SUV汽车后尾灯处多曲面拼接质量分析

武振锋，卢 鑫，蒋永琪

（兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

制造软件

SUV汽车后尾灯处多曲面拼接质量分析

武振锋，卢 鑫，蒋永琪

（兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

在分析SUV汽车后尾灯处多曲面结构特点的基础上，采用CATIA V5软件，分别完成了汽车尾灯、后背门、侧围以及后包角的三维模型设计。为了验证设计结果，分别采用等照度线、多截面曲率梳以及高光线等曲面可视化分析工具，对汽车尾灯处的多曲面拼接质量进行了评价。结果表明SUV汽车后尾灯处的曲面拼接质量均达到了曲率连续的要求，研究内容可为后续汽车尾部零部件注塑模具以及钣金模具的设计与制造提供可靠的理论依据。

SUV汽车；后尾灯；曲面拼接；质量分析

0 引言

SUV（Sport Utility Vehicle）指运动型多用途汽车，通常是以轿车平台为基础，在一定程度上既具有轿车的舒适性，又具有一定越野性的车型。SUV型汽车因具有动力强、乘坐舒适以及价位宽泛等特点，目前已经成为最受消费者欢迎的主要车款之一[1]。SUV汽车的后尾灯通常是由转向灯、刹车灯、倒车灯以及雾灯所组成的光效良好的LED灯组，可以起到提示的作用，提示后车此时前车的行进状态，有利于避免发生行车意外。

在SUV汽车车身曲面外覆盖件的设计过程中，不仅要满足光顺性、连续性以及准确性的基本要求，同时也要体现设计师的思想和美学理念。因此，SUV车身曲面的质量分析已经成为车身设计过程的重要环节。后尾灯不仅是SUV汽车典型的曲面外覆盖件，而且需要与后背门、后包角以及侧围相互配合，以形成光顺质量良好的汽车尾部曲面。

近年来，研究人员对汽车车身外覆盖件的研究主要集中在整车建模[2]、主要部件，包括引擎盖、车门、保险杠[3～5]等的三维模型设计与质量评价以及逆向设计方法在车身设计过程中的应用等[6]，而针对SUV汽车后尾灯处多曲面拼接质量分析的文献相对较少。本文采用CATIA V5软件，完成了SUV汽车后尾灯处多个曲面部件的三维设计，并对多曲面之间的拼接质量进行了评价，进而可为后续的车身尾部零部件制造提供可靠的理论依据。

1 建模坐标系

参照《乘用车尺寸代码》（GB/T19234-2003）中的相关规定，建立如图1所示的建模坐标系，其中X和Y基准平面均为竖直方向，X面通过车辆前轮轮轴的中心，Y面通过车辆纵向中心；Z基准平面为通过车轮底部切点的水平面。

图1 建模坐标系

2 尾灯处多曲面模型设计

SUV汽车尾灯处主要涉及到后背门、侧围、尾灯以及后包角等曲面，以上曲面外覆盖件不仅具有复杂的外部形状，而且也要求具有严格的装配关系。为了体现SUV汽车的整体视觉美感，要求侧围与后背门之间呈现自然流畅的过渡，即采用光顺质量较高的后尾灯曲面和后包角曲面来代替棱角明显的转折线，进而形成圆滑流畅的汽车尾部外形。因后背门、侧围、尾灯以及后包角曲面的都是采用空间多点创建曲线，多线扫掠创建曲面的设计过程，所以现只着重介绍后背门曲面的设计过程，而其余曲面的设计过程与后背门均有相似之处，不再一一说明。

2.1 创建空间曲线

因后背门具有高度的对称性，同时也为了便于进行后续的曲面质量分析，所以现只设计后背门在Y方向的一半数模。首先在CATIA的“创成式外形设计”工作台中分别创建空间曲线1～7，然后对所有曲线进行光顺处理，最大偏差值设为0.001mm，完成后的7条曲线位置及走向如图2所示。

图2 后背门控制曲线

2.2 生成后背门曲面

首先以曲线1为轮廓线，曲线5为引导线扫掠生成后背门下部曲面，然后再以曲线2为轮廓线，曲线3为引导线扫掠生成后背门上部曲面，最后通过裁剪的方式完成汽车后窗玻璃的制作，完成后的后背门曲面如图3所示。

图3 后背门曲面

2.3 多曲面装配

在虚拟环境下，采用距离约束的方式，将后背门、尾灯、后包角以及侧围曲面进行装配，其中尾灯与周围曲面的距离均设为0.5mm，侧围与后包角的距离设为1mm，为方便后背门的开启与关闭，后背门与侧围以及后包角的距离设为2mm，装配完成的SUV汽车后尾灯处曲面如图4所示。

图4 后尾灯门曲面装配

3 曲面拼接质量分析

SUV汽车后尾灯处的后背门、尾灯、侧围以及后包角曲面装配完成后，为了验证设计结果是否符合要求，需要对多曲面间的拼接质量进行分析，常用方法包括等照度线、多截面曲率梳以及高光线等。

3.1 等照度线评价

等照度线评价方法是将等距离的黑色条纹反射到被测曲面上，通过观察条纹的走向及宽窄变化来完成曲面质量的检查。应用“外形分析”工作台中的等照度线分析工具，采用圆柱反射方式得到SUV汽车后尾灯处多曲面的等照度线如图5所示。

图5 后背门等照度线

通常情况，多曲面之间如果是G0连续（位置连续），则等照度线是相互错位且间断的，如是G1连续（切线连续），虽然等照度线没有错位，但会出现锐角形状，若曲面达到G2连续（曲率连续），等照度线则呈现平滑且自然连续的状态。

从图5可以看出，SUV汽车后尾灯处多曲面的等照度线没有发生错位和间断，走向也呈现一定的规律性，同时线条的宽窄无明显变化，线条之间的间距也非常均匀。以上等照度线方法评价结果充分说明后尾灯处多曲面之间的拼接质量已经达到了曲率连续的要求。

3.2 多截面曲率梳评价

曲面多截面曲率梳评价方法是采用多个距离相等的平行平面切割被测曲面，通过显示平面与被测曲面交线的曲率分布情况完成曲面的质量评价。曲率梳是曲线各点处曲率的矢量集中显示，通过曲率梳工具，可以直观地判断曲面的光顺情况，如曲率出现峰值，说明此处的曲率半径最小；曲率出现拐点，则说明此处曲面的凹凸形状发现了改变。

在SUV汽车尾灯处设置平行于Y、Z基准平面的平面数量均为8，其中Y方向的平面间距为110mm；Z方向间距为145mm。应用“外形分析”工作台中的多截面曲率梳分析工具，分别得到尾灯处Y、Z方向的多截面曲率梳分别如图6(a)、图6(b)所示。

图6 尾灯处曲面多截面曲率梳图

通常情况，多曲面之间若是G0连续，则曲率方向和大小均不一致，G1连续虽然可以达到曲率方向一致，但数值大小不一致，会出现曲率梳的错位，曲面之间如果达到G2连续，则曲面曲率方向和大小均一致。

由图6(a)～图6(b)可以看出，SUV汽车后尾灯处多曲面的曲率梳，在Y方向和Z方向上均没有出现拐点，而是指向了曲面的同一侧，说明尾灯处多个曲面都是单凸的。同时，两个方向上的曲率梳均没有出现错位，说明后尾灯处多曲面之间的拼接质量已经达到了曲率连续的要求。虽然曲面之间的间距引起了曲率梳的间断，但此间断是由曲面之间必须存在的缝隙所引起的，对整体曲面质量分析并无过大影响。

3.3 高光线评价

将线性光源设置在曲面上方的某一恰当位置，高光线是曲面上法矢量与光源间垂直距离为零的所有点所形成的曲线。由于高光线是由无限长的线性光源在曲面上投影所产生的，并且分析结果不随视点的改变而变化，所以高光线是一种简化的反射线。现将光源设置在+X方向处，并向-X方向照射，得到尾灯处的高光线如图7所示。

图7 尾灯处高光线图

通常情况，多曲面之间若是G0连续，高光线呈间断分布，G1连续虽然高光线是连续的，但呈扭曲形状；G2连续的曲面则具有连续且光顺光滑的高光线。由图7可以看出，SUV汽车尾灯处多曲面的高光线呈现自然过渡的连续状态，已经说明后尾灯处多曲面之间的拼接质量已经达到了曲率连续的要求。

4 结束语

与实体类零部件设计过程相比，曲面类零部件通常会涉及到空间点、空间曲线等要素，所以设计过程比较繁琐，CATIA V5所提供的多工作台设计模式，为完成复杂型面的产品设计提供了诸多便捷条件。此外，CATIA V5所提供的曲面质量分析可视化工具，包括等照度线、多截面曲率梳、高光线等，可以使设计人员尽早发现曲面产品所存在的问题，有利于提高产品设计质量和缩短设计周期。

SUV汽车后尾灯处多曲面设计及质量分析对于后续的零部件制造具有一定的参考价值。根据尾灯、后背门等曲面的三维模型，可以完成尾灯注塑模具以及后背门冲压模具的试制，对于注塑模具，要充分考虑脱模斜

【】【】度、浇口的数量和位置、型芯刚度等因素；而对于钣金模具，则需充分考虑定位、回弹、修边等因素。本文只着重介绍了SUV汽车后尾灯处多个曲面零件的设计与质量分析，而后续的零部件制造与安装等仍有待于做进一步的研究。

[1] 武振锋,段浩,丁旺才.SUV汽车尾门外板A级曲面设计[J].兰州交通大学学报,2014,33(1):196-200.

[2] 冯伟,杜礼明.基于CATIA V5自由曲面的车身建模[J].农业装备与车辆工程,2014,52(3):39-42.

[3] 武振锋,袁玄成,汪诤.一种轿车前保险杠曲面设计与质量评价[J].机械设计,2013,30(1):59-62.

[4] 武振锋,贾凡,基于CATIA的轿车前翼子板曲面造型与质量分析[J].汽车技术,2011(1):54-56.

[5] 郭磊,吉晓民,胡钢,等.基于曲面细分与变形的汽车造型设计方法[J].中国机械工程,2013,24(13):1835-1840.

[6] 文令强.汽车车身逆向工程设计关键技术及应用研究[J].中国包装工业,2014(20):12-14.

Joint quality analysis of multiple surfaces near the taillight of SUV car

WU Zhen-feng, LU Xin, JIANG Yong-qi

U463.82

A

1009-0134(2016)12-0001-03

2016-04-05

甘肃省高等学校科研项目（2016A-021）

武振锋（1976 -），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士研究生，主要从事复杂型面产品数字化设计相关理论及技术研究。