王 琛，张乐平

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

随着产品更新换代速度的不断加快，计算机辅助设计在新产品开发的过程中发挥着越来越重要的作用。曲面设计是现代产品设计中非常重要的一部分，越来越多的产品都在追求造型设计中曲面的美感[1]。例如汽车造型设计的流线型和艺术产品设计的曲线美，这些产品的设计开发都离不开曲面的设计[2]。UG软件作为计算机辅助产品设计方向较为先进的应用软件，具有强大的曲面设计功能，不仅为工程师提供了多种便捷的曲面设计工具，同时为工程师提供了多种自由的曲面编辑工具[3]。它能满足工程师的多种曲面设计要求，尤其是复杂曲面的设计要求。同时，它还能方便工程师及时更新设计方案，修改已经创建好的曲面。本文对UG软件在现代产品设计中曲面设计的应用进行了探索，尤其是自由曲面的创建在交通工具造型设计中的应用[4]。以轨道列车的车头造型设计为例，探究自由曲面设计方法在交通工具具体设计案例中应用的可行性及效果。

1 自由曲面

工业产品的造型主要分为两类：一类是由初等解析曲面(如平面、球面、圆锥面等)组成，可以由画法几何与机械制图方法完整表达的造型，大多数机械产品属于此类[5]。另一类是不能由初等解析曲面组成，而由复杂且自由变化的曲面组成的造型，称为自由曲面，例如飞机、汽车等产品的形状。自由曲面指的是形状复杂、数学上不能通过二次方程来描述的曲面。在实际产品建模过程中，只使用简单的特征建模方式就可以完成的曲面产品设计是非常有限的。因此，对于较为复杂的曲面模型需要通过UG软件中的曲面设计模块来进行造型设计[6]。作为功能强大的计算机辅助产品设计软件，UG软件不仅提供了基本的特征建模模块，同时还提供了强大的自由曲面特征建模及相应的编辑和操作功能。具体包含了二十多种自由曲面造型的创建方式，工程师可以利用它们完成各种复杂自由曲面及非规则实体的创建，以及相关曲面编辑任务[7]。

2 自由曲面创建方法

UG软件中的曲面设计模块提供了多种创建曲面的方法，总结为以下4类：①根据点创建曲面；②通过曲线创建曲面，例如直纹面、通过曲线网格创建曲面；③通过艺术曲面设计创建曲面；④通过曲面操作的方式得到曲面，例如延伸曲面、桥接曲面和裁剪曲面等方法创建曲面。以上4种方法操作快捷方便，且大部分命令都具有参数化设计的特点，便于及时根据设计要求修改曲面[8]。UG软件中自由曲面的绘制，是对以上4种方法的任意组合，配合使用。对于高阶的自由曲面设计，尤其是以交通工具造型设计为代表的的曲面设计，较为常用的是曲线网格创建方法和艺术曲面设计方法[9]。曲线网格创建方法是通过绘制好的曲线生成自由曲面形态，艺术曲面设计方法则是由已有的曲面构造新的自由曲面。

2.1 曲线网格

通过曲线网格创建自由曲面的方法，是依据两组截面线串来生成片体或实体的方法，可以满足复杂曲面的设计要求[10]。它不仅可以选择主截面线串，而且可以选择交叉截面线串，从而为曲面设计提供更多选择。这两组截面线串中有一组大致方向相同的截面线串称为主线串，另一组与主线串大致垂直的线串称为交叉线串[11]。因此在选择线串时，应该将方向相同的截面线串作为一组，这样两组截面线就可以形成网格的形状[12]。

2.2 艺术曲面

艺术曲面是通过预先设置的曲面构造方式来生成，能够快速简洁地生成曲面。艺术曲面命令可以根据所选择的主线串，自动创建符合要求的自由曲面。在生成曲面后，可以通过预设的截面线串(主线串)和引导线串(交叉线串)的数目来生成曲面[13]。艺术曲面的创建过程中，需要注意生成的艺术曲面与其他曲面之间的连续性过渡条件，常见过渡条件如下：①G0点连接方式：通过点和其他部分连接[14-16]；②G1相切过渡连接：通过相切的方式进行面和面的连接；③G2曲率过渡连接：通过曲率的方式进行面和面的连接。在光顺效果上，G2曲率过渡连接优于G1相切过渡连接优于G0点连接。

3 基于UG软件的交通工具曲面建模 应用

以轨道列车的车头造型设计为例，探究自由曲面设计方法在交通工具具体设计案例中的应用。模型车头以南京地体三号线轨道列车为设计原型，分析列车外形进行建模的整体构思，把整个列车外表面拆分为5个面分别进行构建，最后缝合成实体。具体建模步骤如下：

(1)在UG软件中新建零件模型，在曲面设计模块中，建立基准平面XY 平面、XZ平面、YZ平面。选择XY平面作为基准面，点击草绘图形进入草图绘制界面。根据《CCJJ/T 96-2018 地铁限界标准》画出地铁以及隧道界面，点击结束绘制完成草图。再次选择XY基准面，点击草绘图形进入草图界面，参考地铁以及隧道界面，使用艺术样条画出列车截面轮廓，两端点约束设置在车顶水平线及车侧壁竖直线上。编辑样条曲线，使两端点曲率与水平方向参考线、竖直方向参考线相同(两端点曲率值为0)。微调样条曲线，使样条曲线在《CCJJ/T 96-2018 地铁限界标准》规定尺寸内调整出满意的形状，样条曲线曲率变化幅度不宜过大。编辑好样条线后，光顺样条，保持端点曲率连续，使样条曲线内部连续性为G3。XY平面样条曲线编辑如图1所示。

图1 XY平面样条曲线编辑

(2)选择YZ平面作为基准面，点击草绘图形进入草图界面。参考地铁以及隧道界面，使用艺术样条画出列车侧面的截面轮廓，车头长度设置为19 000 mm。微调样条曲线，使样条曲线在《CCJJ/T 96-2018 地铁限界标准》规定尺寸内调整出满意的形状，样条曲线曲率变化幅度不宜过大。微调完样条曲线后，光顺样条曲线，保持曲线端点曲率连续，使样条曲线内部连续性为G3。YZ平面样条曲线编辑如图2所示。

图2 YZ平面样条曲线编辑

(3)拉伸列车顶端直线，方向为-XC，使车顶端拉伸出1个直纹面。使用艺术曲面命令构建列车侧面，通过预设的截面线串(XY基准面截面线串)和引导线串(YZ平面截面线串)来生成列车侧面曲面，将车顶端拉伸的直纹面作为约束面，连续性选择为G2。镜像曲面，选择镜像YZ基准面，即可得到两边对称的列车侧面曲面。

(4)拉伸1个参考平面作为裁减工具面，方向与XY基准面呈60°，使用裁减片体命令裁剪已经建好的部分列车侧面曲面。以 XZ平面为基准平面，建立车头样条曲线，使样条曲线在《CCJJ/T 96-2018 地铁限界标准》规定尺寸内调整出满意的形状，样条曲线曲率变化幅度不宜过大。微调完样条曲线后，光顺样条曲线，保持曲线端点曲率连续，使样条曲线内部连续性为G3。XZ平面样条曲线编辑如图3所示。

图3 XZ平面样条曲线编辑

(5)使用艺术曲面命令构建列车车头前侧面。通过预设的截面线串(XY基准面截面线串)和引导线串(XZ平面截面线串)来生成列车车头前侧面，将列车侧面曲面作为约束面，连续性选择为G2。镜像曲面，选择镜像YZ基准面，即可得到两边对称的列车车头前侧面，镜像列车车头前侧面如图4所示。

图4 镜像列车车头前侧面

(6)通过曲线网格命令建立车头自由曲面，在列车对称侧面曲面之间插入5个等距的参考平面。使用样条曲线命令，在《CCJJ/T 96-2018 地铁限界标准》规定尺寸内，分别在5个参考平面上绘制出满意的样条曲线形状。以大致方向相同的5组样条曲线截面线串为主线串，以与主线串大致垂直的列车侧面曲面廓和列车车头前侧面轮廓线串为交叉线串，选择G2连续，通过曲线网格命令绘制出车头曲面，绘制车头曲面如图5所示。

图5 绘制车头曲面

(7)通过曲面分析命令查看已创建曲面的质量，如果已经创建的曲面中有微小的皱褶，需要使用剪切面命令裁剪掉皱褶，并创建新的曲面。完成所有曲面的创建及检查后，使用有界平面命令，封闭车头底面及车头尾部，缝合曲面成实体，轨道列车车头实体效果及斑马线反射分析如图6所示。

图6 轨道列车车头实体效果及斑马线反射分析

4 小结

随着产品更新换代速度的不断加快，越来越多的产品都在追求造型设计中曲面的美感。自由曲面的计算机辅助设计是现代产品设计中非常重要的一部分。UG软件作为计算机辅助产品设计方向较为先进的应用软件，具有强大的曲面设计功能。本文以轨道列车的车头造型设计为例，对UG软件在现代产品设计中曲面设计的应用进行了探索，尤其是自由曲面设计方法在交通工具具体设计案例中应用的可行性及效果，以期为自由曲面的创建在交通工具造型设计中的应用提供案例指导。