图1  汽车Class A曲面

采用CATIA V5的Class A曲面建模功能来进行汽车车身表面设计，可以有效地缩短车身的开发周期，其应用日益广泛，并且备受用户好评。

汽车车身是一个品牌的标志和象征，直接代表着汽车的开发水平。汽车车身的发展历史是设计师不断开发新资源，采用新技术并按照审美的规律进行开发的历史。现代车身设计，尤其是外观件的设计已经完全摈弃了由二维到三维的阶段，而是直接由虚拟三维到实际三维。由于先进设计方法和开发工具的出现，车身的开发周期已经大大缩短了。

车身是汽车产品的外衣，它不仅影响汽车造型的外观质量，而且也影响汽车车身的选材、结构、加工工艺、生产技术等。一个外观质量良好的汽车产品，会给人一种赏心悦目的感受，会激发人们的购买欲。因此，汽车车身外形设计一直是各汽车公司产品开发的重点工程。

Class A曲面简介

Class A一词最初是由Dassault System公司提出并付诸应用的，常译作A级曲面，专指车身模型中对曲面要求质量较高或者有特殊要求的一类曲面，如外形曲面、仪表板和内饰件的表面等。所谓A级曲面的定义，是必须满足相邻曲面之间的间隙在0.005mm以下，切矢改变在0.16°以下，曲率改变在0.005°以下的曲面。因此，Class A曲面是既满足几何光滑要求，又满足审美要求的曲面。

在具体采用Class A曲面功能进行汽车外形设计以前，下面将介绍与此相关的概念。

1、曲面片

曲面片是构造曲面的基本单元，它是由两个参数u、v来表示的。关于u、v参数的范围对于曲面片来说，u向参数值从0～1，v向参数值也从0～1。

图2  发动机罩外板曲面数模

2、曲面的阶数

曲面由两个参数u、v来表示，在曲面的两个方向上可以赋予不同的阶数，曲面u方向的阶数等于该曲面在u方向的控制点数，而曲面v方向的阶数等于曲面在v方向的控制点数。

3、曲面的几何连续性

曲面的几何连续性是指两曲面在边界处两曲面间的几何连续性。连续性包括点连续、切矢连续、曲率连续等。

4、光顺性

光顺是一个工程上的概念，主要包括光滑与顺眼两个含义，带有一定的主观色彩，由设计工程师根据自身的经验做出判断，包括：曲线、曲面具有二阶几何连续性，即光滑性；没有多余的拐点；曲率变化较均匀；符合设计师的主观感觉要求。

通过参阅一些资料，并做大量的曲面和零件设计，对Class A曲面的要求包括：曲面片由B样条方法描述，节点向量采用累加弦长参数化法；曲面在u、v方向上次数在三次(四阶)至七次之间(八阶)，最高不要大于九次(十阶)；相邻曲面片满足G2连续，至少满足G1连续，特殊要求满足G3连续；大的曲面片为全凸的。

CATIA软件Class A曲面造型功能介绍

CAITA V5软件是法国Dassault System公司开发的一种主流的CAD/CAM/CAE一体化软件。CATIA V5是汽车工业的实施标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所选用的核心系统。

CATIA V5在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特之处，为各汽车厂商的设计和制造提供了端到端(End-to-End)的解决方案。该系统具有很强的曲面造型功能，主要的曲面造型模块包括：创成式曲面设计、自由外形设计、创成式曲面设计优化、白车身设计等。CATIA外形设计和风格设计解决方案为Class A曲面的生成提供了广泛的集成化工具。

图3  发动机罩外板等照度线（Isophote）分析效果图

设计人员采用CATIA V5实时建模，关联性曲面建模、捕捉设计意图和整体曲面修改等卓越的曲面造型技术，可生成构造既美观又符合人体工程需要的CLASS A 汽车外形，还可实时渲染，产生高质量的逼真的效果图（如图1）。

Class A曲面的技术要求和生成方法

1 Class A曲面的技术要求

Class A曲面的具体技术要求是：

(1) Class A曲面必须是光顺曲面；

(2) Class A曲面的特征网格线必须均匀合理地分布，最好在某一投影面上以矩形方式分布；

(3) Class A曲面的特征网格节点上表示曲面曲率方向的箭头最好指向一致；

(4) 两相邻曲面在与两曲面相接线的垂直方向，两曲面的阶数最好一致，这样在曲面匹配处理后不会产生不必要的曲面扭曲变形。

2 Class A曲面的生成方法

(1) 特征分析

在进行车身Class A曲面设计之前，首先要对点云进行特征分析，定义车身上曲面的分块原则以及分块方式，捕捉车身特征线等。

(2) 单个曲面片设计

首先，用一个阶数较小的曲面进行拟合，一般是4×4阶曲面，这样就能较容易地调整出一个较为近似的曲面。该曲面的基本特征是拟合精度不是太高，但曲面光顺性良好。

其次，提高曲面阶数的方法，来提高曲面的拟合精度。但是随着曲面阶数的提高，给曲面的调整带来许多的困难与工作量。一般来说，Class A曲面的u、v方向的次数要控制在5次(6阶)高不超过7次(8阶)。

最后，对曲面进行曲面精细调整，应将曲面上所有的横向、纵向网格线投影到不同平面上，以生成高质量的曲面。

(3)曲面匹配处理

曲面片生成之后，对相邻的曲面片之间必须进行匹配处理，以生成曲率连续的曲面组。曲面匹配就是将一个曲面的边界在保证一定连续性的情况下匹配到另一个参考曲面的边界上。在曲面匹配的过程中要保证匹配后的曲面不会产生扭曲变形，曲面的网格相对整洁。

(4)曲面质量检查

曲面生成之后，采用各种曲面质量检查工具，判断曲面的生成质量，以便做出相应的修改来满足车身外形设计的技术要求。CATIA V5主要的Class A曲面分析工具有：

a、环境影响分析：该功能主要通过虚拟环境图像投影到曲面上的影像来分析曲面的质量；

b、斑马线分析：通过在曲面上生成黑白相间的条纹来检查曲面的质量，它是常用的检查曲面质量的方法之一；

c、曲面断面线分析：该方法是用一组平面去切割要分析的曲面，分析这组平面与曲面的交线，即断面线的质量，来判断曲面的质量。该方法也是一种常见的曲面质量评价方法；

d、几何连续性分析：该工具用于分析两曲面间的几何连接性关系，可以分析两曲面在连接处的点连续、切矢连续、曲率连续等几何连续性的状况。这种方法是用于判断两曲面在相接处的几何连续性的主要方法。对曲面进行修剪处理，以生成给定大小与范围的曲面形状与边界。

应用实例

现在以某车型的发动机罩外板为例，来说明如何采用CATIA V5软件的Class A曲面造型功能进行车身外形设计。

1 、特征分析

通过对发动机罩外板点云的分析，确定了发动机罩外板Class A曲面的分块方法。具体的分块方法是：发动机罩外板的中间主体一般由两块曲面来拟合；发动机罩外板两侧一般由两块曲面来拟合；同时，发动机罩外板两棱线处的曲面可采用桥接曲面来过渡。

2 、曲面创建

(1)发动机罩外板中间曲面采用6×6阶曲面进行拟合，以点云的剖切断面线为基准，采用控制点编辑功能，通过Class A曲面的特征网格的优化等方法获得，同时，对于两侧的曲面可采用同样的方法来进行。

(2)在处理发动机(转p107)   (接p105)罩外板棱线处的曲面时，首先根据点云生成决定棱线曲面的边界条件，通过投影将这两条曲线分别投影到发动机罩外板中间曲面和两侧曲面上，通过桥接功能生成棱线处的曲面。

(3)发动机罩外板曲面生成之后，根据点云数据，生成发动机罩外板的外形轮廓曲线。外形轮廓线的两侧必须与翼子板的对应轮廓线保持均匀的间隙，轮廓线的前端必须与散热器面罩和前灯具的上边界线保持均匀的间隙。通过投影将这些曲线投影到曲面上，并作相应的修剪处理。这样就得到完整的曲面（如图2）。

3、曲面质量检查

我们可以利用曲面斑马线分析检查功能、曲面断面线分析功能、几何连接性分析功能、曲面反射线分析功能等分析手段来检查所生成曲面的质量，发现问题，及时对相应的部位进行修改，以满足Class A曲面的要求（如图3）。

CATIA V5的Class A曲面建模功能为汽车车身外表面的几何造型提供了极其丰富的建模手段和曲面品质检验手段，它已越来越广泛地应用于世界各大汽车公司的车身外形设计上，并发挥了巨大的作用。