基于CATIA的产品渐消曲面造型思路与设计方法研究*

卜 俊, 沙 强， 唐 刚

(1.厦门大学 嘉庚学院，福建 漳州 363105，2.江苏大学 艺术学院，江苏 镇江 212013)

基于CATIA的产品渐消曲面造型思路与设计方法研究*

卜 俊1, 沙 强2， 唐 刚1

(1.厦门大学 嘉庚学院，福建 漳州 363105，2.江苏大学 艺术学院，江苏 镇江 212013)

通过分析渐消面的特点和造型特征，根据渐消面上线、面变化的特征将其分为曲线渐消、曲面渐消、倒角渐消3种类型；提出了可适用于各种类型渐消面的造型思路，并结合CATIA中创成式曲面模块和自由曲面模块对每种类型渐消曲面进行了建模验证；阐述了其构建思路的实践、曲面处理技巧及曲面质量评价的方法，为CATIA环境下的工业产品曲面造型设计提供参考。

产品造型设计;渐消面;CATIA

渐消面又被称为消失曲，它突破了传统造型，使产品表面具有美感和层次感，是一种艺术性和技术性相对完美结合的曲面特征[1]，通常表现为曲面上局部特征从明显逐渐变化至和周围曲面融合并消失，是一种独特的造型语言。如图1所示，在类似汽车等拥有大面积曲面造型的产品设计中，渐消面的应用可以丰富产品表面造型，增加曲面流畅感和层次感，凸显时尚和优美的外观；同时，在一些产品的细节处采用渐消面设计还可以增加手与接触部位的摩擦力，起到优化人机舒适度，强调安全、合理的人机关系的良好效果[2]。

CATIA集多种功能模块为一体且有强大的曲面设计功能和较高的精度[3],其采用B样条曲线原理建立空间曲面，克服了由Bezier曲线生成的曲面片之间不具有曲率连续性的缺点，可生成高质量的空间曲面[4]。在运用CATIA进行曲面建模的过程中同时也应注重对曲面形态特征和建模方法的研究，从而提升产品曲面建模品质和效率，缩短产品开发周期。

图1 产品造型中的渐消面Fig.1 Fading surface in product design

1 工业产品造型中渐消面的类型及特点

渐消面是增强曲面设计感的一种常用手段，常用于产品造型的细节处[5]。产品造型中渐消面形态各异，按其在实际应用中的形成方式和特性可大致分为3类。

1.1 曲线渐消

曲线渐消特征表现形式为一条棱线，如图2所示，它可以看做是一条形状规则的曲线产生于两个曲面，呈一定变化趋势后又消失于两个曲面。曲线渐消具有棱角转折、硬结合等特征，运用于产品造型中会让人感觉到简洁硬朗，具有力量感、雕塑感、方向感[6]。

图2 产品中的曲线渐消特征Fig.2 The feature of curve fading surface

1.2 曲面渐消

在产品造型设计中曲面渐消特征经常被运用在各类有层次的曲面之间，其表现形式为过渡面与具有层次的两个或多个曲面的交线逐渐融合至消失，具有高度差的两个或多个曲面最终过渡成为一个面。这种渐消特征的运用增加了产品表面造型的层次感，丰富形态的同时让人产生视觉美感，如图3所示。

图3 产品中的曲面渐消特征Fig.3 Surface fading feature in product

1.3 特征渐消

特征渐消也称连续性渐消，运用较为普遍。它本身就可以看做是一个相对独立的曲面，其特征从开始至消失都在一个基面上，不存在基面与基面之间的高度差。这种类型渐消面经常用来作为面与面之间细节的处理，如图4所示。

图4 具有特征渐消特征的渐消面Fig.4 The fading surface with traits

2 基于CATIA的工业产品渐消面造型思路

2.1 渐消面的构成及一般建模思路

为了清楚地了解渐消面的构成原理，可在CATIA中按渐消面曲面变化特征对其模型进行简化处理。如图5所示，渐消面一般由A、B、C三个曲面构成，其中曲面A是渐消面基础曲面；曲面B一端与曲面A呈曲率连续，另一端与曲面A存在一定的高度差；曲面C是连接曲面A和曲面B的消失面，是整个渐消面的核心曲面，它分别与曲面A和曲面B保持曲率、切线连续。由上述简化模型分析得知渐消面一般建模思路如下：

(1) 首先，建立基础曲面A，这种曲面一般面积较大，建模相对简单。

(2) 其次，建立曲面B，并保持曲面B的一端与曲面A的边缘呈曲率连续，另一端与曲面A形成一定高度差。

(3) 最后，用补面的方式使一组曲线按一定的渐变规律变化即可生成需要的消失面C。

2.2 不同类型渐消面建模思路总结

由于渐消面形态各异，对各曲线、曲面之间的衔接要求也不尽相同。基于上述一般造型思路并结合曲线渐消、曲面渐消、特征渐消的造型特点加以细化可以得出不同类型渐消面造型思路，如图6所示。

(1) 曲线渐消：如图6(a)所示，当曲面B与曲面A不重合且一端与曲面A在消失点处融合时，设置两曲面中间衔接部分呈点连续(即两曲面没有形成高度差)后可得到曲线渐消特征。此时曲线渐消造型由曲面A和曲面B构成，曲面C消失，在曲面A与曲面B接合处会形成一条棱线。

图5 渐消面的构成示意图Fig.5 The common structure of fading surface

图6 不同类型渐消曲面的建构图Fig.6 The constitution of different styles of fading surfaces

(2) 曲面渐消：如图6(b)所示，当曲面B的一端与曲面A呈曲率连续且另一端与曲面A有明显的高度差时，利用补面命令并设置边缘连续性为切线或曲率连续可得到曲面渐消特征。此时曲面渐消造型由曲面A、B、C共同组成，曲面C两端与A、B曲面呈相切或曲率连续，中间部分则保持明显的曲面变化，曲面C轮廓形状可以通过改变边缘约束条件来实现。

(3) 特征渐消：如图6(c)所示，当曲面B与曲面A重合时，在划定的范围内增加特征控制线并设置边缘约束条件后可通过补面方式获得特征渐消面。此时特征渐消造型由曲面A和曲面C组成，曲面B与曲面A重合，曲面C边缘与曲面A呈曲率连续且所需要表达的特征全部集中于曲面C上。

3 CATIA中产品渐消面建模方法

3.1 曲线渐消造型的构建方法

曲线渐消特征通常由基面、渐消特征面和过渡面三部分组成，通过面与面之间的衔接形成流畅的“线形”特征，最终消失于一点。为避免过渡面影响其他曲面质量，首先应该确定渐消面的消失点，然后再做曲面过渡保证曲面质量，具体步骤如下。

(1) 创建渐消特征线。在曲面模块中建立曲线渐消面的渐消特征线及辅助曲线。可用曲率梳对曲线进行检测以保证曲线的光顺度，如图7所示。

(2) 创建过渡曲面。在渐消特征线上选取消失点P，在FreeStyle模块下横向拉伸渐消特征线形成辅助面B，然后将辅助面B与辅助轮廓线进行桥接，生成过渡面。桥接时应使过渡面与辅助面B实现G1切线连续，保证对称后的两个过渡面的光顺性，如图8所示。

图7 渐消特征线及辅助线的建立Fig.7 The construction of fading and auxiliary line

图8 过渡面的建立Fig.8 The construction of transition surface

(3) 建立曲线渐消特征曲面。以渐消特征线中点和辅助轮廓线1的中点为端点曲线并拉伸形成辅助曲面C。如图9所示，选取网状曲面命令以过渡面边缘线(设置G2曲率连续)和辅助曲面C边缘(设置G1切线连续)为曲面的轮廓，然后添加渐消特征线和辅助轮廓线1为引导线生成渐消特征面，生成的渐消面经对称后完成曲线渐消造型，如图10所示。

图9 渐消特征面的建立Fig.9 The construction of fading surface

图10 最终完成曲面Fig.10 The completed surface

3.2 曲面渐消造型的构建方法

曲面渐消由两个具有高度差且曲面的法向方向不同的曲面和一个渐消特征面组成，渐消特征面从两曲面的一端开始至另一端消失，将两个面巧妙地融合在一起，丰富特征的同时也起到过渡作用。以下以汽车侧身曲面渐消造型为例进行说明。

(1) 构建汽车侧身主体基面。用3D空间曲线构建车身边界轮廓，调整曲线控制点至合适位置以修整车身轮廓,接着在创成式模块中用填充命令依次选择各个边界线，生成侧身主体曲面A，如图11所示。

图11 侧身主体曲面建立 Fig.11 The construction of sideway surface

(2) 曲面修剪和延拓形成曲面之间高度差。点击草图命令绘制曲面渐消轮廓，绘制完成后对车身曲面进行分割得到曲面A和曲面B。然后将曲面B沿着某一方向偏移一定距离形成曲面渐消的高度差。再次修剪曲面B, 完成后用FreeStyle模块中桥接命令将修剪曲面B和曲面A边缘进行桥接，边缘处形成曲率(G2)连续，如图12所示。

图12 曲面修剪和延拓Fig.12 Surface trimming and extension

(3) 生成渐消曲面。如图13所示，将新生成的曲面和和曲面B结合形成新的曲面C，用草图命令画出草图轮廓2后对新生成的曲面C进行修剪。最后利用桥接命令衔接曲面A和曲面C形成渐消曲面。由于所做的造型有转折，因而可用两个或三个光滑的曲面拼接生成，以此保证曲面的连续性，最终生成曲面效果，如图14所示。

图13 再次修剪曲面Fig.13 Re-trimmiing of surface

图14 形成曲面渐消造型Fig.14 Forming fading surface

3.3 特征渐消造型的构建方法

由于特征渐消面是个相对独立的曲面，起始面和消失面都在同一个曲面上，因而创建较为简单，多出现在产品细节上。以月牙造型为例，其一般步骤如下。

(1) 创建基准面。该曲面是创建自由形状的基础参照曲面，可以是拉伸、边界混合等任何形式的曲面对象[7]。创建月牙形轮廓和基准曲面A并对基准曲面修剪，如图15所示。

图15 创建母体曲面Fig.15 Create a principal surface

(2) 建立渐消特征线。在月牙轮廓的中点处提取曲面A上的等参数曲线生成曲线1、曲线2。如图16所示，以曲线1和曲线2为基线，曲线3分别于曲线1和曲线2曲率连续。接着提取月牙轮廓边缘生成曲线4、曲线5、曲线6和曲线7。

图16 制作渐消面边缘线Fig.16 Create edge lines of fading surface

(3) 生成特征渐消面。如图17所示，在自由曲面模块中选取网状曲面命令并且以曲线6、曲线7为引导线(边缘G1连续)，曲线3(主轮廓)、曲线4、曲线5位轮廓生成特征渐消面，如图18所示。

图17 生成特征渐消面Fig.17 Forming feature fading surface

图18 特征渐消造型最终效果Fig.18 Final shape of feature fading surface

3.4 渐消曲面质量评价

为保证渐消面的建模质量，应对所完成的曲面进行质量评价。常用的评价方法包括等照度线评价、界面曲率梳评价、高亮分析评价、反射线分析评价等，其中等照度线由于显示比较直观，常用于曲面光顺性分析[8]。

等照度线是通过将球面或柱面上黑白相间的条纹投射到曲面上来检查曲面质量的方法，如条纹粗细和间隔分布均匀则表面光顺，若条纹出现间隔不均匀或出现明显的转折拐点则表示没达到曲率连续。如图19所示，以曲线渐消面为例，在曲线渐消面中消失点左侧条纹出现尖角转折，说明把左侧两边曲面以G0(点)连续形式存在，而消失点右侧部分条纹逐渐趋于平缓过渡均匀，说明两曲面逐渐由点连续逐渐变化为曲率连续，符合曲线渐消特征。

4 结 论

(1) 分析产品渐消面在产品中的作用，根据其渐消造型特征将其分为3类：曲线渐消面、曲面渐消面、特征渐消面。

(2) 阐述CATIA曲面造型的基本原理及一般构建思路并在此基础上结合渐消面的特点归纳出上述3种渐消面的构建新思路和方法，见表1。

图19 曲线渐消面等照度线评价Fig.19 The iso-illuminance curve evaluation of curve fading surface

(3) 在CATIA环境中结合案例分别对曲线渐消面、曲面渐消曲面和特征渐消面做出实践验证并阐述曲面质量评价方法。

由于渐消面形态各异，设计方法也不尽相同。笔者结合案例分析归纳出CATIA环境下的曲线渐消面、曲面渐消面和特征渐消面3种典型渐消曲面的构建思路和曲面评价方法，为计算机辅助设计环境下的曲面造型设计提供一定的参考。

表1 CATIA渐消面归纳

[1] 黄玉娇，李志刚. 基于Pro/E消失面的构建[J]．制造业自动化，2012，34(7)：84-86

HUANG Y J,LI Z G.Construction of Gradual Disappearing Surface Based on Pro/E[J].Manufacturing Automation,2012,34(7):84-86

[2] 张崟．基于 Rhinoceros 的产品渐消曲面建模方法研究[J]．机械设计，2014，31(2)：103-106

ZHANG Y.Research on Modeling Method of Fading Surfaces in Product Design Based on Rhinoceros [J].Journal of Machine Design,2014,31(2):103-106

[3] 蔡锦阳，孙刚，徐康乐．CATIA曲面造型技术在大型民用客机增升装置设计中的应用[J].复旦学报(自然科学版)，2011，50(6)：773-778

CAI J Y,SUN G,XU K L.The Application of Surface Modeling Technology with CATIA in High-Lift-Device Design of Commercial Subsonic Airliners [J].Journal of Fudan University (Natural Science),2011,50(6):773-778

[4] 武振锋，谢坤，陈周峰．基于CATIA的轿车引擎盖逆向设计与质量评价[J].机械设计，2013，30(10)：70-72

WU Z F,XIE K,CHEN Z F.Reverse Design of Car Engine Hood and Its Quality Evaluation Based on CATIA [J].Journal of Machine Design,2013,30(10):70-72

[5] 谢英星．基于 Pro/E 典型渐消失曲面的构面方法研究[J]．机械制造与自动化，2014，43(4)：121-124

XIE Y X.Study of Typical Gradually Disappearing Surface Based on Pro / E [J].Machine Building & Automation,2014,43(4):121-124

[6] 李理，刘畅，康俊峰．基于格式塔心理学的工业产品渐消面设计研究[J]．包装工程，2015，36(14)：46-49

LI L,LIU C,KANG J F.Gradual Disappearance in Industrial Product Based on Gestalt Psychology [J].Packaging Engineering，2015,36(14)：46-49

[7] 陈善为．基于 Pro/E 的消失面产品造型方法研究[J].机械设计，2015，34(2)：116-119

CHEN S W.Research on Product Modeling Method of Disappear Surface Based on Pro/E [J].Journal of Machine Design,2015,34(2):116-119

[8] 李红，兰帅领．基于CATIA的拖拉机造型曲面光顺性分析[J].时代农机，2016，43(3)：65-66

LI H,LAN S L.Surface Smoothness Analysis of Tractor Modeling Based on CATIA[J]．Times Agricultural Machinery,2016,43(3):65-66

责任编辑：罗姗姗

Research on Modeling Philosophy and Design Method for Fading Surfaces of the Products Based on CATIA

BU Jun1, SHA Qiang2, TANG Gang1

(1.Tan Kah Kee College, Xiamen University, Fujian Zhangzhou 363105, China; 2. School of Art, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)

Via the analysis of the feature and the modeling characteristics of fading surface, according to fading surface line and changing feature of the surface, the fading surface can be categorized as curve fading, surface fading and fillet fading. This paper puts forward the available modeling philosophy suitable for all kinds of fading surfaces, makes the modeling test for all kinds of fading surfaces by combining generative shape design mode and freestyle shape mode under CATIA, and expounds its construction philosophy practice, surface modeling skills and fading surface evaluation method, which provide reference for the curve design of industrial products under CATIA environment.

product modeling design; fading surface; CATIA

2016-09-15;

2016-10-12．

厦门大学嘉庚学院校级科研孵化项目(2016W04)．

卜俊(1988-),男，江苏扬州人，助教，硕士，从事工业产品造型设计、计算机辅助工业设计研究．

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0002.021

TB472

A

1672-058X(2017)02-0109-07