摘要：车灯中主要的造型载体为车灯内部的各种造型饰板，蜂窝状样式就为其中一种较为常见的装饰样式。文中介绍了一种汽车前大灯蜂窝状饰板的优化设计方法，通过对六边形网格的合理排布以及匹配形状边界的变形处理，并运用在实际车灯项目中。结果表明：该方法可以有效解决饰板零件制造中网格边界外观排列不连续的外观质量缺陷问题，提高车灯零件的外观设计质量。
引言
汽车灯具作为整车中重要的总成零件，其功能性及造型设计在整车设计中具有重要的作用，一些著名品牌如奥迪等因其出众的车灯设计使其成为重要的品牌基因和产品亮点[1-2]。在传统的汽车设计领域，Class A高级曲面建模应用于汽车外形和内饰的表面数字模型设计，已经形成了较为成熟的设计理论和方法[3-4]。随着厂商对车灯设计的重视，在车灯设计中也应用了更为精细的Class A高级曲面设计，使得车灯的设计质量得到大大提升。采用高级曲面设计的外观评价标准也因此相比传统车灯数字模型设计的要求更高。在精细数字建模的设计过程中，发现蜂窝状饰板的边界质量容易受到本身设计的几何特征及其加工制造因素等的影响，导致实际零件上产生一定的外观质量缺陷。因此文中将讨论基于Class A曲面设计平台的前大灯中蜂窝状特征的一种优化设计方法，使得灯具饰板在满足可行性制造因素的要求下优化其外观质量。
1、 蜂窝状特征外观质量缺陷问题
蜂窝状装饰特征是一种普遍应用于汽车造型中的设计构成元素。在汽车设计中，经常应用于前格栅、前后保险杠、内饰饰板等汽车零件的外观设计上，经常用来表达汽车的运动主题；同样的，在车灯造型中也会相应地使用蜂窝状特征与汽车整体造型相呼应。从数学模型上看，蜂窝状装饰特征的抽象几何模型为相邻排布的六边形网格阵列，通常其基本元素为不等边六边形。相比其他区域的蜂窝状特征设计，汽车前大灯内的蜂窝装饰特征又具有尺寸小、密度高的特点。图1示出了一种典型的立体蜂窝状装饰特征的网孔样式，在零件外观上呈现为由六边形竖筋刻画出的装饰形式，其特点主要体现在以下几个方面：
图1 立体蜂窝状装饰特征
(1)六边形网格凹槽的面积较小。相较于格栅的蜂窝特征，汽车前大灯内部受整体灯具尺寸的限制，六边形网格对角线长度为3～10 mm不等的尺寸范围。
(2)六边形隔断竖筋的厚度较小。在一些车型设计中六边形隔断竖筋的厚度仅为0.5 mm。
(3)六边形网格的排列密度非常高。在一些车型设计中就分布了约13.5个/cm2的网格。
由于蜂窝装饰具有尺寸小及密度高的特点，在生产中多采用电火花加工进行其模具加工，其模具上需要加工出蜂窝网孔的阳模。如图1(a)所示的蜂窝网孔，其深度约为1.5 mm，因此对应的蜂窝网孔阳模也需要有1.5 mm的高度。由于模具强度的限制，若干尺寸较小的网孔阳模无法得到加工，或加工的高度不足1.5 mm，这就导致了在网格的边界处有若干蜂窝装饰孔不能被完好地制造出来，从而使装饰形状的边界产生一定的外观缺陷，如图1(b)所示，其边界上产生了视觉上的不连续性。为了解决这一问题，通过分析网格排布的特点，并结合Class A曲面设计的相关手段，提出了一种优化设计方法。
2、 蜂窝状特征网格边界的优化方法
如前所述，蜂窝装饰的本质为六边形网格阵列。如果要使饰板边界的网孔都可以被完整加工出来，必须使六边形在零件边界处保留可制造的有效六边形剩余形状。
2.1 正六边形阵列的边界处理
先从正六边形阵列入手来研究这个问题。如图2(a)所示，假设直线B为装饰形状边界，并且线B左侧为形状保留区域。中心六边形的左侧顶点为O，线B与中心六边形的交点为K0及Ki(i=1, 2, 3，…)。假设线B始终与图示中心六边形的边OO0相交，另一交点可分为下面3种情况：
(1)若另一交点在点O下方第一条边上，记为交点K1，如图2(a)所示；
(2)若另一交点在点O下方第二条边上，记为交点K2，如图2(b)所示；
(3)若另一交点在点O下方第三条边上，记为交点K3，如图2(c)所示。
图2 正六边形阵列分析图
根据正六边形的对称性，直线B与六边形另外两条边相交的情况可等效上述所列情况(1)或(2)。
对于情况(1)，由于三角形OK0K1为需要保留的六边形剩余形状，为了使其他相关的六边形能均匀地保留下面积等同于三角形OK0K1的形状，应当使直线B平行于对角线O0O1。
对于情况(2)，由于多边形OO1K2K0为需要保留的六边形剩余形状，同理为了使其他相关的六边形能均匀地保留下面积等同于多边形OO1K2K0的形状，应当使直线B平行于对角线O0O2。
对于情况(3)，由于多边形OO1O2K3K0为需要保留的六边形剩余形状，同理应当使直线B平行于对角线OO2。
通过上面的分析可以得出结论，为了保证边界处的网孔可制造性，装饰形状边界B应与六边形的任意一条对角线平行，同时使装饰形状边界切割后的六边形剩余形状[情况(1)中的三角形OK0K1、情况(2)中的多边形OO1K2K0，以及情况(3)中的多边形OO1O2K3K0]大于最小可制造的尺寸，从而使六边形阵列被装饰形状边界裁剪后的剩余形状可以加工出来，从而在零件上保证良好的边界外观质量。这种设计方法简称为“对角线设计法”。
2.2 曲面变形映射的蜂窝网格设计方法
在实际汽车前大灯造型设计中，绝大多数情况下并不可能是正六边形阵列；同时装饰形状边界也千差万别，因此需要结合曲面变形技术对蜂窝网格进行变形调整，以匹配实际装饰区域的边界。
在实际设计开发中，蜂窝网格装饰的边界往往是相对确定的，因为这是事先由造型设计定义出来的。所以为了避免上文说明的外观缺陷问题，优先选择调整蜂窝网格阵列的排布来适应边界；并且按照第2.1节所述的基本方法将边界处的六边形网格剩余形状调整到可加工的最小尺寸以上，使得边界上保留下来的网孔都可以被均匀地加工出来。
曲面设计平台ICEM Surf为设计者提供了如下的曲面曲线变形功能，即将需要变形的曲面曲线与参照曲面建立映射关系，通过调整参照曲面的形状来调整需要变形的曲面曲线的形状。如图3所示，当把六边形网格阵列与参照面建立映射关系后，可以通过调整参照面形状来改变六边形阵列的排布形态。通过这种方法，调整参照曲面，并结合上文提到的“对角线设计法”来优化网格阵列的排布。
图3 六边形网格映射变形示意
3、 蜂窝状特征网格边界优化实例
参考如下案例(图4)来说明该方法的优化设计过程，如图4(a)所示，多边形ABCDE为某汽车前大灯内部饰板上的蜂窝装饰区域，其优化前的六边形网格排布及其边界情况如图4(b)所示。由于考虑到了最小可制造的网格尺寸，凡是小于一定尺寸的网孔形状都被去除，因而在边界上会有所残缺，导致出现参差不齐的外观，如图4(b)中边界BC、CD等。
图4 设计实例示意
前文总结的“对角线设计法”，进行如下的调整：
(1)为了将六边形网格阵列填充满整个设计区域，需将原有网格排布区域扩大，形成超出特征区域边界的六边形网格排布阵列网格排布阵列如图5(a)所示。
图5 实例网格变形示意
(2)定义与该阵列相关的参考面。为了保证变形时能影响到所有六边形网格，参考面设置的范围略为超出网格阵列区域范围，如图5(a)中所示的参考面。
(3)通过软件平台提供的曲面变形功能，将网格阵列与参考面建立映射。为了能较为灵活地操控参考面，可以把参考面添加多一些控制点，以便较为灵活地通过控制点来操控六边形网格阵列。如图5(b)所示，在该案例的变形过程中，分别在参考面uv方向设置了3个和5个控制点来进行操控。在实际情况下可以根据需要来灵活设置控制点个数。
(4)最后要将六边形网格以最接近的对角线方向变形拟合到装饰边界线上，从而使边界上保留下均匀分布的六边形网格剩余形状，形成整齐的边界外观。如图4(c)所示，经过优化后的网格阵列的边界外观有了明显的改善，特别是零件可见性较高的边界AB、BC、CD、DE等。
4、 结语
文中针对汽车前大灯设计中蜂窝状特征网格在可行性制造方面遇到的外观缺陷问题，从问题入手抽象出简单数学模型进行分析，总结出优化外观质量的设计方法。在此基础上结合曲面设计平台提供的曲面变形技术，通过调整网格排布与装饰边界之间的相对关系，实现蜂窝网格的优化排布，从而解决蜂窝网格边界的外观缺陷问题，提高了产品设计质量。文中列举了该方法在实际车灯项目中应用案例，该方法不仅对指导同类设计问题有良好的现实意义，也为类似的装饰特征的边界外观质量优化提供了可供参考的有益的解决思路。
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