CATIA - 自由曲面教程

自由造型单元可以创建不规则的曲面，构图方式自由，故称自由造型。自由造型构图方式是透过移动控制点的方式来决定曲面或曲线的外形，与其他实体为主的单元的不同处，在于自由造型可以脱离实体的限制，由用户的主观意识来决定所要的外形。

自由曲面优化模块扩展了CATIA自由曲面造型设计的外形和曲面造型功能，主要针对复杂的多曲面外形的变形设计。设计者可以象处理一个曲面片一样对曲面进行整体更改，而同时保持每个曲面先前规定的设计品质。系统能够使一个设计和其他的几何元素匹配。为检验曲面的设计质量，用户可以实施一个虚拟展室，通过计算出反射光线对曲面进行检查。

2.1 进入自由曲面造型单元

打开CATIA软件后，在菜单栏中的 开始 菜单中选择 形状 模块，并单击 FreeStyle 单元，如图2.1所示，进入自由曲面造型单元。

图 2.1

自由曲面造型功能总览：

自由曲面造型单元共有八项主要的工具栏，可以在 插入 和 工具 菜单中找到，全部的工具栏请参考图2.2。插入工具栏所提供的功能主要用于曲面与曲线的创建和修改，工具菜单中所提供的功能主要为辅助用户的设计工作。

图 2.2

八项主要工具简介如下： . Curve Creation(曲线创建):可以用各种条件创建并修改曲线。 . Surface Creation(曲面创建):可以用各种条件创建并修改曲面。 . Shape

Modification(外形修正)：可以对曲面、曲线的外形进行修正。 .

Operations(修改操作)：可以对曲线、曲

面等对象进行修改。 . Shape Analysis(外形分析)：可以对曲面、曲线进行间隙、曲率、曲面品质、距离误差等的分析。 . Generic Tools(一般工具)：可以显示曲面的几何状态，改变指南针方向。 . View

Manipulation(自定义观察方式)：可以修改屏幕的显示比例，使用指南针来移动视角，变换前后视角。 . FreeStyle Dashboard(自由造型辅助面板)：建立与修改曲面、曲线时的辅助工具。

2.2 曲线创建

曲线创建(Curve Creation）工具栏可以用来绘制曲线，提供数种方式，如：空间曲线(3D Curve)、曲面上的曲线(Curve on Surface)、投影曲线(Project Curve）、并可以利用已知曲线绘制新的曲线，如：桥接曲线(FreeStyle Blend

Curve）、圆角造型(Styling Corner)与匹配曲线(Match Curve)。曲线创建工具栏如下所示。

空间曲线 曲面上曲线 投影曲线 桥接曲线 圆角造型 匹配曲线

2.2.1 空间曲线

空间曲线功能是在空间的一系列点上建立样条线，或者在指南针的XY平面上建立样条线。

(1) 按下 F5 键决定曲线所在的平面，此处以XY平面为基准面，用户也可以在绘制曲线时，更改曲线的平面，即可绘出空间的曲线。连续按F5可以选择不同的基准。

(2) 在 Curve Creation 工具栏中单击“空间曲线”功能按钮2.3所示的 3D Curve 对话框。

，弹出如图

图 2.3

(2) 在对话框中的 Creation type 下拉列表中选择建立曲线的方式。 * Through points

通过点是选择一系列点，作为样条上的点，来决定曲线的外形。如图2.4所示，建立的样条曲线将通过所选择的点。生成最光滑的曲线，每段曲线的阶数为6。

图 2.4

图 2.20 图 2.21

(8) 在样条线的控制点上单击鼠标右键，弹出如图2.22所示的菜单。

. 选择 Edit 选项，弹出 Turner 对话框，在对话框中可以微调该控制点的位置，如图2.23所示。

. 选择 Keep this point 选项，可以将所选择的控制点生成一个几何点。 . 选择 Impose Tangency 选项，可以选择一个方向作为该点的切向，几何显示区出现该点当前的切向，如图2.24所示。用鼠标拖动箭头，可以改变样条线在该点的张力大小，双击箭头，可以改变切线的方向。拖动两个圆，可以改变切向的方向。拖动切向到直线上，可以将直线作为样条线的切向。

. 选择 Impose Curvature 选项，可以设置样条线在所选择点的曲率，如图2.25所示。拖动箭头，可以改变曲率的大小，拖动圆弧，可以改变曲率的方向。

图 2.22 图 2.23

图 2.24 图 2.25

(9) 在控制点的方式下，如果样条线的控制点在其他几何元素上，可以设置样条线与该几何元素的连续关系，如图2.26所示，图中的样条线与其他两条直线是点连续的关系。在“Point”字样上单击鼠标右键，在弹出的如图2.27所示的菜单中选择一种连续方式，设置样条线与该直线的连续方式。如图2.28所示，是将样条线与两条直线的连续方式改变为相切。

图 2.26 图 2.27

图 2.28

(10) 依据以上步骤所绘制的曲线，都与其创建点有关联，因此若要建立一个独立的曲线，需要在 Freestyle Dashboard 工具栏中单击立的曲线。

按钮，才能建立独

练习文件：3D Curve.CATPart

2.2.2 曲面上的曲线

曲面上曲线功能，是在曲面上建立等参数曲面或者任意的样条线。 (1) 在Curve Creation工具栏中单击“曲面上的曲线”功能按钮图2.29所示的Options对话框。

，弹出如

图 2.29

(2) 选择如图2.30所示的一个曲面。

图 2.30

(3) 在对话框中的Creation Type 下拉列表中选择一种创建曲线的方式。

A：Point by point方式是在曲面上选择若干点作为样条线的通过点或者控制点。选择该方式后，可以在Mode下拉列表中选择一种建立样条线的控制方法。 . With control points是所选择的点作为样条线的控制点，如图2.31所示。

图 2.31

. Near points是在曲面上选择一系列的点作为样条线在某个设定的阶数的近似点，如图2.32所示，在图中的数字上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择一个数值作为样条线的阶数。

图 2.32

. Through points是在曲面上选择一系列的点作为样条线的通过点，如图2.33所示。

图 2.33

B:Isoparameter方式可以利用曲面的U，V方向生成等参数曲线，在Mode下拉列表框中有两种建立等参数曲线的方式。

. Manual selection是用鼠标在曲面上选择一点，以确定等参数的曲线的位置，如图2.34所示。单击选择等参数曲线后，可以拖动曲线的方向控制点，从而改变曲线的位置。在控制点上单击鼠标右键，弹出如图2.35所示的菜单，选择Edit选项，可以用对话框微调曲线的位置；选择Keep this point选项，可以在当前曲线的控制点的位置建立几何点；选择Invert Parameter选项，可以切换曲线的U，V方向，如图2.36所示。

图 2.34 图 2.35

图 2.36

. Automatic selection是自动生成参数等间距的等参数曲线。在U，V方向，参数的数值属于区间[0，1]，即U为0是U向的一条边界线，U为1是另一条边界线。等参数间距表示曲线在某个方向的参数的间距相等。用户可以在对话框中的U，V栏目中设置U，V两个方向的曲线数目，如图2.37所示。可以拖动参数曲线上的控制点，改变该曲线的位置，如图2.38所示。

图 2.37 图 2.38

用Isoparameter方式建立等参数曲线时，可以选择曲面外的点来确定等参数曲线的位置，系统自动将该点投影到曲面上，以投影点来确定等参数曲线的位置，如图2.39所示。如果是用Point by point方式，选择曲面外的点时，该点在曲面上的投影点将作为曲线上的点，如图2.40所示。

图 2.39 图 2.40

练习文件：CurveOnSurface.CATPart

2.2.3 投影曲线

投影曲线(Project Curve)功能，是将曲线按照曲面的方向或者指南针的方向投影到曲面上，生成投影曲线。

(1) 在Curve Creation工具栏中单击“投影曲线”功能按钮

，弹出如图2.41

中所示的Projection对话框。选择图2.41所示的需要投影的曲线。

图 2.41

(2) 按住Ctrl键，选择投影曲面。 (3) 在对话框中选择投影方式：所示。

表示以曲面的法向为投影方向，如图2.42

表示以指南针的方向进行投影，可以设置指南针的方向来设定不同的

投影方向，如图2.43所示。图中所示是将指南针定位在直线上的情况。

图 2.42

图 2.43

(4) 如果被投影的曲线超出了曲面的范围，在曲面外的部分将不会被投影，如图2.44所示，投影曲线被分割成为相互独立的两段。

(5) 可以同时选择多条曲线进行投影，如图 2.45所示。直线也可以进行投影。多条曲线投影生成的曲线是相互独立的。

图 2.44

图 2.45

2.3 曲面创建

曲面创建工具栏是用来建立曲面的工具集，包含各种绘制曲面的方法，包括建立面片、拉伸曲面、旋转曲面、偏置曲面、外插延伸、桥接曲面、圆角曲面、填补曲面、网格曲面、扫掠曲面等。曲面创建工具栏如下所示。

建立面片

拉伸曲面 旋转曲面 偏置曲面 外插延伸 圆角曲面 填补曲面 网格曲面 扫掠曲面

桥接曲面

2.3.1 建立面片

面片(Patch)功能，可以通过两点、三点、四点建立面片。

1. 两点面片

(1) 在Surface Creation工具栏中单击“两点面片”功能按钮

。

(2) 在几何显示区选择一个点或者单击建立一个点作为面片的起点。 (3) 选择另一个点作为面片的另一个对角点，如图2.75所示。

图 2.75

(4) 建立的面片默认是在指南针的UV平面，所建立的面片是平面面片。用户可以配合指南针工具栏建立位于不同平面的平面面片。如果用户选择的第二个点不位于当前所设定的绘制平面上，那么系统将所选择的第二个点投影到绘制平面上。

. UV平面 是以指南针的UV平面为绘制平面，如图2.76所示。

. VW平面 是以指南针的VW平面为绘制平面，如图2.77所示。

. UW平面 是以指南针的UW平面为绘制平面，如图2.78所示。

图 2.76

图 2.77

图 2.78

. 屏幕平面

是以当前屏幕的视角平面作为绘制平面，如图2.79所示，其中

的情况，右图是按下了

的情况。

左图是没有按下

图 2.79

(5) 在预览的面片上单击鼠标右键，弹出如图2.80所示的菜单。选择Edit Orders选项，弹出Orders编辑对话框，如图2.81所示，可以设定U，V两个方向的阶数，预览面片中的虚线条数表示该方向的阶数。选择Edit Dimensions选项，可以编辑面片两个方向的尺寸，如图2.82所示。

图 2.80 图 2.81

图 2.82

(6) 建立的面片不具有关联性，无法双击面片对其进行参数编辑，如图2.83所示，

图标表示该曲面是无法进行参数编辑的。修改面片的参数可以用控制顶

进行修改，具体用法见形状编辑。

点编辑功能

图 2.83

2. 三点面片

三点面片功能 是通过三点来确定一个矩形面片。

(1) 在Surface Creation工具栏中单击“三点面片”功能按钮(2) 确定第一个点作为面片的一个对角点。

。

(3) 确定第二点，与第一个点一起共同确定矩形面片的一条边的方向。 (4) 确定第三点，作为面片的另一个对角点，如图2.84所示。

图 2.84

(5) 如果选择的三个点都是已存在的点，那么绘制的平面面片是在这三点构成的平面内。如果选择的点含有在几何显示区中点选生成的，那么所绘制的平面，与两点面片一样，也是在指定的指南针平面内绘制。图2.85所示是在指南针的XY平面中绘制的平面面片，图2.86所示是其侧面图，由图中可见，建立的面片与XY平面平行。

图 2.85 图 2.86

(6) 三点面片与两点面片一样，可以通过单击右键，在弹出的菜单中选择Edit Orders选项中修改面片的U、V两个方向的阶数，也可以选择Edit Dimensions选项修改面片的尺寸，如图2.87所示。

图 2.87

3. 四点面片

四点面片功能 ，是以空间以存在的点、线、面等元素为参考，用四点来确

定一个面片。面片可以是平面，也可以是曲面。

(1) 在Surface Creation工具栏中单击“四点面片”功能按钮

。

(2) 在已经存在的几何元素上选取3个点，作为面片的三点，如图2.88所示。 (3) 在已存在的几何元素上选择第4个点，或者在显示区选取一点，作为面片的第4点，形成面片，如图2.89所示。四点面片可以不是矩形，所选择的四点可以不共面。

图 2.88 图 2.89

(4) 如果第四点不是已存在的几何元素上的点，那么所建立的面片将是在前三点所确定的平面上，如图2.90左图所示。如果第四点也选择在已存在的几何元素上，那么形成的面片由四点的空间位置确定，如图2.90右图所示。

图 2.90

(5) 可以在预览的面片中单击鼠标右键，在弹出的Orders对话框中设定面片的阶数，如图2.91所示。

图 2.91

(6) 图2.92所示是建立在曲线上的四点面片。 (7) 图2.93所示是建立在曲面上的四点面片。

图 2.92

图 2.93

4. 提取面片

提取面片功能

是在已有的曲面上，提取曲面中的某一部分曲面面片。

(1) 在Surface Creation工具栏中单击“提取面片”功能按钮 。

(2) 选择一个曲面，作为提取面片的母面。此时所选择的曲面显示出控制网格，如图2.94所示。

(3) 用鼠标选择控制网格的一个网格点，作为提取的面片的一个对角点。 (4) 再选择另一个网格点，作为所提取面片的另一个对角点，如图2.95所示。提取出来的曲面如图2.96所示，其中左图是提取的面片在母面中的情况，右图是提取出来的面片。

图 2.94 图 2.95

图 2.96

(5) 如果在选择第二个网格点时同时按住Ctrl键，可以使提取的面片关于母面的中心对称，如图2.97所示，其中左图是没有按下Ctrl键的情况，右图是按下Ctrl键的情况。

图 2.97

(6) 可以选择曲面外的点来确定提取面片的边界，所选择的点投影到曲面上作为网格点，如图2.98所示。

图 2.98

练习文件：Patch.CATPart

2.3.2 拉伸曲面

拉伸曲面功能(Extrude Surface)

,可以将曲线、直线、曲面边线沿着法线

方向或者指南针方向进行拉伸，形成曲面。拉伸曲面与原来的拉伸元素不存在关联性。

(1) 在Surface Creation工具栏中单击“拉伸曲面”功能按钮2.99所示的Extrude Surface对话框。

，弹出如图

图 2.99

(2) 选择一条曲线作为拉伸截面线。 (3) 在对话框中选择一种拉伸的方向，选择为拉伸方向，如图2.100所示；选择如图2.101所示。

是以拉伸曲线的切面的法向作

，是以指南针的方向作为拉伸方向，

图 2.100 图 2.101

(4) 在对话框中的Length微调按钮中设定拉伸的长度，或者拖动曲面的控制点，改变拉伸曲面的长度，如图2.102所示。拉伸长度可以是负值，正值与负值的拉伸曲面方向相反。

(5) 选中对话框中的Display Corners复选框，可以在曲线的两个端点显示拉伸曲面的控制点。

(6) 可以用直线进行拉伸，如图2.103所示。

图 2.102 图 2.103

练习文件：Extrude.CATPart

2.3.3 旋转曲面

旋转曲面(Revovle)功能个旋转曲面。

(1) 在Surface Creation工具栏中单击”旋转曲面“按钮2.104所示的Revolution Surface Definition对话框。

，系统弹出如图

，是将草图或者曲面绕一根轴线进行旋转，形成一

图 2.104

(2) 选择几何元素输入Profile文本框中，作为旋转的轮廓，选择一条直线或者一个平面输入Revolution axis文本框中作为旋转轴线。在特征树中选择曲线轮廓填入Profile中，选择轴线填入Revolution axis中作为旋转轴线，预览结果如图2.105所示。

图 2.105

(3) 在Angle 1和 Angle 2微调按钮中设置相应的旋转角度，或者在几何显示区中拖动箭头改变旋转的角度。

(4) 可以选择封闭的草图轮廓进行旋转。在特征树中选择封闭轮廓输入Profile文本框中作为旋转轮廓，设置Angle 1和Angle 2都为180度。旋转形成一个环，如图2.106所示。

(5) 可以采用曲面作为旋转的轮廓。在特征树中选择曲面作为旋转轮廓，旋转形成一个封闭的曲面，如图 2.107所示。

图 2.106 图 2.107

练习文件：Revolution.CATPart

2.3.4 偏置曲面

偏置曲面(Offest Surface)功能或者不均匀偏置。

(1) 在Surface Creation 工具栏中单击”偏置曲面“功能按钮2.108所示的Offset Surface对话框。

，弹出如图

，可以将曲面沿着法向方向进行均匀偏置

图 2.108

(2) 选择进行偏置的母面。

(3) 拖动偏置曲面的控制点，改变偏置的距离，如图2.109所示。

图 2.109

(4) 在对话框总，Type选项区域列出了偏置的两种方向。

. Simple是均匀偏置，整张曲面的偏置距离相同，如图2.109所示。 . Variable是非均匀偏置，可以分别对四个顶点的偏置距离进行调整，如图 2.110所示。这种情况也可以调整曲面中心的控制点，此时曲面的顶点的偏置距离也随着改变。如果用于偏置的母面是剪裁过的，那么可以调整偏置距离的顶点也是四个，如图2.111所示。

图 2.110 图 2.111

(5) 由于偏置可能产生误差，在对话框中的Limits选项区域中，可以设置偏置的允许误差。

. Tolerance微调按钮可以设置偏置曲面的精度，如图2.112所示。选种对话框中Display选项区域中的Tolerance复选框，可以显示偏置曲面的误差值。 . Order微调按钮可以设置偏置曲面与母面之间U、V两个方向的阶数的差值(Delta)，如图2.113所示。选中Display选项区域中的Order复选框。可以在偏置曲面上显示偏置后的曲面的U、V两个方向的阶数。

图 2.112 图 2.113

(6) 选中Display选项区域中的Normals复选框，可以显示曲面在控制点处的法向，单击法向箭头，可以改变偏置的方向，如图2.114和2.115所示。

图 2.114 图 2.115

(7) 可以选择一个能够通过曲面法向投影到曲面上的点，作为偏置曲面上的一点，如图2.116所示。如果素选择的点不在曲面的法向上，则该点到曲面的距离将作为偏置的距离，如图 2.117所示。如果所选择的点无法通过曲面的法向投影到曲面上，那么不能选择该点作为偏置曲面上的点，如图2.118所示。

图 2.116 图 2.117

图 2.118

(8) 在某种情况下，偏置曲面可能无法建立，如图2.118所示，出现了感叹号在黄色的三角形中的图形，表示偏置曲面无法建立单一的曲面，即出现了拓扑异常。如图2.119所示，左图是母面，右图是偏置面。

图 2.119

(9) 可以同时选择多个曲面进行偏置，多个曲面的偏置距离相等，如图2.120所示。

图 2.120

练习文件：Offset.CATPart

2.3.5 外插延伸

外插延伸(Extrapolation)功能

，可以将曲面以其某条边线为基础 ，外插

延伸形成与母面具有某种连续性的外插曲面；或者可以将曲线延伸一个端点外插延伸，形成外插曲线。

(1) 在 Surface Creation工具栏中单击“外插延伸”功能按钮2.121所示的Extrapolation对话框。

，弹出如图

图 2.121

(2) 选择需要进行延伸的曲面边线，如图2.122所示。

(3) 拖动延伸曲面的控制点，或者在对话框的Length微调按钮中设置延伸的长度，如图2.123所示。

图 2.122

(4) 延伸的类型有两种：

图 2.123

. Tangential是斜率连续的方式，延伸后的曲面与母面具有斜率连续； . Curvature是曲率连续的方式，延伸后的曲面与母面具有曲率连续。 (5) 如果选中Exact复选框，表示外插曲面的是按照解析的方法进行计算，外插曲面具有与母面相同的阶数，如图2.124左图所示。没有选中该复选框，外插是按照几何模式进行计算的，可能与母面具有不同的阶数，如图2.124右图所示。选中Exact复选框时，可能无法建立外插曲面。

图 2.124

(6) 可以对曲线进行外插延伸，但延伸只能具有斜率连续，如图2.125所示。

图 2.125

练习文件：Extrapolation.CATPart

2.3.6 桥接曲面

桥接曲面(FreeStyle Blend Surface)功能

，用一个曲面连接两个曲面或者

曲线，并使得建立的曲面与被桥接的曲面具有某种连续性。 (1) 在Surface Creation工具栏中单击“桥接曲面”功能按钮2.126所示的Blend Surface对话框。

，弹出如图

图 2.126

(2) 选择两个被桥接曲面的边线，如图2.127所示。

图 2.127

(3) 建立桥接曲面的方式有3种。

. Analytic是解析几何模式，如图2.128所示，在对话框中的Information选项区域中，列出了所建立桥接曲面的方式，桥接曲面的面片数目和阶数。

图 2.128

. Approximated是近似模式，忽略所选择边线的几何特征，采用近似的方式建立桥接曲面，如图2.129所示，注意在Information选项区域中，所建立的桥接曲面是由两个面片组成，曲面的阶数是6*6，与Analytic方式略有差别。

图 2.129

. Auto是自动模式，由系统自动选择前两种模式中的一种模式，例如在本例中，系统选择的桥接方式是Analytic模式，如图2.130所示。

图 2.130

(4) 在辅助工具栏中，单击“连续性”(Continuity)按钮 ，可以显示桥接

曲面与被桥接曲面之间的连续性情况，在连续性字样上单击鼠标右键，弹出如图2.131所示的菜单。

. Point continuity表示点连续，符号为Pt,在桥接曲面与母面的连接部位具有点连续性，如图2.132所示。

图 2.131 图 2.132

. Tangent continuity表示斜率连续，符号为Tg,在桥接面与母面连接的部位，桥接面和母面具有共同的切面，如图2.133所示。

. Proportional表示比例连续，符号为Pro，桥接面和母面的连续具有斜率连续，系统自动调整桥接面的控制点分布，使曲面更加光顺，如图2.134所示。

图 2.133 图 2.134

. Curvature continuity表示曲率连续，符号为Ct，桥接面与母面的连接部位具有曲率连续，如图2.135所示。

(5) 单击辅助工具栏中的“连接点”(Contact points)按钮 ，可以在连接

的部位显示连接的边界控制点，拖动控制点，可以改变桥接的方位，如图2.136所示。

图 2.135 图 2.136

(6) 单击辅助工具栏中的“张力”(Tension)按钮 ，可以显示连接部位的张

力情况，拖动张力值所指的箭头可以改变桥接面的张力情况。在斜率连续(Tg)和比例连续(Pro)的情况下，右击张力数值，在弹出的菜单中选择Invert

direction选项，可以改变张力的方向，如图2.137所示。在曲率连续(Ct)的情况下，可以改变两个方向的张力情况，如图2.138所示。

图 2.137

(7) 单击辅助工具栏中的“显示控制网格”按钮控制网格，如图2.139所示。

图 2.138

，系统在桥接曲面上显示

(8) 可以选择曲面上的曲线作为该曲面桥接的边线，如图2.140所示，系统自动将曲线所在的曲面作为桥接的母面。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x1yw.html