CATIA软件在车身曲面重构中的应用

2013-05-26 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

近年来,随着人民生活水平的提高,汽车产销量大幅度增长,市场竞争日趋激烈,各种车型不断推陈出新。为适应市场需求,国内汽车厂家不断采取措施,缩短开发周
期,快速推出新产品。

其中车型改进设计是缩短汽车开发周期的有效手段之一,对于提高企业的竞争力具有十分重要的意义。新车型的开发设计,是汽车车身造型设计师们利用计算机辅助造型设计工具先将在汽车模型上所获得的数字信息构建成CAD模型,然后在此模型的基础上进行二次创造来实现的。因此,它对现代化计算机辅助造型设计软件工具提出了更高的要求,进而促进CAD软件的快速发展,CATIA软件就是其中一例。

CATIA作为大型三维CAD软件,在最初的汽车设计领域,主要应用于正向设计。随着逆向工程技术的发展,为满足复杂曲面重建的要求, CATIA V5也提供了逆向工程模块,即数字曲面编辑模块DSE(Digitized Shape Editor) 和快速曲面重构模块QSR (Quick Surface Reconstruction) 。它涵盖逆向软件的基本点云输入和数据输出功能及点云数据处理功能,并综合应用创成式曲面设计模块GSD(Generative Shape Design) 和自由曲面造型模块FSS ( Freestyle Shape) 发挥其强大的曲面、曲线拟合功能。而且并且,由于它将逆向工程模块融于一体,实现逆向工程与正向的曲面功能的交互应用,其使用变得更为简便、灵活。本文是以某车型车门为例,应用CATIA软件的DSE、QSR 、GSD和FSS 四个模块对车身曲面重构流程作了深入探讨。

一、数据预处理

在曲面建模前,需要对点云数据进行必要的预处理,以得到建模所需的完整点云数据,因为点云数据处理结果的好坏将直接影响数学模型的成败。它主要解决两方面的问题,一方面是点云拼合,即点云的对齐和定位,另一方面是去除杂点和数据的精简。对于优秀的激光扫描测量系统来说,它不仅能得到完整的点云数据,而且能将扫描数据直接自动拼合,消除了累积拼合误差,提高了测量精度。例如德国GOM公司的ATOS测量系统,设计人员可以先利用Tritop照相测量模块测量出特征标志点的三坐标位置,将所有特征点形成个固定的坐标系统,然后使扫描数据自动拼合到该坐标系中,从而省去点云拼合的繁琐劳动。如果测量出的点云数据庞大,且在后续的CAD模型重构前还没有经过测量坐标系的对齐,那么点云拼合过程就可以在逆向工程软件Polyworks 或Rapidform 的点云预处理模块中完成。CATIA虽然也包含点云对齐功能,但相比专业的逆向软件的来说,处理海量的点云数据功能有限而且拼合质量略显不高。另外,通过CATIA测量得到的点云数据旬含一定数量的冗余点和噪声点,这些噪声点可通过肉眼观察,并通过手动去除。冗余点的存在不但增加了计算机的负担,还会影响数据处理和重构模型的速度,因此应在精度允许的范围内采用定算法对其进行精简。对于光顺情况不好,特征不明显的点云,一般可采用等距寓法来稀化精简,对于特征明显的点云,可以采用我偏差法来精简数据,此法的优点是在由率变化大的地方点云精简得少,在曲率变化小的地方点云精简得多。另外要注意,在精简点云时不要对点云进行整体删减,应分区域进行简化,并根据每个区域的曲率变化特点过滤点云,这样使精简后的点云特征更加明显。图1所示为车门原始点云,图2所示的是在CATIA的DSE模块中,对点云分区域应用弦偏差法( Adaptative )精简后的结果。由图1、图2可见,点云的轮廓特征都保留下来。

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图1 车门点云精简前

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图2 车门点云精简后

二、曲面重构

点云处理的目的是为了曲面建模并重新设计。在构建模型之前的准备工作很重要,要对汽车车身进行详细的分析,并理清产品的结构特征。复杂结构要分清基本特征和次要特征,设计人员应从基本特征人手,保证重点,然后才生成模型的基本形状,在这个基础上再完成次要细节部分的设计,如过渡面和圆角特征。具体到每一步骤的时候,可以随时调整生成方法,必要时也要调整整体思路,灵活应用。另外需要注意的是,在设计时也同时要考虑相关系统的配合协调问题,这在造型和设计阶段是重要问题。

构建模型应遵循的原则是:整体战略清晰,具体战术灵活;外部表面保证质量,内部结构保证精度。

1.点云数据的分块

点云分块是曲面建模的第一步,分块方式直接影响后续的曲面构造方式、曲面拼接和过渡效果。分块时,首先要按照点云各部分的重要程度等级,找出基本面和过渡面。基本面是产品外形的面积较大且具有较大曲率半径和一致凸凹曲率趋势的曲面。过渡面是连接两个或多个基本面的曲面,一般都是形状狭长、曲率较大、曲率变化剧烈的区域。就由面质量而言,基本面既要保证曲面精度,又要保证光顺性,而过渡面则要求保证光顺,不出现褶皱。

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图3 车门三角化网格显示分块图

对点云进行三角化网格( Mesh Creation) 显示,可以清晰看出被测物休的基本曲面和过渡曲面的构成状况,同时还可以应用根据曲率标准分块工具(Segmentation by Curvature Criterion) 对曲面点云进行分块。图3所示是应用曲率标准分块土具显示的车门三角化网格分块情况,图中车门被分成A、B两大部分,A部分基本曲面为A1、A2和A3,B部分基本曲面为B1、B2、B3和B4,它们都是曲率变化较小、轮廓清晰的大曲面,而且它们之间的过渡曲面的曲率变化较大,它们共同组合在一起构成了车门的主要曲面形状。

2.基础面的构建

(1)曲面的构建方式

采用矩形域参数曲面拟合法构建曲面,主要有两种方式一是由曲线生成曲面;二是由点云直接生成曲面。

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图4 截面线在凹槽处断开情况

自由线生成曲面的方法,是用截面法(Planar Sections) 或通过点云特征提取特征线(Curve Creation 或Create Free Edges) 的方法,经过扫掠(Sweep) 、多截面由面( Multisection Surface) 、填充( Fill )或混成(Blend) 等功能来创建光顺由面片。这种方法的关键是要有质量好的架构线和合理的曲面片生成规划。有高质量的架构线作面,曲面的精度和光顺性才能很好的保证。而只有高质量的构架线,也还是无法生成曲面或理想曲面的可设计人员在构面前一定要规划合理的曲面片生成顺序和生成方法。构建曲线的类型有直线、圆弧和样条线等多种,一般情况下采用样条线(Spline) 即可顺利完成构建。DSE模块中的3D Curve或GSD模块的Spline功能均可生成样条线,其强大的编辑功能还包含移除、增加控制点和约束控制点等,以保证曲线切矢连续或曲率连续,设计师可根据需要对已生成的样条线进行调整。此外,在GSD模块中,设计人员还经常需要对曲线进行断开(Split)、桥接(Curve Connect) 和光顺(Curve Smooth) 处理,以获得构面所需的架构线。如图4所示的是对基本曲面B2截面后所得的其中5根截面线的断开处理情况。这里的曲面规划思想是:基本曲面B2作为一整张曲率变化外凸的曲面,被凹槽B3所裁,两曲面之间由过渡面来连接。因此为构造曲面B2,需对生成的截面线在凹槽地方进行断开、连接和光顺处理,使其所有截面线的曲率变化一致。另外,对于处理好的曲线应用多截面曲面功能构面,创建曲面如图5所示。

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图5 截面线处理后构面的情况

由点云直接生成曲面的方法,是根据不同的分块点云数据应用强力匹配(Power Fit) 的方法直接生成曲面片,或用曲面与点云匹配(Fit a surface to a cloud of points) 等方法直接生成曲面片。应用强力匹配时,可以同时给定曲面片的边界曲线和边界约束等,使得生成的曲面片在满足几何形状特征的情况下尽量与点云匹配。应用曲面与点云匹配时应先创建简单由面,然后调整由面控制顶点,在保持由面质量的同时,尽量逼近点云,并保证各曲面片之间连接的连续性要求,这种方法虽能快速直接地生成较高质量的曲面,但是生成光顺曲面后的调整比较困难,曲面之间拼接的连续性约束要预先合理规划,曲面的生成反复重做较多。

图6所示是对基本曲面B3进行强力匹配后的结果,将预先绘制的曲线投影至点云上得到凹槽点云边界线,然后应用强力匹配功能,动态调整误差值(Tolerance) 、阶数( Order) 、段数(Segments) 和张力值( Tension) 等参数,进行曲面拟合。

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图6 对凹槽点云强力匹配后的曲面

上述的两种曲面生成的方法都强调预先的合理规划,不适当的构面顺序和方法将直接影响曲面的重构速度和生成质量。而且构建曲面时,应该尽量将点云分块为四边形子域,对于非四边形子域,可通过延伸边或创建边的方式使其转化成囚边形曲面。此外,曲面建模还要注意生成模型的简洁,应尽量采用简单规则曲固和大曲面。如果曲面过于零碎,会不利于后续的曲面过渡,也将影响曲面到实体的注成。

(2)曲面的修剪

图5中创建的曲面并没有完整表达出点云形状,还必须对其进行延伸、裁剪等操作,以使其完全符合点云的形状。一般的做法是对曲面进行延伸,然后将原始边界线投影,利用投影曲线裁剪掉多余的部分。CATIA的外插延伸(Extrapolate)功能包含线惜延伸和曲率延伸两种方式,分别是以边界的切矢和由率方向延伸曲面。此例中由于车门属外表面,为保证车身外表面曲率连续,应选用曲率延伸。将图5中的曲面边界延伸后,再将提出的曲面边界线投影至延伸曲面,然后利用投影线裁剪该曲面,即可得到完整曲面B2。处理结果如图7所示。

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图7 修剪后的曲面B2

3.过渡面的建立

过渡曲面是连接基本由面的曲面,其构造方式有以下几种方式:

1)在间隔的两曲面间,用混成(Blend) 生成新的曲面把两曲面连接起来,并保持连接处的曲率连续;

2)延长两曲面使它们相交,然后对其进行倒圆角处理;

3)使用FSS模块的曲面匹配(Match Surface)功能,即保持一张面不动,另一张面变形,消除两曲面间的缝隙,并且可根据需要选用位置连续、切矢连续或由率连续三种曲面连接约束。

实际应用中,应根据不同的情况,灵活选用这些方式。图7 中得到的曲面B2被图6所示的凹槽曲面裁剪后,将分为上下两部分,再通过偏移边界线裁减这两部分曲面,使这两部分分别与四槽曲面留有间隔,然后利用以上所述的第一种办法生成过渡曲面,最终结果如图8所示。可见,高质量的过渡曲面能把各基础曲面自然地融为一体,使产品外观流畅。

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图8 曲面B2和曲面B3处理图

图9所示的市最终车门表面效果图。

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图9 最终车门表面效果图

4. 曲面的分析

曲面分析包括曲面误差分拆和曲面质量分析两部分。

曲面误差分析的目的是检验曲面的精度,它是伴随着在曲面的创建过程中完成的气在曲面拟合、拼接完成后,利用距离分析功能(Distance Analysis)检测生成的曲面与原始的点云数据之间的偏差。例如,将图8 中的曲面与点云数据进行误差分析,可以得到如图10所示的误差分析III ,从图中可见,显示误差在±0.8mm之内,其中91.71 %曲面的误差控制在±0.5mm内。由于车门属车身外表面,外表面强调质量,在保证车门表面光顺的前提下,精度可稍放宽,因此该曲面的精度是比较满意的。

曲面的质量分析是对曲面进行光I原性和连续性检查,在构造曲面时,要随时检查所构建曲面的状况,注意检由面是否发生扭曲、曲率变化情况以及曲面间的几何连续情况等,以便及时修改。图11所示为车门曲面的斑马线分析结果。

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图10 点云与曲面的偏差

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图11 车门曲面的斑马线分析结果

三、小结

曲面重构中的最大问题是由面精度和质量的取舍问题,要构建高质量的曲面,精度必然要损失很多,但若要精度高,就很难做出好的曲面来,这两者无法兼得。精度应该是具有装配关系的丰几构件的重要考虑因素,而设计高质量且可制造的曲面是汽车车身设计与建模工作的首要要求,所以车身外表面的曲面重构应该是在合理的误差范围内尽量保证曲面的质量。适当地放宽精度,会使构面方法相对灵活多样,构面的成功率也相对较高。一般来说,在精度要求。0.3~0.5mm且点云质量较好的情况下用CATIA拟合出的曲面要优于专用逆向工程软件IMAGEWARE,只是前者曲面的人工控制能力比后者稍差,而且CAnA对于曲面与测量点的偏差大于O.1mm的A级曲面也完全可以胜任。因此,应用CATIA软件进行车身由面重构是一个较好的选择,可以满足产品设计的要求。

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