做較多。

圖6所示是對(duì)基本曲面B3進(jìn)行強(qiáng)力匹配后的結(jié)果,將預(yù)先繪制的曲線投影至點(diǎn)云上得到凹槽點(diǎn)云邊界線,然后應(yīng)用強(qiáng)力匹配功能,動(dòng)態(tài)調(diào)整誤差值(Tolerance) 、階數(shù)( Order) 、段數(shù)(Segments) 和張力值( Tension) 等參數(shù),進(jìn)行曲面擬合。

    圖6 對(duì)凹槽點(diǎn)云強(qiáng)力匹配后的曲面

上述的兩種曲面生成的方法都強(qiáng)調(diào)預(yù)先的合理規(guī)劃,不適當(dāng)?shù)臉?gòu)面順序和方法將直接影響曲面的重構(gòu)速度和生成質(zhì)量。而且構(gòu)建曲面時(shí),應(yīng)該盡量將點(diǎn)云分塊為四邊形子域,對(duì)于非四邊形子域,可通過(guò)延伸邊或創(chuàng)建邊的方式使其轉(zhuǎn)化成囚邊形曲面。此外,曲面建模還要注意生成模型的簡(jiǎn)潔,應(yīng)盡量采用簡(jiǎn)單規(guī)則曲固和大曲面。如果曲面過(guò)于零碎,會(huì)不利于后續(xù)的曲面過(guò)渡,也將影響曲面到實(shí)體的注成。

    (2)曲面的修剪

圖5中創(chuàng)建的曲面并沒(méi)有完整表達(dá)出點(diǎn)云形狀,還必須對(duì)其進(jìn)行延伸、裁剪等操作,以使其完全符合點(diǎn)云的形狀。一般的做法是對(duì)曲面進(jìn)行延伸,然后將原始邊界線投影,利用投影曲線裁剪掉多余的部分。CATIA的外插延伸(Extrapolate)功能包含線惜延伸和曲率延伸兩種方式,分別是以邊界的切矢和由率方向延伸曲面。此例中由于車門屬外表面,為保證車身外表面曲率連續(xù),應(yīng)選用曲率延伸。將圖5中的曲面邊界延伸后,再將提出的曲面邊界線投影至延伸曲面,然后利用投影線裁剪該曲面,即可得到完整曲面B2。處理結(jié)果如圖7所示。

    圖7 修剪后的曲面B2

    3.過(guò)渡面的建立

    過(guò)渡曲面是連接基本由面的曲面,其構(gòu)造方式有以下幾種方式:

    1)在間隔的兩曲面間,用混成(Blend) 生成新的曲面把兩曲面連接起來(lái),并保持連接處的曲率連續(xù);

    2)延長(zhǎng)兩曲面使它們相交,然后對(duì)其進(jìn)行倒圓角處理;

    3)使用FSS模塊的曲面匹配(Match Surface)功能,即保持一張面不動(dòng),另一張面變形,消除兩曲面間的縫隙,并且可根據(jù)需要選用位置連續(xù)、切矢連續(xù)或由率連續(xù)三種曲面連接約束。

實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)不同的情況,靈活選用這些方式。圖7 中得到的曲面B2被圖6所示的凹槽曲面裁剪后,將分為上下兩部分,再通過(guò)偏移邊界線裁減這兩部分曲面,使這兩部分分別與四槽曲面留有間隔,然后利用以上所述的第一種辦法生成過(guò)渡曲面,最終結(jié)果如圖8所示?？梢?jiàn),高質(zhì)量的過(guò)渡曲面能把各基礎(chǔ)曲面自然地融為一體,使產(chǎn)品外觀流暢。

    圖8 曲面B2和曲面B3處理圖

    圖9所示的市最終車門表面效果圖。

    圖9 最終車門表面效果圖

4. 曲面的分析

曲面分析包括曲面誤差分拆和曲面質(zhì)量分析兩部分。

曲面誤差分析的目的是檢驗(yàn)曲面的精度,它是伴隨著在曲面的創(chuàng)建過(guò)程中完成的氣在曲面擬合、拼接完成后,利用距離分析功能(Distance Analysis)檢測(cè)生成的曲面與原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的偏差。例如,將圖8 中的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,可以得到如圖10所示的誤差分析III ,從圖中可見(jiàn),顯示誤差在±0.8mm之內(nèi),其中91.71 %曲面的誤差控制在±0.5mm內(nèi)。由于車門屬車身外表面,外表面強(qiáng)調(diào)質(zhì)量,在保證車門表面光順的前提下,精度可稍放寬,因此該曲面的精度是比較滿意的。

曲面的質(zhì)量分析是對(duì)曲面進(jìn)行光I原性和連續(xù)性檢查,在構(gòu)造曲面時(shí),要隨時(shí)檢查所構(gòu)建曲面的狀況,注意檢由面是否發(fā)生扭曲、曲率變化情況以及曲面間的幾何連續(xù)情況等,以便及時(shí)修改。圖11所示為車門曲面的斑馬線分析結(jié)果。

    圖10 點(diǎn)云與曲面的偏差

    圖11 車門曲面的斑馬線分析結(jié)果

    三、小結(jié)

曲面重構(gòu)中的最大問(wèn)題是由面精度和質(zhì)量的取舍問(wèn)題,要構(gòu)建高質(zhì)量的曲面,精度必然要損失很多,但若要精度高,就很難做出好的曲面來(lái),這兩者無(wú)法兼得。精度應(yīng)該是具有裝配關(guān)系的豐幾構(gòu)件的重要考慮因素,而設(shè)計(jì)高質(zhì)量且可制造的曲面是汽車車身設(shè)計(jì)與建模工作的首要要求,所以車身外表面的曲面重構(gòu)應(yīng)該是在合理的誤差范圍內(nèi)盡量保證曲面的質(zhì)量。適當(dāng)?shù)胤艑捑?會(huì)使構(gòu)面方法相對(duì)靈活多樣,構(gòu)面的成功率也相對(duì)較高。一般來(lái)說(shuō),在精度要求。0.3~0.5mm且點(diǎn)云質(zhì)量較好的情況下用CATIA擬合出的曲面要優(yōu)于專用逆向工程軟件IMAGEWARE,只是前者曲面的人工控制能力比后者稍差,而且CAnA對(duì)于曲面與測(cè)量點(diǎn)的偏差大于O.1mm的A級(jí)曲面也完全可以勝任。因此,應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行車身由面重構(gòu)是一個(gè)較好的選擇,可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

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