工程领域中的概念设计及创新

用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。 

当我们看到法国TGV（Train de la Grande Vitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。 

由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。 

铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面： 

l         具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。 

l         具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。 

l         具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。 

l         尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。 

显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。 

近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（Free Form Feature Modeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。 

这里具体地介绍如何使用UG的Free Form Feature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。 

UG的Free Form Feature Modeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UG V14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-if Alternative Value Engineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。 

这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下： 

（1）       根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。  


                      外形模型基线                         向等值半径线云图      

    以这一组模线为基础，采用UG的Free Form Feature / Through Curve来创建曲面；采用Info/   Analysis / Face Curvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。   


在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。   


采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。 

                   图4 机车车身三维造型          图5 机车车身二维投影图 

    （5） 对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature / Curve / Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。 

    （6） 机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力, 这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。 

（7） 三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。 

参  考  文  献 

[1]  齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18 

[2]  熊鸣镝.三维设计将CAD应用引向深入.机电一体化.1997.(5):5~7 

[3]  贡剑鸣.汽车车身UG设计初探.EDS UG中国用户年会论文集:25~28 

[4]  施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条.北京航空航天大学出版社.1994   

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