一種汽車前大燈蜂窩狀特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

張海寧

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

汽車燈具作為整車中重要的總成零件，其功能性及造型設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中具有重要的作用，一些著名品牌如奧迪等因其出眾的車燈設(shè)計(jì)使其成為重要的品牌基因和產(chǎn)品亮點(diǎn)。在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Class A高級曲面建模應(yīng)用于汽車外形和內(nèi)飾的表面數(shù)字模型設(shè)計(jì)，已經(jīng)形成了較為成熟的設(shè)計(jì)理論和方法。隨著廠商對車燈設(shè)計(jì)的重視，在車燈設(shè)計(jì)中也應(yīng)用了更為精細(xì)的Class A高級曲面設(shè)計(jì)，使得車燈的設(shè)計(jì)質(zhì)量得到大大提升。采用高級曲面設(shè)計(jì)的外觀評價標(biāo)準(zhǔn)也因此相比傳統(tǒng)車燈數(shù)字模型設(shè)計(jì)的要求更高。在精細(xì)數(shù)字建模的設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)蜂窩狀飾板的邊界質(zhì)量容易受到本身設(shè)計(jì)的幾何特征及其加工制造因素等的影響，導(dǎo)致實(shí)際零件上產(chǎn)生一定的外觀質(zhì)量缺陷。因此文中將討論基于Class A曲面設(shè)計(jì)平臺的前大燈中蜂窩狀特征的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使得燈具飾板在滿足可行性制造因素的要求下優(yōu)化其外觀質(zhì)量。

1 蜂窩狀特征外觀質(zhì)量缺陷問題

蜂窩狀裝飾特征是一種普遍應(yīng)用于汽車造型中的設(shè)計(jì)構(gòu)成元素。在汽車設(shè)計(jì)中，經(jīng)常應(yīng)用于前格柵、前后保險杠、內(nèi)飾飾板等汽車零件的外觀設(shè)計(jì)上，經(jīng)常用來表達(dá)汽車的運(yùn)動主題；同樣的，在車燈造型中也會相應(yīng)地使用蜂窩狀特征與汽車整體造型相呼應(yīng)。從數(shù)學(xué)模型上看，蜂窩狀裝飾特征的抽象幾何模型為相鄰排布的六邊形網(wǎng)格陣列，通常其基本元素為不等邊六邊形。相比其他區(qū)域的蜂窩狀特征設(shè)計(jì)，汽車前大燈內(nèi)的蜂窩裝飾特征又具有尺寸小、密度高的特點(diǎn)。圖1示出了一種典型的立體蜂窩狀裝飾特征的網(wǎng)孔樣式，在零件外觀上呈現(xiàn)為由六邊形豎筋刻畫出的裝飾形式，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 立體蜂窩狀裝飾特征

(1)六邊形網(wǎng)格凹槽的面積較小。相較于格柵的蜂窩特征，汽車前大燈內(nèi)部受整體燈具尺寸的限制，六邊形網(wǎng)格對角線長度為3～10 mm不等的尺寸范圍。

(2)六邊形隔斷豎筋的厚度較小。在一些車型設(shè)計(jì)中六邊形隔斷豎筋的厚度僅為0.5 mm。

(3)六邊形網(wǎng)格的排列密度非常高。在一些車型設(shè)計(jì)中就分布了約13.5個/cm的網(wǎng)格。

由于蜂窩裝飾具有尺寸小及密度高的特點(diǎn)，在生產(chǎn)中多采用電火花加工進(jìn)行其模具加工，其模具上需要加工出蜂窩網(wǎng)孔的陽模。如圖1(a)所示的蜂窩網(wǎng)孔，其深度約為1.5 mm，因此對應(yīng)的蜂窩網(wǎng)孔陽模也需要有1.5 mm的高度。由于模具強(qiáng)度的限制，若干尺寸較小的網(wǎng)孔陽模無法得到加工，或加工的高度不足1.5 mm，這就導(dǎo)致了在網(wǎng)格的邊界處有若干蜂窩裝飾孔不能被完好地制造出來，從而使裝飾形狀的邊界產(chǎn)生一定的外觀缺陷，如圖1(b)所示，其邊界上產(chǎn)生了視覺上的不連續(xù)性。為了解決這一問題，通過分析網(wǎng)格排布的特點(diǎn)，并結(jié)合Class A曲面設(shè)計(jì)的相關(guān)手段，提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2 蜂窩狀特征網(wǎng)格邊界的優(yōu)化方法

如前所述，蜂窩裝飾的本質(zhì)為六邊形網(wǎng)格陣列。如果要使飾板邊界的網(wǎng)孔都可以被完整加工出來，必須使六邊形在零件邊界處保留可制造的有效六邊形剩余形狀。

2.1 正六邊形陣列的邊界處理

先從正六邊形陣列入手來研究這個問題。如圖2(a)所示，假設(shè)直線為裝飾形狀邊界，并且線左側(cè)為形狀保留區(qū)域。中心六邊形的左側(cè)頂點(diǎn)為，線與中心六邊形的交點(diǎn)為及(=1, 2, 3，…)。假設(shè)線始終與圖示中心六邊形的邊相交，另一交點(diǎn)可分為下面3種情況：

(1)若另一交點(diǎn)在點(diǎn)下方第一條邊上，記為交點(diǎn)，如圖2(a)所示；

(2)若另一交點(diǎn)在點(diǎn)下方第二條邊上，記為交點(diǎn)，如圖2(b)所示；

(3)若另一交點(diǎn)在點(diǎn)下方第三條邊上，記為交點(diǎn)，如圖2(c)所示。

圖2 正六邊形陣列分析圖

根據(jù)正六邊形的對稱性，直線與六邊形另外兩條邊相交的情況可等效上述所列情況(1)或(2)。

對于情況(1)，由于三角形為需要保留的六邊形剩余形狀，為了使其他相關(guān)的六邊形能均勻地保留下面積等同于三角形的形狀，應(yīng)當(dāng)使直線平行于對角線。

對于情況(2)，由于多邊形為需要保留的六邊形剩余形狀，同理為了使其他相關(guān)的六邊形能均勻地保留下面積等同于多邊形的形狀，應(yīng)當(dāng)使直線平行于對角線。

對于情況(3)，由于多邊形為需要保留的六邊形剩余形狀，同理應(yīng)當(dāng)使直線平行于對角線。

通過上面的分析可以得出結(jié)論，為了保證邊界處的網(wǎng)孔可制造性，裝飾形狀邊界應(yīng)與六邊形的任意一條對角線平行，同時使裝飾形狀邊界切割后的六邊形剩余形狀[情況(1)中的三角形、情況(2)中的多邊形，以及情況(3)中的多邊形]大于最小可制造的尺寸，從而使六邊形陣列被裝飾形狀邊界裁剪后的剩余形狀可以加工出來，從而在零件上保證良好的邊界外觀質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)方法簡稱為“對角線設(shè)計(jì)法”。

2.2 曲面變形映射的蜂窩網(wǎng)格設(shè)計(jì)方法

在實(shí)際汽車前大燈造型設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)情況下并不可能是正六邊形陣列；同時裝飾形狀邊界也千差萬別，因此需要結(jié)合曲面變形技術(shù)對蜂窩網(wǎng)格進(jìn)行變形調(diào)整，以匹配實(shí)際裝飾區(qū)域的邊界。

在實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)中，蜂窩網(wǎng)格裝飾的邊界往往是相對確定的，因?yàn)檫@是事先由造型設(shè)計(jì)定義出來的。所以為了避免上文說明的外觀缺陷問題，優(yōu)先選擇調(diào)整蜂窩網(wǎng)格陣列的排布來適應(yīng)邊界；并且按照第2.1節(jié)所述的基本方法將邊界處的六邊形網(wǎng)格剩余形狀調(diào)整到可加工的最小尺寸以上，使得邊界上保留下來的網(wǎng)孔都可以被均勻地加工出來。

曲面設(shè)計(jì)平臺ICEM Surf為設(shè)計(jì)者提供了如下的曲面曲線變形功能，即將需要變形的曲面曲線與參照曲面建立映射關(guān)系，通過調(diào)整參照曲面的形狀來調(diào)整需要變形的曲面曲線的形狀。如圖3所示，當(dāng)把六邊形網(wǎng)格陣列與參照面建立映射關(guān)系后，可以通過調(diào)整參照面形狀來改變六邊形陣列的排布形態(tài)。通過這種方法，調(diào)整參照曲面，并結(jié)合上文提到的“對角線設(shè)計(jì)法”來優(yōu)化網(wǎng)格陣列的排布。

圖3 六邊形網(wǎng)格映射變形示意

3 蜂窩狀特征網(wǎng)格邊界優(yōu)化實(shí)例

參考如下案例(圖4)來說明該方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，如圖4(a)所示，多邊形為某汽車前大燈內(nèi)部飾板上的蜂窩裝飾區(qū)域，其優(yōu)化前的六邊形網(wǎng)格排布及其邊界情況如圖4(b)所示。由于考慮到了最小可制造的網(wǎng)格尺寸，凡是小于一定尺寸的網(wǎng)孔形狀都被去除，因而在邊界上會有所殘缺，導(dǎo)致出現(xiàn)參差不齊的外觀，如圖4(b)中邊界、等。

圖4 設(shè)計(jì)實(shí)例示意

根據(jù)前文總結(jié)的“對角線設(shè)計(jì)法”，進(jìn)行如下的調(diào)整：

(1)為了將六邊形網(wǎng)格陣列填充滿整個設(shè)計(jì)區(qū)域，需將原有網(wǎng)格排布區(qū)域擴(kuò)大，形成超出特征區(qū)域邊界的六邊形網(wǎng)格排布陣列網(wǎng)格排布陣列如圖5(a)所示。

圖5 實(shí)例網(wǎng)格變形示意

(2)定義與該陣列相關(guān)的參考面。為了保證變形時能影響到所有六邊形網(wǎng)格，參考面設(shè)置的范圍略為超出網(wǎng)格陣列區(qū)域范圍，如圖5(a)中所示的參考面。

(3)通過軟件平臺提供的曲面變形功能，將網(wǎng)格陣列與參考面建立映射。為了能較為靈活地操控參考面，可以把參考面添加多一些控制點(diǎn)，以便較為靈活地通過控制點(diǎn)來操控六邊形網(wǎng)格陣列。如圖5(b)所示，在該案例的變形過程中，分別在參考面方向設(shè)置了3個和5個控制點(diǎn)來進(jìn)行操控。在實(shí)際情況下可以根據(jù)需要來靈活設(shè)置控制點(diǎn)個數(shù)。

(4)最后要將六邊形網(wǎng)格以最接近的對角線方向變形擬合到裝飾邊界線上，從而使邊界上保留下均勻分布的六邊形網(wǎng)格剩余形狀，形成整齊的邊界外觀。如圖4(c)所示，經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格陣列的邊界外觀有了明顯的改善，特別是零件可見性較高的邊界、、、等。

4 結(jié)語

文中針對汽車前大燈設(shè)計(jì)中蜂窩狀特征網(wǎng)格在可行性制造方面遇到的外觀缺陷問題，從問題入手抽象出簡單數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，總結(jié)出優(yōu)化外觀質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上結(jié)合曲面設(shè)計(jì)平臺提供的曲面變形技術(shù)，通過調(diào)整網(wǎng)格排布與裝飾邊界之間的相對關(guān)系，實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)格的優(yōu)化排布，從而解決蜂窩網(wǎng)格邊界的外觀缺陷問題，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。文中列舉了該方法在實(shí)際車燈項(xiàng)目中應(yīng)用案例，該方法不僅對指導(dǎo)同類設(shè)計(jì)問題有良好的現(xiàn)實(shí)意義，也為類似的裝飾特征的邊界外觀質(zhì)量優(yōu)化提供了可供參考的有益的解決思路。