CATIA中曲率分析的作用和原因

　　本文主要是关于CATIA 中曲率的相关介绍，并着重对CATIA 中曲率进行了详尽的阐述。

　　CATIA

　　ATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以通过建模帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

　　核心技术

　　CATIA先进的混合建模技术

　　设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的交互操作；

　　变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。

　　几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。

　　CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性

　　无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。

　　CATIA所有模块具有全相关性

　　CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维模型，模拟分析，模具和数控加工的程序中。

　　并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短

　　CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。

　　CATIA覆盖了产品开发的整个过程

　　CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块。

　　功能和模块

　　曲面设计模块

　　CATIA拥有强大的曲面设计模块。

　　1.Generative Shape Design

　　简称GSD，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所有曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体Volume，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。

　　2.Free Style Surface

　　简称FSS，自由风格造型，几乎完全非参。除了包括GSD中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车A面标准的曲面桥接、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到G2。

　　3.Automotive Class A

　　简称ACA，汽车A级曲面，完全非参，此模块提供了强大的曲线曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺

　　应用CATIA的丰田F1

　　应用CATIA的丰田F1 ［2］

　　功能。几乎所有命令可达到G3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多曲面甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。

　　4.FreeStyle Sketch Tracer

　　简称FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。

　　5.Digitized Shape Editor

　　简称DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的mesh小三角片体。完全非参。

　　6.Quick Surface Reconstruction

　　简称QSR，快速曲面重构，根据输入的点云数据或者mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。

　　7.Shape Sculpter

　　小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能几乎强大到与CATIA曲面操作相同，完全非参。

　　8.Automotive BIW Fastening

　　汽车白车身紧固，设计汽车白车身各钣金件之间的焊接方式和焊接几何尺寸。

　　9.Image & Shape

　　可以像捏橡皮泥一样拖动，拉伸，扭转产品外形、增加“Image Shape（橡皮泥块）”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。

　　1~9包括在Shape design & Styling模块中

　　10.Healing Assistant

　　一个极其强大的曲面缝补工具，可以将各种破面缺陷自动找出并缝补。

　　CATIA 中曲率分析的作用和原因

　　在CATIA中利用Porcupine Curvature Analysis命令可以分析曲线的曲率。所分析的曲线可以是独立的曲线，也可以是曲面的边界线。分析结果可以用曲率梳（分布线）来显示，也可以通过图表来显示。

　　

　　图1 采用曲率梳（分布线）显示的曲面边界曲线的曲率分析结果

　　点击Porcupine Curvature Analysis命令，打开Porcupine Curvature对话框，如下图所示。选择需要分析的曲线，或曲面的边界线，如果选择整个曲面，则曲面的所有边界线都将显示在分析结果中。

　　

　　图2 Porcupine Curvature对话框

　　对话框各选项含义如下：

　　（1）Automatic：自动优化选项，可以优化分布线的长度，以便在放大或者缩小的时候仍然可以看到分布图；

　　（2）Project On Plane：投影到平面选项，可以分析曲线投影到罗盘定义的参考平面上的投 影的曲率。如果不选中Project On Plane投影到平面选项，分析将在曲线的方向上进行，这是默 认设置；

　　（3）Particular：细节选项，可以在任何时候显示最大和最小曲率半径值（如图1所示）。如果选中 Inverse Value选项，将显示相反的数值，即如果选中Curvature曲率选项，显示Radius半径值，如果选中Radius半径选项，显示Curvature曲率值；

　　（4）Reverse：改变曲线的方向；

　　（5）X2，/2：增加/减少曲率梳（分布线）的密度。

　　点击Diagram按钮，可以显示曲率变化曲线图，如下图所示。曲线的曲率变化轮廓和幅值都会在图标中显示出来。当分析一个曲面或者多个曲线时，即需要对多个元素进行曲率分析时，可能不需要同样的大小显示，可以使用不同的选项来观察分析结果。各个显示选项的含义如下：

　　

　　图3 2D Diagram 曲率变化曲线图

　　（1）All curves with the same vertical length：不考虑比例，所有的曲线以同样的高度显示；

　　（2）All curves with the same origin：所有曲线根据Amplitude幅值轴的原点位置显示；

　　（3）Use a logarithmic scale on vertical axis：所有曲线根据Amplitude幅值轴的对数进行显示，Curve parameter曲线参数轴仍然是线性显示。

　　Catia--曲面设计

　　1、曲面造型的数学概念： （1） 、贝塞尔（Bezier）曲线与曲面： 法国雷诺的 Bezier 在 1962 年提出的，是三次曲线的形成原理。

　　这是由四 个位置矢量 Q0、Q1、Q2、Q3 定义的曲线。

　　通常将 Q0，Q1，…，Qn 组成的 多边形折线称为 Bezier 控制多边形，多边形的第一条折线与最后一条折线代 表曲线起点和终点的切线方向，其他折线用于定义曲线的阶次与形状。

　　（2） 、B 样条曲线与曲面： 与 Bezier 曲线不同的是权函数不采用伯恩斯坦基函数，而采用 B 样条基 函数。

　　（3） 、非均匀有利 B 样条（NURBS）曲线与曲面： NURBS 是 Non-Uniform Rational B-Splines 的缩写。

　　 Non-Uniform（非统一）指一个控制顶点的的范围能够改变。

　　当创建一个不规则曲面的时候，这一点非常有用。

　　同样，统一的曲 线和曲面在透视投影下也不是无变化的，对于交互的 3D 建模来说， 这是一个严重的缺陷。

　　 Rational（有理）指每个 NURBS 物体都可以用数学表达式来定义。

　　 B-Spline（B 样条）指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之 间以内差值替换。

　　（4）NURBS 曲面的特性及曲面连续性定义： NURBS 曲面的特性：NURBS 用数学方法来描述形体，采用解析几何 图形，曲线或曲面上任何一点都有其对应的坐标（x，y，z） ，据有高度 的精确性。

　　曲面 G1 与 G2 连续性定义： Gn 表示两个几何对象间的实际连续程度。

　　 G0：两个对象相连或两个对象的位置是连续的。

　　 G1：两个对象光滑连接，一阶微分连续，或者是相切连续的。

　　 G2：两个对象光滑连接，二阶微分连续，或者两个对象的曲率 是连续的。

　　 G3：两个对象光滑连接，三阶微分连续。

　　 Gn 的连续性是独立于表示（参数化）的。

　　2、检查曲面光滑的方法： ①、对构造的曲面进行渲染处理，可通过透视、透明度和多重光源等处理手 段产生高清晰度的、 逼真的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来 判断出曲面的光滑度。

　　图像明暗度变化比较均匀，则曲面光滑性好。

　　②、对曲面进行高斯曲率分析，进而显示高斯曲率的彩色光栅图像，可直观 的了解曲面的光滑性情况。

　　3、CATIA 曲面模块简介：  创成式曲面设计（Generic Shape Design） ，简称 GSD。

　　 自由曲面设计（Free Style Surface） ，简称 FSS。

　　 汽车 A 级曲面（Automotive Class A）了强大的曲线曲面编辑功能和无 比强大的一键曲面光顺功能。

　　几乎所有命令可达到 G3，而且不破坏原有 的光顺性。

　　 自由风格草图绘制（FreeStyle Sketch Tracer） ，可以导入现有的设计手绘草 图或图片，根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。

　　 数字曲面编辑器（Digitized Shape Editor） ，根据输入的点云数据，进行采 样、编辑，裁剪以达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的小三角片 体，应用于逆向工程中。

　　 快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction） ，根据输入的点云数据或小 三角片体生成曲线曲面， 以供曲面造型或直接生成曲面， 应用于逆向工程。

　　 小三角片体外形编辑（Shape Sculpter）可对小三角片体进行各种操作。

　　 汽车白车身紧固（Automotive BIW Fastening）设计汽车白车身各钣金件之 间的焊接方式和焊接几何尺寸。

　　 想象与造型（Image & Shape）基于细分曲面的造型工具，通过拖移基础曲 面的控制网格，可以及快速的完成产品外形概念设计。

　　 曲面修复专家（Healing Assistant） ，曲面缝补工具，可自动找出曲面中的 破面等缺陷并进行缝补。

　　第2章 线框的构建 1、 二次曲线参数包括三种类型： ①参数值大于 0 小于 0.5 时， 曲线形状为椭圆； ②参数值等于 0.5 时，曲线形状为抛物线；③参数值大于 0.5 小于 1 时，曲线 形状为双曲线。

　　2、脊线：指一条穿越一系列平面（或平面曲线）并在和各平面的交点处保持和 平面垂直的曲线。

　　创建方法：①通过平面创建；②通过曲线创建。

　　3、等参数曲线： ；在曲面上指定一点，提取曲面中通过该点的 U 向或 V 向参数 相等且与原曲面相关联的曲线。

　　“调谐器”中可设置曲线参数。

　　4、投影：可将空间的点、线框或点和线框的任意组合向一个曲面上投影，投影 时可以选择法向投影或某一给定方向进行投影。

　　【 “近接解法”用于选取离投 影曲线最近的那部分曲面进行投影； “ 光顺” 控制投影后可能失去的连续性】 5、混合：可将非平行平面上的两条曲线进行“混合”创建一条空间曲线，实际 上就是将原始曲线按照指定方向拉伸所得曲面的交线。

　　6、反射线：在已知的曲面上创建一条曲线，该曲线所在曲面上的每个点处的法 线（切线）都与制定方向成相同角度。

　　（1）类型区域：定义反射类型“圆柱”→入射光为平行光源； “二次曲线” →入射光为点光源。

　　（2）角度参考： “法线”→角度为入射光线与入射点法线的夹角； “切线”→ 入射光线与入射点切线的夹角。

　　7、3D 曲线偏移：插入→线框→偏移 3D 曲线。

　　8、方程式创建平面：通过定义平面方程 Ax+By+Cz=D 中 A、B、C、D 各项的参数 来创建平面。

　　【选取通过点后，D 值变成灰色不可修改。

　　】 9、平均通过点创建平面：通过选择三个或三个以上的点（点阵）创建平面，选 择的所有点均匀分布在平面的两侧。

　　第4章 简单曲面的创建 1、偏移曲面： （1） 可变偏移曲面： 创建曲面时， 曲面中一个或几个子元素偏移值是可变的。

　　 在定义桥接曲面时，在“偏移”中选择“变量”即定义桥接曲面的偏 移值变化是根据填充曲面 1、2 的偏移值变化的  定义填充曲面 1、2 的偏移值时，不要让两曲面偏移值相差太大，否则 桥接曲面无法偏移成功创建可变偏移曲面之前需要对已完成的填充曲 面 1、2 和桥接曲面进行提取并接合成一个曲面，否则无法偏移。

　　（2）粗略偏移曲面：对曲面进行大致的偏移，创建于初始曲面近似的曲面。

　　 在偏移曲面时，给定的偏差值越大，曲面变形也越大，偏差值必须大 于 1mm 且小于曲面的偏移值。

　　2、扫掠曲面： （1）显示扫掠： ①、使用参考曲面：可定义轮廓线与某一参考曲面保持一定的角度。

　　 “曲面” 选取某一参考曲面， 输入角度值可与该曲面保持一定角度。

　　 “脊线”控制曲面的姿态，扫掠曲面的任一截面均与脊线垂直。

　　②、使用两条引导曲线： ③、按拔模方向： （2）直线式扫掠：系统自动以直线作为轮廓线。

　　①、两极限：通过定义曲面边界扫掠出的曲面，该曲面边界是通过选取 两条曲线定义的。

　　②、使用切面：指以指定的引导曲线做扫掠轮廓，以引导曲线上任意一 点到制定面相切的连线做轨迹线。

　　【可通过定义“上一个”或“下一 个”切换生成的曲面。

　　③、使用拔模方向：  全部定义：定义整个扫掠拔模斜度角。

　　 G1-常量：定义引导曲线上任何相切连续部位的拔模斜度角。

　　 位置值：定义引导曲线上给定点的拔模斜度角。

　　 起始（结束）值：定义曲线起始（结束）处的角度值。

　　 法则曲线类型：  常量：法则曲线为一水平直线，此时只需定义起始值即可。

　　 线性：法则曲线为一次曲线，需要定义起始值和端值。

　　 S 型：法则曲线为“S”形曲线，需要定义起始值和端值。

　　 高级：可激活“法则曲线元素”后的文本框，可选择一条自 定义法则曲线。

　　④、使用双切面：要有一条脊线和两个曲面。

　　（3） 、圆式扫掠：系统自动以圆弧作为轮廓线，只需要定义引导线。

　　①、三条引导线；②、两个点和半径：两点即两条引导线；③、中心 和两个角度；④、圆心和半径： “法则曲线类型”选“线性”可输入半 径值生成变半径圆面；⑤、两条引导线和切面： “相切的限制曲线”必 须是切面上的曲线；⑥、一条引导线和切面；⑦、限制曲线和切面： （4） 、二次曲线式扫掠：系统自动以二次曲线二轮廓线。

　　两条引导曲线： “参

　　数”中大于 0 小于 0.5 时轮廓为椭圆；等于 0.5 时轮廓为抛物线；大于 0.5 小于 1 时为双曲线。

　　3、适应性扫掠曲面：在扫掠过程中更改指定位置的截面参数，以实现截面尺寸 的变化。

　　 添加截面： “截面”→点.1 下方空白右击→创建中点  修改截面参数：参数→当前截面→选择  “扫掠截面预览”可查看扫掠曲面中的部分截面。

　　4、填充曲面：是由一组曲线或曲面的边线围城封闭区域中形成的曲面，也可以 通过空间中的一个点。

　　 在选取填充边界曲线时要按顺序选取，填充的对象可以是单个封闭的草 图，也可以是由多条曲线或曲面边界组成的线框，线框必须封闭（小于 0.1mm 的间隙也可）  支持面用于定义填充曲面与公共边线处原有曲面之间的连续关系，与支 持面顺利连续的必要条件是：与公共边线两端点相连的填充曲线必须与 原曲面存在相应的连续关系。

　　5、创建多截面曲面：通过多个截面轮廓线扫掠生成的曲面。

　　生成曲面时，可使 用引导线、脊线，可以设置各种耦合方式。

　　（如果需要添加截面或引导线， 只需激活相应的列表框后单击“多截面曲面定义”的“添加” ） 6、创建桥接曲面：用一个曲面连接两个曲面或曲线，并可以使生成的曲面与被 连接的曲面具有某种连续性。

　　第5章 曲线与曲面的编辑 1、连接曲面： 【插入→操作→】  检查相切：如果要接合的元素没有相切，则系统会给出提示。

　　 检查多样性：检查元素接合后是否有多种选择（只用于定义曲线）  简化结果：自动尽可能地减少接合结果中的元素数量。

　　 忽略错误元素：自动忽略不允许创建接合的曲面和边线。

　　 合并距离：用于定义合并距离的公差值。

　　 角阈值：只能接合小于此角度值的元素。

　　 点（切线）连续：可在图形区选取与选定元素存在点（切线）连续关系 的元素。

　　2、修复曲面：用于修复两曲面之间存在的缝隙，通常在接合曲面或检查连接元 素后使用。

　　 冻结：用于定义不受影响的边线或面  锐度：用于定义需要保持锐化的边线。

　　 可视化：用于定义显示修复曲面的解法。

　　3、取消修剪曲面：在定义时大致分三种情况：①选取面时，还原到初始曲面； ②选取内部封闭环时，只还原所选轮廓曲线；③当选取外部边界时，系统默 认还原与此边界相连的所有部分。

　　4、 拆解： 将包含多个元素的曲线或曲面分解成独立的单元。

　　（包含两种拆解模式， 并且系统会自动统计出完全拆解和部分拆解后的元素数） 5、 分割： 定义使用切除元素分割曲面或线框。

　　（可以用点、 线框或曲面分割线框， 也可使用线框或其他曲面去分割曲面元素）

　　 相交计算：系统将在分割处创建相交线。

　　 Support： 用于面上的线框之间的修建， 修建曲线时只保留曲面上的部分。

　　 Element to remove： 可在图形区选取一条或多条线来定义要移除的子 元素。

　　 Element to keep：可以在图形区选取一条或多条边线来定义要保留的子 元素。

　　 Automatic extrapolation：当切除元素不足够大，不足以切除要切除的元 素时，可选择此复选框，将切除元素沿切线延伸至要切除元素的边界。

　　要注意避免切除元素延伸到要切除元素边界之前发生自相交。

　　6、 修剪： 利用相交曲面或相交曲线进行互相裁剪， 并可以选择各自的保留部分， 最后保留部分会结合成一个新的元素。

　　 结果简化：系统自动尽可能的减少修剪结果中面的数量。

　　 自动外插延伸：当修剪元素不够大，不足以修剪掉要修剪的元素时，选 中此复选框，将修剪元素沿切线延伸至要修剪元素的边界。

　　要注意避免 修剪元素延伸到要修剪元素边界之前发生自相交。

　　7、边/面提取：  提取边界：插入→操作→边界。

　　 提取曲面：插入→操作→提取  多重提取：插入→操作→多重提取。

　　8、仿射：可将一个或多个元素复制，并以某参考元素为基准，在 x，y，z 三个 方向上进行缩小或放大，并且在这三个方向上的缩放值可以不一样。

　　9、定位变换：可将一个或多个元素复制并安选定的参考轴系调整方位。

　　10、外插延伸： ①、常量距离优化：可执行常量距离的外插延伸，并创建无变化的曲面。

　　当 选中“扩展以外插延伸的边线”时不可用。

　　②、内部边线：可确定外插延伸的优先方向，可以选择一条或多条边线进行 相切外插延伸。

　　③、扩展以外插延伸的边线：可重新连接基于外插延伸曲面的元素特征。

　　11、反转：可以完成翻转曲线或曲面的操作。

　　【？？】 12、近接：可根据指定的参考就近提取需要的有用元素。

　　13、将曲面转化为实体： （切换到零件设计工作台） ①、封闭曲面：可将封闭的曲面转化为实体，非封闭曲面则自动以线性的方 式转换为实体。

　　②、 “分割”创建实体：箭头所指方向表示需要保留的实体方向。

　　第6章 曲面中的圆角 1、倒圆角：可在两组曲面或者实体表面之间建立光滑连接的过渡曲面，也可对 曲面自身边线进行圆角。

　　【如果需要创建异形圆角，可给圆角加上控制曲线 和脊线】 2、倒圆角： ①、如果倒圆角的两条边线离得比较近且圆角半径较大，从而使两个圆角产 生叠加时，可以选中“修剪带”复选框修剪叠加的部分。

　　②、 如果不需要将一条边线整个倒圆角， 则可以给要倒的圆角加个限制元素，

　　结语

　　关于CATIA 中曲率的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

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