探析CATIA IMA细分曲面建模对汽车造型设计的革新

1前言

冻结的造型曲面是造型部门给工程部门的最终交付物，因此数字建模在汽车造型设计流程中占有举足轻重的地位。如今随着汽车研发周期的不断压缩，对数字化设计特别是造型探索的概念模型阶段提出了更高的要求。概念模型设计仍然是一个设计方案探索、不断试错的阶段。这时设计师需要一个可以进行灵活调整、随意修改的模型。CATIA细分曲面建模就是这样的一个定位。CATIA细分曲面建模技术（Subdivision），是一种基于多边形建模理论，自由创建NURBS曲面的建模方法，它保留NURBS曲面精确的优势的同时使曲面易于编辑、修改和调整，尤其适合造型前期方案探讨时需要不断修改的情况。

2建模方式的分类

Polygon建模

Polygon建模即多边形建模，通过网格拓扑来拟合形状，就是由多条边围成的一个闭合的路径形成的一个面、由多面形成模型的过程。Polygon建模主要用于三维视觉设计、游戏、动画、影视娱乐等行业。因其塑形快速，自由度高，近年来很多汽车主机厂开始引入polygon建模，主要用于前期概念模型的制作、方案推敲和比例模型的加工。但是Polygon建模输出的是mesh数据，无法与工程对接，不能用于指导工业生产，因此只能在概念模型阶段使用。

NURBS建模

NURBS建模即曲面建模。NURBS是非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines）的缩写，是用数学表达式构建的，能精确描述模型。可以描述圆方形等规则物体，也擅长制作复杂曲面，当然曲面的分面和衔接需要相当的技巧，难度较高。NURBS的优势在于精确，但在修改的效率和灵活性上欠佳，一辆整车也需要大量的人力来共同配合完成。

Subdivision建模

Subdivision建模即细分曲面建模，它是一种兼具Polygon和NURBS特性的独特曲面建模方式，早在CATIA V5时代，达索系统就率先把传统NURBS数据和Polygon建模方式做了突破性的结合，其中的CATIA Imagine & Shape（IMA）模块就是细分曲面建模。今天的CATIA 3D

EXPERIENCE中的IMA结合工程总布置更是将汽车研发的协同设计推到极致。细分曲面跟polygon一样，能用任意拓扑构建曲面，不用考虑连续性；同时能用比较少的控制点制作光滑有机的形态，生成的是精确的NURBS曲面，可以用于下游工程部门的设计校核。

3CATIA IMA细分曲面对汽车造型设计流程的影响

细分曲面不会取代所有的NURBS工作流程，但对前期CAS设计阶段影响深远。

首先，使第一版辅助造型的CAS数据出现的时间提前一个月。因NURBS建模所需人力较多，成本比较高，传统的造型设计流程往往得等到设计效果图选定后都进行CAS数据设计。CATIA细分曲面一人两天可以完成外饰CAS数据的制作，带了效率的极大提升，使得效果图阶段多方案数据并行成为可能，并在效果图选定的节点完成一版数据的发放，工程部门拿到第一版CAS数据的时间提前一个月，尽早展开可行性分析校核，提前发现问题。

其次，抹平了二维转三维的技术鸿沟，提升了设计效率。CATIA IMA因其简单易学，造型设计师也可以轻松上手，以往需要数字模型师来进行三维转化的工作也能由造型设计师来完成。设计师可以专注于造型的调整而不用在意面的衔接和连续性，从而更好的体现设计意图，提高设计效率。

最后，减少对小比例模型的依赖，快速进入1:1油泥模型阶段。用油泥作为材来制作小比例模型主要是因为其容易修改，便于在模型制作阶段不断调整。CATIA IMA因其灵活地揉捏、拖拽多边形框架进行曲面修改的特点可以称为虚拟油泥建模。小比例油泥阶段的三维再创造和方案快速调整可以在CATIA IMA里来完成。当然1:1的油泥模型不可取代，真实比例的实物模型验证仍然是造型设计不可或缺的环节，小比例模型越来越不受重视也是因为当造型放大后与小比例状态会有很大的感官差别，CATIA IMA的出现加快了进入1:1油泥模型阶段的进程。已经有一些主机厂取消了小比例油泥的制作，细分曲面建模之后直接进行1:1油泥的制作。

细分曲面建模在造型设计流程中延伸的越靠后，意味更高的效率和更低的制作成本。在对光影要求比较高的外饰CAS中可以用来制作CAS0甚至CAS1；在光影要求不高的内饰CAS可以延伸到CAS2阶段，配合主断面的校核；在座椅软表面的制作中有些主机厂已经直接做到了最终表面的发放。

4CATIA IMA的价值

快速的三维造型

实现低成本造型方案快速迭代

以外饰CAS为例，传统NURBS建模需要3人3至5天完成一版外CAS大面制作（不包含外后视镜、轮毂、大灯内CAS等），修改一版数据同样需要三天来完成。CATIA IMA只需1人一至两天即可完成一版外饰CAS数据制作，修改的时间可以降为几小时甚至几分钟，极大的降低了数据制作成本，使得多方案数据并行成为可能。

独特算法实现更高的建模效率

Polygon建模在制作棱线或圆角时需要三条边来进行卡边，CATIA IMA因其独特的算法可以调整边的权重，由-100到100的数值实现硬棱到圆角的效果转变, 更少的线意味着更高的效率。如下图箭头所示，在CATIA IMA里一条单线即可制作出圆角特征，无需更多的细分线条

整张Subd曲面更容易实现光顺的光影

Polygon建模在制作分缝或者圆孔特征时得根据边界布线，因此很难实现两侧造型特征的光影连续性。CATIA IMA因其与NURBS兼容的特性，可以通过裁切倒角的方式来制作分缝或者圆孔等细节特征，不用破坏网格布线，从而更容易实现光顺的光影。如左下图绿圈所示，使用CATIA IMA通过裁切的方式制作分缝，翼子板和门板光影是连续的；如右下图红圈所示，采用polygon随着边界布线的方式，翼子板和前保光影不连续。

兼容曲面数据和点云数据

实现与曲面设计和油泥模型的无缝衔接

CATIA IMA支持在曲面数据和点云数据上进行数据制作。CATIA IMA细分曲面可以与NURBS曲面建立连接约束，当有些特征如轮口希望精确调整时可以将细分曲面匹配到NURBS曲面上，通过NURBS曲面的调整实现更好的效果；在油泥配合阶段可以在扫描数据基础上快速进行点云逆向，并进行数据修改。上图为细分曲面匹配到精确的NURBS轮口数据上，下图为在点云数据上创建细分曲面。

细分曲面与GSD混合建模

打通概念设计与详细设计

CATIA IMA细分建模可以与CATIA GSD混合建模，完成分缝，倒角的制作，同时实现特征的参数化调整，从而打通概念模型和详细设计。如下图可以根据工程输入面用裁切完成座椅侧翼与护板旋转配合面的制作。

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