基于CATIA 的轿车车门外板曲面创建与质量分析＊

武振锋 贾 凡 王 娜

（兰州交通大学机电工程学院1） 交通运输学院2） 兰州 730070）

0 引 言

轿车车门作为车身的重要组成部件，一般由车门构架、外板、内衬、开启和锁闭装置及车窗电控装置等组成［1］.轿车车门的质量直接关系到整车的舒适性和安全性，所以要求车门必须具有良好的防水、防尘和隔音性能，同时如果车门的质量差，经大量开启与关闭后，容易出现卡死或关闭不严的现象，随之而来的噪声和振动不但会影响乘坐的舒适性，还会造成汽车零部件的损坏［2］.

汽车作为一种商品，首先向人们展示的就是它的外形［3］.因此，设计制造出曲面流畅、造型美观的汽车外形已经成为汽车领域科研人员所关注的焦点问题.近年来，研究人员对车身曲面造型与质量分析的研究主要集中在曲面的创建理论［4］、发动机罩［5］、前翼子板［6］、后背门［7］以及保险杠［8］上，而对轿车车门外板的三维造型及其曲面质量分析文献相对较少.本文利用CATIA V5软件，完成具体轿车前车门的曲面模型创建，并分别利用等照度线、多截面曲率梳、高斯曲率和反射线等评价方法对前车门的曲面质量进行了评价，可为后续的车门外板曲面冲压模具加工与制造提供可靠的理论依据.

1 A 级曲面的定义

A级曲面（class A surface）首先是由法国Dassault System 公司在开发大型CAD／CAM 软件包CATIA 时提出并付诸应用的，专指既满足几何光滑要求，又满足审美需求的曲面.最初A级曲面主要应用在车身模型中，随着人们对A 级曲面认知程度的提高，目前已广泛应用在飞机、动车、船舶、手机和卫生设备等产品的设计过程中.

车身A 级曲面的标准是要求车身外形的曲线曲面是光顺的，具体要求为：（1）大的曲面片是全凸的，即不存在奇异多余的拐点；（2）曲率变化分布均匀；（3）曲面满足G2（曲率）连续或者以上；（4）应变能最小.

目前，大多数CAD 系统均采用B－Spline方法构建空间曲线和空间曲面.B－Spline曲线的参数方程表示为

式中：umin≤u≤umax；2≤d≤n＋1；Pk为第k 个控制点；Bk，d（u）为基函数；n 为B－Spline曲线的次数.

Bk，d（u）可以递推为

式中：uk为节点值，如果节点值为等间距，则对应均匀B－Spline曲线，否则为非均匀B－Spline 曲线.

k×h（k≤h，h≤m）阶的B－Spline曲面的表示形式为

式中：uk－1≤u≤um＋1，vn－1≤v≤un＋1；Bi，k（u）和Bj，h（v）分别为关于u，v 的k 阶和h 阶B样条曲线的基函数.

2 轿车车门的结构特点

车门是车身中工艺最复杂的部件，它涉及到零件冲压、零件焊接、零部件装配、总成组装等工序，尺寸配合和工艺技术都要求严格.车门外板由外板曲面和窗框所构成，另外需在外板曲面上制作凹陷，用来安装车门把手.车门外板通常采用0.8mm 厚的有机镀膜钢板压制而成，且安装时需与前后翼子板、车顶盖和A，B，C柱相配合.

无论是从空气动力学角度考虑还是遵循美学准则，现代轿车的外形顶部和侧向一般要求采用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线［9］.轿车外形顶部指的是从车身前部的发动机罩到中部的挡风玻璃、车顶，再延续到车尾部的后背门；而侧向指的是从前翼子板到前后车门，再到车后围，均要求具有自然的流线型过渡，呈现出明快优美的曲线，给人以稳重中不失飘逸俊朗的视觉美感.所以，车门外板的曲面质量将对整车的流线型造型设计产生重要影响.

3 轿车后背门建模

3.1 建模坐标系

按照GB／T19234－2003《乘用车尺寸代码》中的规定建立如图1所示的轿车坐标系.其中：X基准平面通过前轮轮轴的中心；Y 基准平面通过车辆纵向中心；Z 基准平面分别与X 平面、Y 平面垂直，且通过车轮底部与路面的切点.同时规定X 基准平面的后方，即车尾方向、Y 基准平面的右方，即副驾驶方向和Z 基准平面的上方为正值.

图1 建模坐标系

3.2 车门外板曲面建模

在CATIA 的“创成式外形设计”模块中创建样条曲线1，2，3和4，并将以上4条曲线进行光顺处理，最大偏差0.001mm，最后填充四条曲线所围成的区域1，见图2.

图2 填充外板曲面

在图2的基础上，创建样条线5和6，并填充样条线4，5和6所围成的区域2.在“线框和曲面设计”模块中将样条线4，5和6进行投影和偏移，然后将偏移生成的区域创建拉伸面3，最后采用拉伸面3分割区域2，创建完毕后的窗框见图3.

图3 创建车门外板窗框

外板曲面上的门把手处凹陷采用多截面曲面生成，门把手创建的方法为首先创建二维草图，然后在草图的基础上生成扫略曲面4，最后用填充区域1分割扫略曲面4.创建完毕后的轿车车门外板曲面见图4.

4 轿车车门外板曲面质量分析

车门外板曲面模型创建完毕后，需对曲面质量进行评价，常用方法包括等照度线、多截面曲率梳、高斯曲率以及反射线等.

图4 车门外板曲面模型

4.1 等照度线（斑马线）评价

等照度线评价的主要功能是将球面或圆柱面上距离相等的黑色条纹投影到欲分析的曲面上，观察条纹的变形情况，进而分析曲面的质量.应用“Automotive Class A”模块中的等照度线分析工具，得到轿车车门曲面的等照度线结果，见图5.

图5 车门外板曲面等照度线图

由图5可见，整个车门外板曲面的等照度线粗细均匀，等照度线之间的间隔也非常均匀，同时也没有错位，说明该曲面品质符合A 级曲面的要求.虽然等照度线在外板曲面与窗框之间出现了错位的现象，这是由车门的特殊结构造成的，对整体曲面质量无过大影响.

4.2 多截面曲率梳评价

多截面曲率梳是曲面质量分析的重要工具.该方法采用多个平行平面切割曲面，进而分析被测曲面与平面交线的曲率分布情况.曲率梳是曲线各点处曲率的矢量显示，通过它可以直观地评价曲线的光顺情况，同时通过在该方向的曲率变化可以看出曲面的品质，如曲面的凸凹、曲面的拐点、极大或极小值的分布等.

由于车门外板的结构特殊性，对窗框曲面质量进行评价意义不大，所以只对外板曲面进行质量评价即可.在外板曲面上分别添加平行于X，Z基准平面的平面，平面的数量均为5，X 方向的平面按等间距230 mm 布置；Z 方向按等间距140 mm 布置.应用“Automotive Class A”模块中的“截面分析”工具，分别得到外板曲面的X，Z 方向多截面曲率梳图，见图6.

图6 车门外板曲面多截面曲率梳图

由图中可以看出，轿车车门曲面无论是X 方向还是Z 方向，曲面与多截面交线上各点处的曲率梳都指向曲面同一侧，说明整个曲面是单凸的.同时整个曲面的所有曲率梳均没有拐点，说明曲面已经达到满足G2（曲率）连续，另外曲面的曲率梳形状变化在X 方向和Z 方向上均呈现出一定的规律性，满足了轿车对空气动力学的要求，以上特点说明该轿车车门曲面品质符合A 级曲面的要求.

4.3 高斯曲率评价法

空间曲面在一点具有一条法线，通过该法线的平面有无数多个，每一个平面与曲面都有一条交线，所有的交线在该点处的曲率通常是不相等的.一般将所有曲率绝对值的最大值称为最大曲率，用κmax表示；所有曲率绝对值的最小值称为最小曲率，用κmin表示，高斯曲率κ＝κmaxκmin.

A 级曲面的高斯曲率评价方法是将曲面的高斯曲率值与特定的颜色联系起来.曲面某区域的高斯曲率值如果相同，则该区域的颜色就是一致的，如果曲面上的曲率有变化，则颜色会随之变化.车门外板曲面的高斯曲率评价结果如图7所示.

图7 车门外板曲面高斯曲率评价图

从图中可以看出，轿车车门外板的高斯曲率色标图颜色变化均匀，过渡自然，且没有突变的地方，已经达到G2连续的标准，说明曲面整体质量已经达到了A 级曲面的标准.

4.4 反射线评价

反射线评价是通过一组直线平行光照射到曲面上，从不同的视角观察所形成的条纹.本例的光线方向为平行于Y 轴并向其负方向照射，形成的反射线，如图8所示.

图8 车门外板曲面反射线图

一般来说，点连续（G0连续）的曲面反射线呈间断分布；切线连续（G1连续）的曲面反射线虽然连续，但呈扭曲状；曲率（G2连续）连续的曲面具有完整并且光滑的反射线.由图8可以看出，虽然车门外板曲面把手处出现了反射线的间断，但此区域很小，大部分区域的反射线是完整、光滑的，说明外板曲面已经达到曲率连续的标准，即符合A 级曲面的要求.

5 结束语

CATIA V5 中的“创成式外形设计”、“线框和曲面设计”等模块可以快速创建和编辑曲面模型，另外软件中的“Automotive Class A”模块提供了多种曲面质量分析方法，具体包括等照度线、多截面曲率梳、高斯曲率和反射线等.曲面零件模型创建完毕后，根据零件应用的场合，应及时对其进行质量分析，确定曲面应符合的质量标准.

轿车车门外板模型创建与曲面质量分析对于后续的外板模具制造具有重要意义.综合应用车门外板的三维模型数据和数控技术可以加工出车门外板模具，然后可以在此基础上完成样品试制，试制时应充分考虑到下料尺寸、回弹量及应力等因素.本文只侧重介绍了车门外板曲面创建与质量分析方法，而对其进行后续的制造、安装等问题仍有待于做进一步的研究.

［1］陈永华.轿车车门轻型多功能构架及装配［J］.上海汽车，1998（8）：14－16.

［2］李红艳，王翠萍，刚宪约.轿车车门的有限元分析［J］.机电工程技术，2007，36（12）：22－24.

［3］熊 欣，过学迅，胡朝峰.虚拟装配技术在汽车部件级产品研发中的应用［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2006，30（1）：41－43.

［4］武振锋，朱 黎.空间曲面连续性的分类及其数学解释［J］.机械设计，2011，28（2）：5－7.

［5］马铁利，林 逸.车身Class A 曲面模型的构造［J］.汽车技术，2004（9）：19－22.

［6］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.

［7］徐家川，雷雨成，洪英武，等.逆向工程中A 级曲面的评价方法［J］.汽车技术，2007（4）：4－8.

［8］张金磊，雷雨成.汽车前保险杠造型特征的构建及评价［J］.汽车技术，2009（4）：31－33.

［9］张郭忠，赖征海.汽车空气动力学与车身造型研究最新进展［J］.沈阳大学学报，2005，17（12）：39－44.