汽车车身工程图纸三维建模方法

1 　前言

CAD/ CAM/ CAE 系统应用与研究的速度十分迅速 , 如波音公司应用美国 EDS 的 UG 软件对波音 777 飞机制造的 CAD/ CAM/ CAE 全过程已实现了无纸化。同样 , 在汽车工业中 , CAD/CAM/ CAE 系统得到了广泛应用。在我国汽车行业中 , 在 CAD/ CAE 方面与国外存在较大差距。不能对汽车车身完全进行计算机设计 , 在很大程度上计算机只能用于画图与局部设计 ;CAD 设计与 CAE/ CAM 分析脱节 , 二者之间未建立数据库以实现数据共享 [1] 。在我国汽车制造厂中 , 拥有大批汽车设计图纸 , 这些图纸一部分是从国外汽车制造厂吸收引进的 , 一部分是国内厂家自行开发设计的。计算机三维模型改变了在手工制图中要通过三个视图线型去解释一条空间曲线的落后方法 , 通过曲线去生成曲面 , 根据设计要求形成表达三维空间的“数学模型” 。因此, 利用这些工程图纸 , 对其进行计算机三维建模是十分有必要的。在建立汽车覆盖件表面数据模型后 , 便可进行汽车车身机构设计、生成车身模具的 NC 程序等设计与分析。

2 　工程图纸的三维建模方法

在开展对某型号轿车车身建模过程中，我们寻求准确地从工程图纸中建立零件三维模型的方法。由于该型轿车为我国引进车型，其车身图纸只有总成图，而没有车身的零件图，故无法确切的知道车身曲面的详细设计。在轿车车身设计过程中大量使用了样条曲线与样条曲面 , 工程图纸中曲线与曲面如何能够在计算机的三维数学模型中得以实现，以及在此基础上如何建立汽车车身各零件的三维模型是我们如今面对的课题。研究中发现 , 在目前的计算机辅助设计方法进行汽车车身外表面的设计中 , 其设计过程大致如下 : 首先制作 1 ∶ 5 油泥模型；然后用三坐标数控测量机测量模型上有限点的坐标 ( 大约 200 ～300 个点) ;将这些数据送入计算机进行处理 , 将离散数据通过计算几何的数学方法处理后生成曲线和曲面 ; 设计人员根据显示结果对曲线和曲面及不光滑的过渡进行修改。图形一旦修改定型后就可输出图纸 , 生成模具加工的 NC 程序及CAE 分析等。借助于这种思想 , 在对工程图纸进行三维建模时 , 采取了类似的方法。首先 , 建立车身各个组成零件的模型 , 整个车身模型由零件模型装配而成。在车身零件模型的建立过程中 ,第一步对工程图纸进行初步分析 , 了解构造车身曲面的基本机理 ; 从图纸上获取曲面的特征数据点 , 然后通过这些数据点生成曲线 , 再利用已生成的曲线构造车身曲面。

以下 , 以轿车中柱以及后车门的实际建模为例 , 介绍利用工程图纸进行轿车车身三维建模的整个过程。我们整个工作都是在 CAD/ CAM 软件UG14. 0 平台上进行的。

2. 1 　识读汽车车身工程图纸

汽车车身工程图纸的坐标系有其特殊性。汽车车身各个零件图纸统一采用车身坐标系 , 其图纸的坐标原点都位于轿车前轮主轴的中点。采用这种坐标系既省略了下一步的分析过程中繁琐的坐标转换工作 , 同时也便于在质保部门利用三坐标测量机对轿车零部件制造与装配精度进行检测。

2. 2 　特征数据点的获取

选择型面的特征轮廓线 , 通过手工测量与扫描仪两种方式获取轮廓线上的数据点。通过测量获取这些数据点以形成特征轮廓曲线。因此测量数据时 , 为了在下一步骤形成曲线中能更精确地拟合曲线 , 应对空间曲线曲率较小的地方测量较多的数据点。在对轿车车身中柱的建模中 , 共测量了 300 个左右的数据点。

2. 3 　曲线的形成

基本上由数据点生成空间曲线有三种方法形成 : 拟合、插值与逼近。拟合是指通过定型值点列来构造曲线 ; 求给定型值点之间在曲线上的点称为曲线的插值 ; 求出在几何形状上与给定型值点列的连接线相近似的曲线 , 称之为曲线的逼近。这种曲线不必通过型值点列。

在曲线的生成过程中 , 可以利用手工测量或通过扫描仪来获取有限数据点 ( 节点 ) 来生成曲线 , 这将要求曲线通过测量获取的数据点 , 并且生成的曲线与工程图上的曲线误差最小。在工程上 , 特别在汽车设计上三次 B 样条曲线得到了广泛的应用。虽然三次 B 样条曲线对于今后的修改存在一定的局限 , 但是其优越的曲面光顺性能 ,因此选择其作为生成曲线的方法。

图 1 所示 , 为轿车 B 柱的测量特征点及其生成的曲线。利用特征数据点形成轮廓曲线时 , 往往不可能去形成完整的一条曲线 , 而应仔细分析 ,再将曲线分段进行处理。在建立轿车 B 柱外板轮廓曲线中 , 曲线的一部分为直线 , 而曲线与直线间为光滑过渡。可以采用多种方法形成该曲线 :一是增加数据点 , 特别在过渡处 ; 二是找出过渡点将曲线分段 , 分为空间曲线部分和空间直线部分 ,各部分之间单独生成 ; 三是在 UG Ⅱ软件中 ,B 样条曲线的设计方法中可以由设计者定义数据点的斜率 , 定义轮廓曲线的直线段各点的斜率 , 然后整体生成最终轮廓曲线。第一种方法形成的曲线 ,直线部分往往不能形成 , 且工作量比较大 ; 第二种方法形成的曲线 , 曲线与直线的过渡点往往不易精确选取 , 因此在直线和曲线过渡处不够光顺。前两种方法与第三种方法比较而言 , 生成的曲线误差更大些。

图 2 　轿车后车门与车身 B 柱三维模型

2. 4 　曲面的形成

在获得了零件的轮廓曲线后 , 依据这些曲线形成曲面。汽车车身为薄壁板件 , 主要的构成形式是各种曲面 , 曲面的生成不同方法将直接影响到曲面的光顺性 , 最终影响到车身的外观造型、空气阻力、模具的加工制造及其它性能。

汽车车身曲面是一个复杂的雕塑曲面。通过曲线生成曲面的方法有许多种 :

（1）过曲线 (Through Curve) 可通过在一个方向的曲线集建立一个曲面。

（2）过曲线网格 (Through Curse Mesh) 可从运行在两个方向的已存在的曲面外形 ( 线串 ) 集合建立一个面 , 线串不一定要相交。

（3）扫描 (Swept) 由一曲线外形沿一空间的路径以一预定的方式移动扫出的片实体。

（4）直纹面 (Ruled Face) 两曲线间的参数对应点用直线段连接而成的曲面。

在通过上一步骤中所生成的三维特征曲线生成曲面的过程 , 应当考虑到如下几个方面 : 首先 ,灵活选择生成曲面的各种方法 , 不同的方法生成的曲面是不同的 , 可以根据图纸的设计进行选择 ,使生成曲面与工程图上的曲面的误差最小 ; 其次 ,基于并行工程思想 , 曲面造型设计要考虑适用于今后的 CAE/ CAM 的需要。

在曲面形成以后 , 还必须利用其它方法对生成的曲面进行处理。如 : 通过圆角面 (Blend) 、圆角曲面 (Fillet) 、修剪 (Trimmed) 、延伸 (Extension) 等手段对曲面进行在细节处理。

在曲线生成的过程中 , 应该注意一些问题。从制造的角度来看 , 曲面的形成不能仅仅满足于用各种曲面生成方法形成汽车车身的各个型面 , 这样形成的结果往往是曲面出现皱褶 , 并且生成的曲面与曲面之间出现缝隙 , 无法进行弥合 , 只能采取“补丁”的方法进行缝合 , 这都将影响到曲面的光顺性 , 进而对模型进行有限元分析时 , 将会发现曲面表面产生应力集中 , 从而影响零件的质量。由于汽车车身主要由钢板冲压加工后焊接而成 , 在一些面与面之间存在相关性。如在轿车 B 柱内板上两个密封条镶嵌面应为同一曲面。在这两个曲面的生成中 , 利用直纹面的方法先生成一个曲面 , 然后再利用相关曲面进行修剪而形成。

2. 5 　模型准确度的检验

在曲面形成以后 , 应同时建立模型的公差信息 , 如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等 , 以及非形状信息 , 如技术说明、零件编号、类型说明。这样就最终完成了轿车后车门和轿车 B 柱的三维模型 ( 图 2 所示 ) 。三维模型建成以后 , 对模型的准确性检验是很有必要的。如何在理论上评价曲面的准确度是一个较难解决的问题 , 有待研究工作者进一步地探讨。目前采用的方法是 , 在建立的轿车中柱模型曲面上生成密集的点阵 , 获取点阵的坐标值 , 然后将在零件图上找出 X,Y 坐标值相同的点 , 求出 Z 坐标的偏差值。通过对轿车 B柱模型 ( 图 2 所示 ) 的检验可知 , 在模型中获取1 000 多个数据点 , 其各坐标值与相应图纸上的坐标值和误差在 ± 0. 2mm 以内。

3 　结论

利用以上介绍的方法 , 成功地将轿车车身的各个部件工程图纸建立了计算机三维模型 ,并利用所建立的轿车计算机三维模型 , 对轿车的车身各部件进行了虚拟装配 ; 同时成功地对轿车车门、车身侧围进行了刚度有限元分析 ,以及对轿车后车门在关闭过程中翘曲变形进行了分析与研究。实践表明 , 该方法能够快速地、精确地对复杂的工程图纸进行计算机三维建模 ; 为今后研究人员进行进一步的轿车零部件有限元分析、装配干涉检查及 CAM 加工等分析研究提供了方便 ; 并且方法简单、方便、实用。