基于ICEM SURF的汽車造型A級曲面設計研究

張琦 曲文杰 王潤澤

摘要：汽車外觀“顏值”已成為體現量產車產品力的第一要素，A級曲面是汽車造型設計的終端環節?；贗CEM SURF軟件，通過實際案例分析了A級曲面中主曲面和過渡曲面的設計方法，并對A級曲面品質控制與評價策略以及工程條件對A級曲面設計的影響兩個方面進行深入探討，總結出適用于現代特色汽車造型A級曲面模型的設計與評價方法。

關鍵詞：汽車造型；A級曲面；逆向設計；曲面品質控制

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-04-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.015

1 前言

隨著社會的發展和科技的進步，人們對美好生活的追求和審美能力日益增長，汽車外觀“顏值”已成為體現量產車產品力的第一要素，汽車造型設計主要涵蓋創意設計、數字化設計、色彩設計及油泥模型設計四個開發方向，而A級曲面設計隸屬于數字化設計，是整個造型設計的終端階段，A級曲面品質的優劣，直接影響整車的品質，因此在整車開發流程中的重要程度越來越顯著。

逆向工程（Reverse Engineering，簡稱RE）是根據現有的模型，利用數字化測試設備獲取實體數據，對數據進行處理后進而重構出完整的三維模型，在此基礎上，進行模型優化、創新設計、二次開發[1]，應用極為廣泛，尤其在汽車、飛機等制造業當中發揮了巨大的作用。汽車造型A級曲面設計主要就是運用逆向工程技術，通過對汽車油泥實體模型進行逆向掃描，同時結合造型創意效果圖、CAS曲面數據、工程布置及結構斷面等要求進行曲面設計、造型特征優化以及曲面的品質控制，最終實現高品質造型三維曲面模型的建立與輸出。

2 汽車造型A級曲面設計

2.1 汽車造型A級曲面定義及軟件

汽車A級曲面是指滿足設計審美要求、曲面內部質量要求、工程布置及后續結構設計要求和模具制造工藝要求的可見車身外表面[2]。汽車造型A級曲面設計是汽車造型設計過程中不可或缺的一個階段，在汽車整車開發的整個生命周期中是實現造型創意與工程設計之間完美銜接的關鍵環節。

A級曲面設計應用的軟件工具多種多樣，如ICEM SURF、Alias、Catia等，其中軟件ICEM SURF在自由曲面設計領域歷史悠久，數據制作質量好，是公認的主流設計軟件之一，長期處于領先地位，該軟件具有柔性、靈活、強大的建模和分析功能，可以完成設計環境所需的高質量復雜曲面，并可大大縮短設計時間，提高整體設計效率，著名的汽車公司如福特、寶馬、大眾、雪鐵龍、保時捷、標致、捷豹等都是ICEM SURF的客戶[3]。

2.2 汽車造型A級曲面設計流程

A級曲面設計處于整車開發周期中的造型數字化開發階段，定位于整車設計開發的前期，A級曲面模型數據的凍結與交付意味著當前造型設計的結束，也代表著下游工程生產數據開發的正式開始。A級曲面設計流程如圖1所示，主要包括油泥模型逆向掃描、點云數據處理、A級曲面設計、曲面品質控制四個模塊。

3 A級曲面的設計方法

汽車造型A級曲面主要由兩類曲面構成，分別是主曲面和過渡曲面。

3.1 主曲面設計方法

a.點云預處理：整車表面點云數據量相當龐大，需要首先對逆向后的點云數據進行稀釋、降噪及拼接處理，在保證點云整體框架和完整性的基礎上，盡可能降低點云的密集程度，提高設計及數據運行效率。

b.曲面架構邏輯設定：結合創意設計意圖、工程結構及布置條件的輸入，分析點云數據，定義曲面的設計邏輯，明確主曲面的設計方式以及典型造型特征的基本類型，建立各個主曲面的搭建層級和次序。

c.主曲面的設計與表達：依據設計要求開展主曲面的設計，按照由點成線、由線成面的基本方法首先構造出主要特征曲面，如前后保險杠主曲面、前后風窗和車頂主曲面、車身側圍曲面等，然后再確保主曲面之間的連續性要求滿足曲率連續或曲率切矢連續，圖2為某車型后保險杠曲面曲率連續示意。

3.2 倒角過渡曲面設計方法

倒角過渡曲面常見的主要有三種，分別是普通三邊倒角過渡、特殊三邊倒角過渡和多邊面倒角過渡。

a.普通三邊倒角過渡：是最為一般性的過渡曲面，在A級曲面中多出現在結構翻邊的位置，難度最低，采用ICEM SURF中fillet命令即可實現。

b.特殊三邊倒角過渡：若需要倒角的曲面邊界連續性為切矢連續，則有可能存在倒角面匹配效果不好的情況，處理方法為先將需要倒角的曲面兩邊作出法向翻邊，用兩個翻邊對倒角面進行裁切后再將其與主曲面邊界進行連續性匹配，難度適中，多出現在對連續性有要求的曲面部位。

c.多邊面倒角過渡：是難度較高的一種過渡曲面，設計原則為反倒角疊加到正倒角上、小倒角疊加到大倒角上，在單獨曲面無法實現連續性匹配要求時，對曲面進行一分為二的裁切處理，但是仍要盡可能保證用較少的曲面數量來實現連續性匹配達成，圖3為多邊面倒角過渡示意圖。

3.3 漸消特征的過渡曲面設計方法

漸消特征是汽車造型設計中運用較為頻繁的表達方式，在實際工作應用中總結出兩類漸消情況，第一類是漸消特征設計的較長、較為平緩的情況，第二類是漸消特征設計的較短、較為急劇的情況。

a.平緩漸消特征的過渡曲面設計：平緩漸消特征的過渡曲面的設計方法為將正反倒角終點處邊緣完全融合在一條邊上，如圖4所示。

b.急劇漸消特征的過渡曲面設計：典型設計方法為正反倒角在終點處邊緣進行部分疊加。至于是正倒角疊加到反倒角上還是反過來反倒角疊加到正倒角上，疊加的部分是多是少等方面則要具體問題具體分析，一般原則是反倒角疊加到正倒角上、小倒角疊加到大倒角上，但是這并不是絕對的，還要根據實際的視覺效果進行判定，見圖5。

4 A級曲面品質控制策略與評價方法

4.1 A級曲面品質控制策略

汽車造型設計A級曲面品質控制策略主要體現在四個方面：造型創意表達的一致性、點云逆向數據的擬合度、曲面拼接的光順度、曲面數據結構的合理性，主要內容詳見表1。

4.2 A級曲面品質評價方法

目前業內對汽車A級曲面品質的評價體系各有不同[4]，有的公司評價標準主要包括面片品質檢測、幾何連續性檢測、曲率梳檢測、高光檢測四個方面，而有的公司則從車身曲面精度、光順性、美觀性、結構性、工藝性和經濟性六個方面來對車身曲面進行評價[5]。

雖然業界尚無統一評價標準，但至少初版A面完成之后和終版A面凍結之前都需要開展評價。整體而言，對A級曲面品質主要采用主觀和客觀兩個維度進行評價，主觀評價核心方法是通過人眼直觀視覺感受模型整體及局部細節的光順程度，客觀量化是通過運用ICEM SURF中幾何連續性、曲率梳、斑馬線等檢測手段進行數值評價。評價對象有造型特征曲線的表達、造型型面的表達、數據結構的邏輯三類。評價內容主要包括造型特征型面及型線之間的連續流暢程度、加速特性是否表達完整、多重視角切換狀態下的視錯覺的補償是否合理、單一曲面片控制點的數量是否異常、控制點排布銜接是否均勻。

5 工程條件對A級曲面設計的影響

5.1 功能性系統零部件技術要求對A級曲面設計的影響

風窗玻璃總成、車門玻璃總成、外后視鏡總成、儀表屏幕等屬于功能類系統零部件，這類系統零部件與人機空間布置、空氣動力學性能、裝備定義及產品功能配置等強相關，對造型A級曲面的設計產生了極大影響。

比如如果配置駕駛員抬頭顯示功能的話前風窗玻璃就需要應用楔形玻璃，楔形玻璃與普通玻璃對造型型面曲率要求是不同的；再比如占據車身側圍造型曲面表面積將近1/3的車門玻璃不僅有透光、升降等要求，還需要保證駕乘人員頭部、肩部、肘部、臀部空間等人機布置需要，并且車門玻璃的型面還要兼顧車門總成的整體厚度設計，因此一般構建車身側圍曲面時候都是以車窗玻璃型面為出發點的，常規車門玻璃曲面主要有桶形曲面和螺旋形曲面兩種[6]。

5.2 尺寸工程輸入條件對過渡曲面設計的影響

汽車整車研發是一個高度復雜的系統工程，涉及成百上千個零部件的設計生產和裝配制造，覆蓋沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大工藝，其中每個環節都會成為整車尺寸誤差的來源，從人、機、料、法、環、測六個維度都可能出現設計偏差、制造偏差、裝配偏差，因此為了提高研發質量、提升研發效率，尺寸技術規范（Dimension Technical Specification，DTS）應運而生，在滿足整車尺寸目標的前提下，通過尺寸技術規范系統設計，可實現產品結構設計、工藝方案設計及測量方案設計與實施[7]。以乘用車為例，目前車身DTS設計暫無明確的法規要求，也沒有一個絕對的標準，工程部門DTS工程師對乘用車DTS所作出的定義及設計控制主要是基于競品車型DTS對標數據庫以及綜合考慮主機廠現有實際工藝能力來實現的。

目前工程DTS設計與造型A級曲面過渡曲面設計的要求不同之處主要集中在倒角方式上，主要有以下三種情況：

a.工程DTS是在已有倒角的前提下進行定義的，而造型A級曲面設計方式是先求出曲面間的理論交線后再進行倒角過渡。

b.工程倒角連續性方面一般都是滿足切矢連續即可，而造型A級曲面設計的往往是切矢連續的倒角和曲率連續的倒角并存。

c.工程倒角存在三角面片，而造型倒角是不允許出現三角面片狀態的。

汽車A級曲面設計應滿足工程DTS輸入條件，但是工程DTS理論值的設定也應考慮造型設計整體的視覺效果，若影響實際造型效果，造型部門可以對工程DTS專業進行反饋并促其重新對DTS進行定義或優化。

6 結語

汽車造型A級曲面是上承造型、下啟工程的關鍵載體，既要滿足造型創意設計的表達實現，又要滿足各種工程可行性的限制和約束條件。本文提出的汽車造型A級曲面的設計及曲面品質控制與評價的方法，無論是乘用車、商用車、特種車都適用，旨在為汽車造型設計提供一份有效的參考。

參考文獻：

[1]金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]陳紅.汽車造型設計流程中A級曲面的探析[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（4）：172.

[3]楊春雨.曲面魔術師——ICEM SURF軟件學習指南[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2015.

[4]吳怡文，李宏華，趙福全.基于ICEM surf的汽車A級曲面評價方法[J].汽車技術，2011（12）：51-55.

[5]彭幸玲.電動汽車車身曲面造型設計方法研究[D].揚州：揚州大學，2020.

[6]顧君.汽車正向開發中車門玻璃曲面的設計與校核[J].汽車零部件.2022（1）：107-108.

[7]曹渡，劉永清.汽車尺寸工程技術[M].北京：機械工業出版社，2017.

作者簡介：

張琦，女，1986年生，工程師，研究方向為汽車造型及車身內外飾對標分析。