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《吉林大学》 2004年
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汽车车身光顺曲面模型创建与评价方法研究

马铁利  
【摘要】: 汽车工业是一个技术高度密集的成熟产业,是当今许多高新技术的载体,而产品开发是汽车工业技术的核心。经过近十来年的高速发展,我国的汽车工业综合技术开发水平已经有了很大提高,紧跟国际汽车发展潮流。计算机与信息技术在汽车开发中得到越来越广泛的应用,从“甩图板工程”到搭建三维设计平台到实现全三维数字开发,我国的汽车新产品开发技术上了一个新的台阶。 但就总体而言,与国外高水平相比,我国的汽车开发技术还存在相当大的差距。我们应用现代技术进行车身数字模型设计工作仅仅是刚刚开始,许多技术仍在探索中,有些国外技术我们引进后应用得不成熟,有待于吸收和推陈出新。例如曲面光顺技术、计算机检测评价技术、车身数字曲面模型的实物快速原型技术及内饰模型制作技术等等。 随着计算机技术和信息技术的飞速发展,其应用范围也越来越广,汽车车身设计由此进入了三维几何建模时代。由于三维机械CAD的逐步普及和CAD数据标准的日渐丰富和完善,对车身曲面数学模型的质量要求越来越高。考虑造型、分析、工艺制造等方面,对车身曲面光顺的研究越来越深入。 国外学者在曲面光顺的研究与应用方面已相当深入,并且不断有新的理论涌现,新的方法加入到开发应用行列,如小波光顺曲面评价,光照模型等。 国内在这方面的高水平研究首推北京航空航天大学和浙江大学。由苏步青开始的一代代学者作了大量的卓有成效的工作,北京航空航天大学的施法中和朱心雄等提出了曲面光顺的评价准则,浙江大学的王国瑾等对当前流行的曲面及其数据处理的各种方法进行了细致的研究,推导了新的公式,提出了新的算 WP=136 法,编写了大量程序。 为了实现造型设计意图并保证车身曲面设计质量,使下游的分析仿真和工艺规划等各项操作更加迅捷和便利,本文提出车身光顺曲面模型的概念,对其创建和评价方法作了深入细致的探讨。 首先对汽车车身设计技术的变迁作了概述,对车身三维设计技术的发展作了概括,对车身开发设计的发展趋势中的新技术进行了介绍,尤其是逆向工程技术与虚拟产品开发技术的应用与发展。 在汽车车身曲面设计中用到了多种曲面描述理论和创建方法,论文对Bézier理论和NURBS理论及其几何属性作了详细描述,并且编写了相应的程序。分析了作为CAD和CAGD曲线曲面描述基准的B样条的创建方法和应注意的问题。在此基础上,提出了一种改进的de Boor算法,即采用累加弦长的参数化方法对节点向量进行非均匀处理,将控制点的分布反应到节点向量中,使生成的B样条曲线从形状上更加光顺,更符合设计要求。然后介绍了在车身曲面创建方法中常用的B样条张量积曲面的定义,分析了处理点云数据常用的最小二乘样条拟合和薄板样条拟合方法,并给出了应用实例。接着叙述了逆向工程中的点云处理和提取方法,介绍了Voronoi分割和Delaunay三角化的原理和方法,用实例作了检验。还分析了能保留形状特征的弦长过滤方法,给出了快速得到高质量点云数据的处理流程。 接着提出了车身光顺曲面模型的概念,提出了基于几何二阶不变量的车身光顺模型的五条准则和相关量化指标要求,主要是单个曲面的质量和曲面间拼接的连续要求。详细分析了车身光顺曲面模型的创建方法。对车身设计中的曲面问题进行了解剖,给出了创建车身光顺曲面模型的解决思路和创建流程,使车身曲面模型的设计过程更加简便易行。 接下来叙述了曲面的光顺评价和检查方法,着重描述了车身曲面设计中广泛应用的基于曲率的方法和光照模型方法,对曲率图、等照度线(斑马线)、反射线(包括反射圆)、高光线检查方法的原理进行了分析和比较,并用实例作了验证。对综合采用曲率图和高光线法评价曲面质量进行了仔细分析和实例验证。 然后引入了一种全新的直接评价曲面光顺的方法—基于三阶几何不变量的曲面光顺处理方法。曲面光顺的度量是通过要求所有给定的曲线都满足恰当的 WP=137 光顺条件来实现的。在用曲面的二阶不变量曲率值 作为光顺准则的基础上,通过对其求导 ,给出了用来表达光顺度量的六个基本的三阶不变量,推导了用主曲率、高斯曲率及平均曲率计算的三阶不变量的公式,并用实例作了验证。此方法是基于三阶不变量的度量方法,比我们熟悉的基于二阶不变量的方法(如曲率方法、光照模型方法等)更直接。期待着该方法在车身曲面光顺中发挥作用,进一步减少车身设计中“反复验证”的循环,使车身曲面设计过程更直观、更高效。 接下来论文用作者参与的三个车身开发的工程实例对车身光顺曲面模型的创建与评价方法进行了应用实现,从轿车、轻卡和大客车三个方面对车身曲面建模过程中遇到的典型问题作了详细分析,并给出了针对性地解决方法。在具体到如何应用前面描述的车身光顺曲面模型的创建与评价方法时,文中给出了有代表性的应用实例,如特征曲面的生成,多边区域光顺处理,零件分块的方法,数字模型与实物模型的比较,以及大客车三角区域的创建方法等,力图对车身设计提供有益的思路和借鉴。 车身光顺曲面模型的创建是一个不断追求完美的过程,文中提出的光顺要求可解决目前困扰车身开发设计人员的曲面模型的光顺问题,希望为提高车身开发效率和质
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