搜索CATIA軟件在車身曲面重構中的應用
2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
近年來,隨著人民生活水平的提高,汽車產銷量大幅度增長,市場競爭日趨激烈,各種車型不斷推陳出新。為適應市場需求,國內汽車廠家不斷采取措施,縮短開發周
期,快速推出新產品。
其中車型改進設計是縮短汽車開發周期的有效手段之一,對于提高企業的競爭力具有十分重要的意義。新車型的開發設計,是汽車車身造型設計師們利用計算機輔助造型設計工具先將在汽車模型上所獲得的數字信息構建成CAD模型,然后在此模型的基礎上進行二次創造來實現的。因此,它對現代化計算機輔助造型設計軟件工具提出了更高的要求,進而促進CAD軟件的快速發展,CATIA軟件就是其中一例。
CATIA作為大型三維CAD軟件,在最初的汽車設計領域,主要應用于正向設計。隨著逆向工程技術的發展,為滿足復雜曲面重建的要求, CATIA V5也提供了逆向工程模塊,即數字曲面編輯模塊DSE(Digitized Shape Editor) 和快速曲面重構模塊QSR (Quick Surface Reconstruction) 。它涵蓋逆向軟件的基本點云輸入和數據輸出功能及點云數據處理功能,并綜合應用創成式曲面設計模塊GSD(Generative Shape Design) 和自由曲面造型模塊FSS ( Freestyle Shape) 發揮其強大的曲面、曲線擬合功能。而且并且,由于它將逆向工程模塊融于一體,實現逆向工程與正向的曲面功能的交互應用,其使用變得更為簡便、靈活。本文是以某車型車門為例,應用CATIA軟件的DSE、QSR 、GSD和FSS 四個模塊對車身曲面重構流程作了深入探討。
一、數據預處理
在曲面建模前,需要對點云數據進行必要的預處理,以得到建模所需的完整點云數據,因為點云數據處理結果的好壞將直接影響數學模型的成敗。它主要解決兩方面的問題,一方面是點云拼合,即點云的對齊和定位,另一方面是去除雜點和數據的精簡。對于優秀的激光掃描測量系統來說,它不僅能得到完整的點云數據,而且能將掃描數據直接自動拼合,消除了累積拼合誤差,提高了測量精度。例如德國GOM公司的ATOS測量系統,設計人員可以先利用Tritop照相測量模塊測量出特征標志點的三坐標位置,將所有特征點形成個固定的坐標系統,然后使掃描數據自動拼合到該坐標系中,從而省去點云拼合的繁瑣勞動。如果測量出的點云數據龐大,且在后續的CAD模型重構前還沒有經過測量坐標系的對齊,那么點云拼合過程就可以在逆向工程軟件Polyworks 或Rapidform 的點云預處理模塊中完成。CATIA雖然也包含點云對齊功能,但相比專業的逆向軟件的來說,處理海量的點云數據功能有限而且拼合質量略顯不高。另外,通過CATIA測量得到的點云數據旬含一定數量的冗余點和噪聲點,這些噪聲點可通過肉眼觀察,并通過手動去除。冗余點的存在不但增加了計算機的負擔,還會影響數據處理和重構模型的速度,因此應在精度允許的范圍內采用定算法對其進行精簡。對于光順情況不好,特征不明顯的點云,一般可采用等距寓法來稀化精簡,對于特征明顯的點云,可以采用我偏差法來精簡數據,此法的優點是在由率變化大的地方點云精簡得少,在曲率變化小的地方點云精簡得多。另外要注意,在精簡點云時不要對點云進行整體刪減,應分區域進行簡化,并根據每個區域的曲率變化特點過濾點云,這樣使精簡后的點云特征更加明顯。圖1所示為車門原始點云,圖2所示的是在CATIA的DSE模塊中,對點云分區域應用弦偏差法( Adaptative )精簡后的結果。由圖1、圖2可見,點云的輪廓特征都保留下來。
圖1 車門點云精簡前
圖2 車門點云精簡后
二、曲面重構
點云處理的目的是為了曲面建模并重新設計。在構建模型之前的準備工作很重要,要對汽車車身進行詳細的分析,并理清產品的結構特征。復雜結構要分清基本特征和次要特征,設計人員應從基本特征人手,保證重點,然后才生成模型的基本形狀,在這個基礎上再完成次要細節部分的設計,如過渡面和圓角特征。具體到每一步驟的時候,可以隨時調整生成方法,必要時也要調整整體思路,靈活應用。另外需要注意的是,在設計時也同時要考慮相關系統的配合協調問題,這在造型和設計階段是重要問題。
構建模型應遵循的原則是:整體戰略清晰,具體戰術靈活;外部表面保證質量,內部結構保證精度。
1.點云數據的分塊
點云分塊是曲面建模的第一步,分塊方式直接影響后續的曲面構造方式、曲面拼接和過渡效果。分塊時,首先要按照點云各部分的重要程度等級,找出基本面和過渡面。基本面是產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的曲面。過渡面是連接兩個或多個基本面的曲面,一般都是形狀狹長、曲率較大、曲率變化劇烈的區域。就由面質量而言,基本面既要保證曲面精度,又要保證光順性,而過渡面則要求保證光順,不出現褶皺。
圖3 車門三角化網格顯示分塊圖
對點云進行三角化網格( Mesh Creation) 顯示,可以清晰看出被測物休的基本曲面和過渡曲面的構成狀況,同時還可以應用根據曲率標準分塊工具(Segmentation by Curvature Criterion) 對曲面點云進行分塊。圖3所示是應用曲率標準分塊土具顯示的車門三角化網格分塊情況,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,而且它們之間的過渡曲面的曲率變化較大,它們共同組合在一起構成了車門的主要曲面形狀。
2.基礎面的構建
(1)曲面的構建方式
采用矩形域參數曲面擬合法構建曲面,主要有兩種方式一是由曲線生成曲面;二是由點云直接生成曲面。
圖4 截面線在凹槽處斷開情況
自由線生成曲面的方法,是用截面法(Planar Sections) 或通過點云特征提取特征線(Curve Creation 或Create Free Edges) 的方法,經過掃掠(Sweep) 、多截面由面( Multisection Surface) 、填充( Fill )或混成(Blend) 等功能來創建光順由面片。這種方法的關鍵是要有質量好的架構線和合理的曲面片生成規劃。有高質量的架構線作面,曲面的精度和光順性才能很好的保證。而只有高質量的構架線,也還是無法生成曲面或理想曲面的可設計人員在構面前一定要規劃合理的曲面片生成順序和生成方法。構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,其強大的編輯功能還包含移除、增加控制點和約束控制點等,以保證曲線切矢連續或曲率連續,設計師可根據需要對已生成的樣條線進行調整。此外,在GSD模塊中,設計人員還經常需要對曲線進行斷開(Split)、橋接(Curve Connect) 和光順(Curve Smooth) 處理,以獲得構面所需的架構線。如圖4所示的是對基本曲面B2截面后所得的其中5根截面線的斷開處理情況。這里的曲面規劃思想是: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,兩曲面之間由過渡面來連接。因此為構造曲面B2,需對生成的截面線在凹槽地方進行斷開、連接和光順處理,使其所有截面線的曲率變化一致。另外,對于處理好的曲線應用多截面曲面功能構面,創建曲面如圖5所示。
圖5 截面線處理后構面的情況
由點云直接生成曲面的方法,是根據不同的分塊點云數據應用強力匹配(Power Fit) 的方法直接生成曲面片,或用曲面與點云匹配(Fit a surface to a cloud of points) 等方法直接生成曲面片。應用強力匹配時,可以同時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云匹配。應用曲面與點云匹配時應先創建簡單由面,然后調整由面控制頂點,在保持由面質量的同時,盡量逼近點云,并保證各曲面片之間連接的連續性要求,這種方法雖能快速直接地生成較高質量的曲面,但是生成光順曲面后的調整比較困難,曲面之間拼接的連續性約束要預先合理規劃,曲面的生成反復重做較多。
圖6所示是對基本曲面B3進行強力匹配后的結果,將預先繪制的曲線投影至點云上得到凹槽點云邊界線,然后應用強力匹配功能,動態調整誤差值(Tolerance) 、階數( Order) 、段數(Segments) 和張力值( Tension) 等參數,進行曲面擬合。
圖6 對凹槽點云強力匹配后的曲面
上述的兩種曲面生成的方法都強調預先的合理規劃,不適當的構面順序和方法將直接影響曲面的重構速度和生成質量。而且構建曲面時,應該盡量將點云分塊為四邊形子域,對于非四邊形子域,可通過延伸邊或創建邊的方式使其轉化成囚邊形曲面。此外,曲面建模還要注意生成模型的簡潔,應盡量采用簡單規則曲固和大曲面。如果曲面過于零碎,會不利于后續的曲面過渡,也將影響曲面到實體的注成。
(2)曲面的修剪
圖5中創建的曲面并沒有完整表達出點云形狀,還必須對其進行延伸、裁剪等操作,以使其完全符合點云的形狀。一般的做法是對曲面進行延伸,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,應選用曲率延伸。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。處理結果如圖7所示。
圖7 修剪后的曲面B2
3.過渡面的建立
過渡曲面是連接基本由面的曲面,其構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,并保持連接處的曲率連續;
2)延長兩曲面使它們相交,然后對其進行倒圓角處理;
3)使用FSS模塊的曲面匹配(Match Surface)功能,即保持一張面不動,另一張面變形,消除兩曲面間的縫隙,并且可根據需要選用位置連續、切矢連續或由率連續三種曲面連接約束。
實際應用中,應根據不同的情況,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渡曲面,最終結果如圖8所示。可見,高質量的過渡曲面能把各基礎曲面自然地融為一體,使產品外觀流暢。
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量分析兩部分。
曲面誤差分析的目的是檢驗曲面的精度,它是伴隨著在曲面的創建過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)檢測生成的曲面與原始的點云數據之間的偏差。例如,將圖8 中的曲面與點云數據進行誤差分析,可以得到如圖10所示的誤差分析III ,從圖中可見,顯示誤差在±0.8mm之內,其中91.71 %曲面的誤差控制在±0.5mm內。由于車門屬車身外表面,外表面強調質量,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。
曲面的質量分析是對曲面進行光I原性和連續性檢查,在構造曲面時,要隨時檢查所構建曲面的狀況,注意檢由面是否發生扭曲、曲率變化情況以及曲面間的幾何連續情況等,以便及時修改。圖11所示為車門曲面的斑馬線分析結果。
圖10 點云與曲面的偏差
圖11 車門曲面的斑馬線分析結果
三、小結
曲面重構中的最大問題是由面精度和質量的取舍問題,要構建高質量的曲面,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,這兩者無法兼得。精度應該是具有裝配關系的豐幾構件的重要考慮因素,而設計高質量且可制造的曲面是汽車車身設計與建模工作的首要要求,所以車身外表面的曲面重構應該是在合理的誤差范圍內盡量保證曲面的質量。適當地放寬精度,會使構面方法相對靈活多樣,構面的成功率也相對較高。一般來說,在精度要求。0.3~0.5mm且點云質量較好的情況下用CATIA擬合出的曲面要優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對于曲面與測量點的偏差大于O.1mm的A級曲面也完全可以勝任。因此,應用CATIA軟件進行車身由面重構是一個較好的選擇,可以滿足產品設計的要求。
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