基于Grasshopper的汽车格栅CAS模型参数化设计

2020-03-26王立宏

汽车零部件 2020年2期

王立宏

(北京现代汽车有限公司，北京 101300)

0 引言

参数化设计最早在建筑领域应用较多，目前已有大量实际建筑应用，国内比较著名的参数化建筑有鸟巢及水立方等。随着参数化设计工具的推广及现代制造工艺的进步，越来越多的汽车上出现了参数化造型特征，其中汽车前格栅最易被参数化设计，如图1所示的奔驰CLA参数化造型前格栅，称之为“满天星”，通过小六边形的亮点围绕着奔驰三叉戟圆形LOGO及前格栅边框有规律地排布，营造出紧致而又精致的美感，为整体造型锦上添花。对于“满天星”等参数化造型特征，传统的建模方式可实现，但无论是初次建模还是后期方案推敲修改，均避免不了大量的手工操作，严重影响造型开发效率。合理运用参数化设计可很大程度上提高CAS建模速度，缩短造型开发周期。

图1 奔驰CLA

1 参数化设计优势与工具介绍

1.1 参数化设计优势

参数化设计(Parametric design)目前还没有一个广泛认可的定义，一般理解为将某些重要因素变成某个函数的变量，通过改变该变量值，改变函数结果，从而生成不同的方案。

(1)传统设计的局限性

在传统造型概念设计过程中，设计师通过头脑风暴、联想、比拟、仿生等思维创作汽车造型，产生出概念方案，选定方案效果图后根据效果图在三维软件如Alias中搭建汽车三维模型，此过程称为汽车CAS设计阶段。在此阶段经常会进行方案调整或者衍生出其他方案，但CAS设计师通过Alias软件等手动调整方案或者搭建衍生方案时往往需要重新建模，耗费大量时间与精力，而设计师在等待CAS模型修改的时候也容易淡化创作灵感，创作思维不连续。

(2)参数化设计的优势

参数化设计方法主要在CAS模型阶段进行，通过构建逻辑规则，将主要的造型特征变量用参数驱动，通过更改参数可即时生成三维模型，并衍生出多个造型方案，模型具有逆向可调性，极大地缩减CAS模型搭建时间；同时设计师可直观观察对比各个衍生方案的优缺点，进行选择或者二次创作，设计灵感不再随机、创作思维得以连续。

参数化设计解决了传统造型设计遇到的瓶颈，最重要的意义在于提高了效率，降低了成本，缩短了CAS建模时间，拓展了造型设计思路，有利于突破汽车造型的现有局面。

1.2 参数化设计工具介绍

目前参数化设计工具主要有Grasshopper、Dynamo等，其中Grasshopper功能强大、稳定性好，本文作者采用Grasshopper进行参数化模型搭建。

Grasshopper(下文简称GH)是一款在犀牛软件环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，是目前比较流行的参数化设计工具。GH把相关功能封装在一个运算器内，这些运算器又称为“电池”。GH将编程节点可视化，设计人员只需对运算器输入某些参数，就可以得到相关结果，降低了设计人员的学习成本，不过仍需相关设计人员具有编程知识。打开犀牛软件加载GH插件后的界面如图2所示，运算器连接起来的图也称之为“电池图”。

图2 GH界面

使用某个运算器时直接将运算器从面板中拖入工作区，点击运算器两侧的半圆可以将各个运算器连接起来，如图2所示为加法运算器，左侧A和B为输入端，右侧为输出端，输出运算后结果。

2 格栅CAS模型参数化设计

汽车前格栅作为汽车前脸造型非常重要的部件，在造型设计中一直处于十分重要的地位，很多车型的家族化特征主要由其前格栅定义，如雷克萨斯纺锤形前格栅、宝马双肾形前格栅。

点阵式格栅是前格栅的常见形式，一般由基本的造型单元通过复杂的排列组合实现，如沿二维平面分布、围绕中心布置、旋转缩放等，此类排列组合是有规律的，可以通过调节某些参数实现。下面通过某个点阵式前格栅的建模简述通过GH实现参数化设计的过程。

2.1 格栅参数化设计逻辑分析

图3为点阵式前格栅的方案图，可以看出，基本造型单元为一个梯形体，除了中间部分其他造型单元均有规律排列，通过阵列可以在平面上实现。但一般前格栅造型单元空间排列都比较饱满，侧面看是向外鼓出的，基本造型单元趴在一张空间立体面上，采用常规建模方法在平面阵列完成后，仍需要手动或者通过其他方式将其排列到空间位置，耗费很多时间；在推敲此方案时，如增多几行几列或者排列角度再变化一些，手动建模繁琐耗时。

图3 前格栅效果图分析

经过分析，正面看，造型排列如图3中虚线所示，基本的梯形造型单元可以在Alias中手动完成，造型单元排列比较复杂，趴在了一张空间曲面上，在GH中实现比较方便，基本逻辑顺序见图4。

图4 格栅参数化设计逻辑

下文即按图4中逻辑顺序在GH中一步步搭建出格栅。

2.2 画纵横交叉线

通过3个点画出一条NURBS曲线，作为横条，按Z方向阵列(Linear Array运算器)6个，同理做出竖条并阵列，阵列后每根竖条曲线绕着一端端点转动(Rotate 3D运算器)某个角度，离Y0线越远的曲线转动角度越大，每个线的转动角度可由等差数列实现，电池图如图5所示，“犀牛”里生成的曲线如图6所示。

图5 画纵横交叉线电池图

图6 “犀牛”里中生成的纵横交叉线

2.3 交叉线投影至空间曲面，提取交叉点

将上一步中生成的横纵线投影至指定的曲面，提取交点，用Point List运算器可显示各个点的编号，再使用分流运算器(Dispatch)，输入端P的参数为布尔值TRUE、FALSE，即第0个点对应TRUE，分流至输出端A；第1个点对应FALSE，分流至输出端B；第2个点对应TRUE，分流至输出端A；第3个点对应FALSE，分流至输出端B。以此类推，从中筛选出想要的点，作为格栅每个造型单元最后要移动到的位置点。此案例中要用到的点为A端输出的点，即序号为0、2、4、6、......的偶数点。相关电池图见图7，犀牛里生成的图像见图8。

图7 投影并提取交叉点电池图

图8 投影并提取交叉点后的模型

2.4 造型单元复制移动至各交叉点

找好造型单元要移动到的位置点后，把造型单元复制移动到对应的位置点即可，但在实现复制移动前，为了方便调整，此处增加两项功能：(1)缩放功能，即图9中A区域电池图，对应图10(a)；(2)移动功能，即图9中B区域电池图，对应图10(b)，以后可通过调整此处，实现整体排列多样化。GH中移动物体需要指定移动向量，图9中C区域的提取向量起始点对应图10(c)，Vector 2P运算器将C区域提取的向量起始点与图8筛选后的点合成移动向量，之后造型单元(见图11)按这些向量移动即完成复制移动，生成格栅主体。图9中D区为显示向量，对应图12中箭头，图9中E区为移动运算器，对应图12中造型单元。

图9 造型单元复制移动至各交叉点电池图

图10 A,B,C区域电池图模型

图11 选取基本造型单元

图12 复制移动造型单元

2.5 缩放边缘造型单元

效果图中为越接近格栅边框的造型单元越小。可以提取格栅边框上的线，称之为干扰曲线，依次计算每个造型单元位置点到这条线的距离，以此距离除以某个合适的数值，作为各自造型单元的缩放倍数。为保证不至于缩放过于夸张，此处使用Minimum运算器和Maximum运算器将缩放比例限制为0.58～1，电池图见图13，生成的效果见图14。

图13 缩放边缘造型单元电池图

图14 缩放后的模型

2.6 搭建各个造型单元之间的桥连部分

做各个造型单元之间的桥连部分。桥连分横竖两部分，此处阐述横向桥连做法，竖向桥连做法一致，只是参数需要调整。横向桥连基本思路为先画出两两单元间的连线，观察图15可得，序号为0的造型单元右边的点连接序号为1的造型单元左边的点，需要提取两组点，一组造型单元右边的点，一组左边的，两组点提取过程一致，但两点连线时须错开一位造型单元(Shift运算器)，见图16，否则出现图17所示情况。

图15 搭建好的桥连曲线

图16 搭建桥连曲线电池图

图17 未错开的桥连曲线

看图15可得，每行换行处以及一头一尾处出现了多余的数据，其长度明显长于所需要的数据。此处进行分流，剔除较长的线，保留想要的线段，同时拉伸相关曲面做出完整的桥连结构，具体电池图如图18所示，同理调整相关数值做出竖向的桥接曲面，可得最后的结果如图19所示。

至此，格栅主体部分已经完成，整理后如图20所示，若要变化格栅行列数或者旋转角度等通过调整相关参数即可，程序几秒内自动输出结果，相比在Alias里手动搭建格栅主体效率提升明显，同时变化多端而又丰富规律的造型也激发设计人员的创作灵感，拓展了设计思路。图21为通过调整不同参数衍生出的拓展方案。格栅主体在GH中创建，格栅边缘裁剪部分在Alias中处理。