汽車曲面品質(zhì)分析及光順優(yōu)化方法研究

李 和

LI He

（襄樊學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，襄樊 441053）

0 引言

在汽車的研發(fā)過程中，汽車曲面是汽車設(shè)計的一個重要的組成部分，光順的車身曲面對于提高汽車的市場競爭力極為重要。車身造型、車身空氣動力學(xué)性能等都與車身曲面有密切的關(guān)系，因此汽車曲面品質(zhì)是影響汽車外觀設(shè)計以及汽車性能的一個重要環(huán)節(jié)。同時，具有良好光順性的曲面可以降低加工難度、縮短生產(chǎn)周期和降低成本。在保證車身曲面品質(zhì)的要求下，準確全面的分析出車身的曲面品質(zhì)，對曲面進行光順優(yōu)化，合理高效的設(shè)計出符合行業(yè)生產(chǎn)要求的曲面，是目前面臨的課題。

1 車身曲面分類

汽車車身曲面按照其可見程度可以分為A、B、C三級曲面。車身的A級曲面，是指汽車車身外表面中的高可見區(qū)域，因其高可見性A級曲面的要求最高，曲面品質(zhì)要求達到G2階曲率連續(xù)或G2階以上連續(xù)。車身A級曲面包括發(fā)動機引擎罩、車門、后背門、頂蓋、前后翼子板、前后保險杠等。

車身的B級曲面指車身上的少可見區(qū)域，或不重要的表面，因為是少可見區(qū)域，所以其要求相對較低，G1階連續(xù)或G1階以上曲率連續(xù)即可，B級曲面包括門框、儀表板和門內(nèi)飾板下表面等。

車身C級曲面指車身上的極少可見曲面，或不可見曲面，其光順要求最低，G1階曲率連續(xù)即可，車身C級曲面主要包括車身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等。

2 車身曲面品質(zhì)分析方法

常用的曲面品質(zhì)分析方法有：實體表面或曲面顏色曲率圖，包括高斯曲率、最大最小曲率、平均曲率、截面線等；圓柱、地平線或紋理圖視；用曲率梳進行截面分析和利用控制頂點網(wǎng)格分析。常用于車身曲面品質(zhì)檢查方法有光照模型法、曲面曲率法、等高線法等，其中等高線法用的不多，一般用這種方法檢查點云和三角面的質(zhì)量。

車身曲面必須具備精確性、連續(xù)性以及光順性；符合設(shè)計意圖，符合美學(xué)要求；必須同車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、車身制造工藝相結(jié)合。計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)在汽車設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用改進了汽車制造業(yè)的現(xiàn)狀，在CAD軟件平臺中通常用以下幾種方法評價汽車曲面品質(zhì)：1）曲率梳分析法，通過各截面線的曲率梳的形狀和變化分析曲面的品質(zhì)；2）高斯曲率分析法，曲面的高斯曲率值與設(shè)定的顏色相關(guān)聯(lián)，曲面的高斯曲率變化可通過顏色變化分析得知，通過顏色的過渡自然與否判定曲面的協(xié)調(diào)性；3）斑馬線分析法，通過觀察一組等距離的黑色條紋在曲面上的反射曲線的間隔是否均勻，或者變化是否均勻，來判定曲面的質(zhì)量。評價和判斷曲面品質(zhì)高低，多綜合運用以上方法。

3 車身曲面的光順準則

曲面光順準則是曲面品質(zhì)分析的重要依據(jù)，光順指曲面的光滑性和無波動性。參照施法中和朱心雄的定義可歸納，曲面片滿足G2連續(xù)，無多余拐點，曲率分布均勻，應(yīng)變能最小。

曲面光順可根據(jù)曲面上的關(guān)鍵曲線，例如u、v方向的參數(shù)線等是否光順以及曲面的主曲率、高斯曲率、平均曲率等曲率的變化是否均勻等來判斷。具體評判準則為：1）曲面的u、v等參數(shù)線應(yīng)達到光順；2）構(gòu)造曲面時網(wǎng)格線無多余拐點和撓點達到光順；3）曲面與平行且間隔相等的某一組平面的截面線應(yīng)達到光順；4）曲面高斯曲率變化均勻；5）二次曲面的主曲率在節(jié)點處的左、右曲率差的躍度和盡量小[3]。

4 車身曲面光順優(yōu)化方法

對車身曲面的光順優(yōu)化可從車身曲面的內(nèi)部質(zhì)量、曲面之間的連續(xù)性，以及曲面片劃分和有效使用曲面分析優(yōu)化工具等方面進行優(yōu)化。

4.1 曲面內(nèi)部質(zhì)量

在進行曲面優(yōu)化前，需對曲面優(yōu)化后所要達到精度要求，加工過程需要滿足的要求等有充分的認識和了解。通常進行曲面優(yōu)化修改時，當對一個曲面作了修改，則會驅(qū)動和它相關(guān)聯(lián)的幾個曲面發(fā)生改變，這是因為曲面的定位點和控制點不是孤立存在的，而是相互關(guān)聯(lián)的，所以極小的調(diào)整和改變都會涉及到整個面片，影響到曲面與其連接曲面間的相互關(guān)系。

同時因視曲面重要程度而定其是否需要修改，位于高可見區(qū)域的曲面，例如車身內(nèi)、外覆蓋件等曲面質(zhì)量的要求嚴格，需要按要求對其進行相關(guān)的修改調(diào)整，位于在低可見區(qū)域或極少見區(qū)域，曲面的修改可以不做。

4.2 曲面片劃分準則

其一，曲面片劃分過多則會隨著曲率連續(xù)的變化，引起曲面片間或者曲面中間的振動和不連續(xù)問題，因此須避免劃分過多的面片。其二，曲面曲率變化較小或較均勻處，可劃分較少的曲面片；對于曲率變化均勻的較大曲面，盡量用一張曲面去造型。其三，曲面曲率變化較大或變化不均勻處，特別是曲率急劇變化出，為避免形成皺紋面，應(yīng)將曲面劃分為幾個曲面片造型后，再進行拼接。其四，在保證型值點能夠有效的控制曲面形狀的前提下，劃分后的曲面片型值點越少越好；為減少三邊封閉的退化曲面，劃分后的曲面片盡量為四邊形域曲面。最后，以先大曲面后小曲面為原則，盡量使用大面積曲面達到設(shè)計意圖。

4.3 相鄰曲面的關(guān)系

曲面相鄰的面片之間有四種連續(xù)級別：曲率連續(xù)（G2~G3）、相切連續(xù)（G1~1階）、相交（G0~0階）和不相交。對于高可見區(qū)域多采用三階連續(xù)，為曲率連續(xù)，例如單一特征的大曲面片應(yīng)達到G3連續(xù)和光順，極少部分采用2階曲率連續(xù)。相切連續(xù)常用于不可見區(qū)域，或者極少可見區(qū)域的曲面。相交往往用于構(gòu)造示意圖。有縫隙或者有特殊需要則采用不相交。

目前多數(shù)曲面建模軟件的曲面生成方法均以四邊域為基礎(chǔ)，因此在曲面片拼接時，需要滿足多條邊界的連續(xù)性要求。對于汽車車身曲面多數(shù)曲面片拼接要求滿足G2連續(xù)，特殊結(jié)構(gòu)和位置，要求滿足G3連續(xù)。

4.4 有效使用曲面分析優(yōu)化工具

目前的車身曲面設(shè)計是通過三維建模軟件把車身曲面構(gòu)建出來，然后進行曲面分析優(yōu)化。有效使用曲面分析優(yōu)化工具，就能鑒別曲面的缺陷，如不連續(xù)，扭曲和斷裂等現(xiàn)象。例如使用曲面分析工具如高斯曲率、最小和最大曲率半徑及平均曲率就能及時發(fā)現(xiàn)的問題。曲率梳，高斯曲率，斑馬線等都是檢驗曲面品質(zhì)的常用工具，可用來評價曲面內(nèi)部質(zhì)量以及曲面之間連續(xù)性，應(yīng)該綜合應(yīng)用才能對曲面進行更好的光順優(yōu)化處理，以達到要求。

5 結(jié)束語

本文對汽車車身曲面品質(zhì)的分析方法，車身曲面的光順準則，以及汽車車身曲面的光順優(yōu)化方法進行了討論。針對汽車曲面品質(zhì)分析及光順優(yōu)化方法研究，需要在以后的研究中進行不斷的探討，并盡可能得到更好更有效的方法。

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