李宇鵬 孫洪勝 劉鳴華 趙永昌 張世珍

（①燕山大學(xué)，河北秦皇島 066004;②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312）

仿生設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，是以探求自然界生物體的結(jié)構(gòu)和固有特性作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［1］。轎車車身不僅要滿足人們的審美觀，更重要的是要具有安全性。本文基于轎車車身的當(dāng)代造型趨勢(shì)，依據(jù)車身殼體件的特征與要求，選擇甲魚(yú)殼為原型體，應(yīng)用逆向工程技術(shù)重構(gòu)甲魚(yú)殼原始曲面，并對(duì)其進(jìn)行擬合、力學(xué)分析等工作，在甲魚(yú)殼重構(gòu)模型基礎(chǔ)上二次研發(fā)出新型車身殼體。

1 甲殼仿生曲面的重建

甲魚(yú)殼如圖1a所示，由殼體、骨骼等構(gòu)成，其測(cè)量特征線為脊骨線、肋骨線、殼體邊界線;用CMM獲取甲魚(yú)殼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)云如圖1b所示。

利用Pro/E通過(guò)編輯定義的形式對(duì)點(diǎn)云去噪。特別是Pro/E新增的小平面特征可糾正設(shè)備誤差引起的點(diǎn)云數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，能更好地對(duì)點(diǎn)云去噪、精簡(jiǎn)、平滑濾波、數(shù)據(jù)修補(bǔ)、三角網(wǎng)格劃分和三角面處理等［2］，處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)云如圖2所示。

采用在Pro/E造型工具內(nèi)建立特征線，然后通過(guò)獨(dú)立幾何工具對(duì)特征線進(jìn)行修改，采用邊界混合的四邊域曲面建模方式重構(gòu)曲面如圖3所示。

2 仿生重構(gòu)誤差分析

因原型體為生物殼體，分析仿生誤差時(shí)只能判定原始點(diǎn)云與仿生曲面的幾何誤差，該誤差主要是CAD造型軟件的實(shí)體造型誤差及曲線、曲面的擬合誤差［3］。采用原始數(shù)據(jù)點(diǎn)至仿生曲面的最小距離來(lái)表示仿生誤差，只要最大距離不超過(guò)給定的閾值，則認(rèn)為曲面模型合格。其數(shù)學(xué)表達(dá)為

式中:Δm為仿生誤差;Qi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo);S（u，v）為仿生后的曲面。

用Pro/E的測(cè)量功能計(jì)算原始點(diǎn)到仿生面的距離如圖4。在脊線兩側(cè)隨機(jī)選20個(gè)點(diǎn)，算得最大距離為0.319 934，最小距離為0.014 241 0;各點(diǎn)到曲面距離的變化幅度都在0～0.4 mm之間。

他一愣，隨即意識(shí)到不妙，縮身想要離開(kāi)，屋門卻已忽地打開(kāi)。族長(zhǎng)站在門口，面色陰沉地望了他一眼，而后頭也不回地拂袖而去。

3 基于骨骼的仿生設(shè)計(jì)

以骨架為肋筋搭建后的甲魚(yú)殼曲面如圖10所示。

Pro/E的造型模塊提供了跟蹤草繪功能，主要用于處理當(dāng)無(wú)法提供產(chǎn)品實(shí)物而用于測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)的一種反向設(shè)計(jì)手段，該功能可根據(jù)實(shí)物的三視圖對(duì)實(shí)物的整體輪廓進(jìn)行草繪跟蹤處理。這里主要追求垂直于骨骼軸線截面輪廓形狀則無(wú)需其三視圖，只需骨骼的垂直截面圖像即可。以肋骨為例，測(cè)得甲魚(yú)某肋骨垂直截面寬度為2.5 mm，長(zhǎng)度為6.5 mm，在跟蹤草繪前對(duì)水平和垂直兩方向進(jìn)行實(shí)際草繪范圍擬合即得到實(shí)際值。采用平面自由曲線對(duì)截面進(jìn)行封閉描述如圖6。

對(duì)兩種替代截面做力學(xué)分析（鋼材），施加－0.2 N均載，由圖8所示的結(jié)果可知橢圓截面的力學(xué)性能更好，選橢圓作為肋骨的截面形式。

用參數(shù)曲線替代截面封閉線，用力學(xué)分析輔助替代篩選。測(cè)得封閉曲線內(nèi)面積S=7.465 50，經(jīng)篩選確定出圖7的橢圓截面和多段圓弧截面，橢圓面積S=7.539 80，多段弧面積S=7.446 47?？梢?jiàn)以上三截面的面積很相近，可以幾何替代。

首先，我們需要將移動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)理念普及到學(xué)生日常生活當(dāng)中，用信息化平臺(tái)去推進(jìn)教育理念的進(jìn)行。如用手機(jī)平臺(tái)去宣傳移動(dòng)學(xué)習(xí)的好處及優(yōu)點(diǎn)，用電腦平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)講解及用多媒體進(jìn)行校園宣傳等。其次，為踐行這一科學(xué)理論，支持移動(dòng)學(xué)習(xí)在高職教學(xué)中的融合，我們需要在學(xué)習(xí)過(guò)程中將這一理念體現(xiàn)出來(lái)。如：在學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師與學(xué)生使用QQ或微信進(jìn)行交流，學(xué)生與教師可以在同一個(gè)局域網(wǎng)上進(jìn)行探討，教師可以在線上檢查學(xué)生問(wèn)題，并給予學(xué)生及時(shí)反饋。以科學(xué)技術(shù)豐富學(xué)生移動(dòng)學(xué)習(xí)的資源與方式，讓學(xué)生可以運(yùn)用趣味性、多元化的學(xué)習(xí)方法開(kāi)展移動(dòng)學(xué)習(xí)[7]。

脊骨與肋骨對(duì)殼體整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很大，脊骨與肋骨結(jié)構(gòu)視圖如圖5所示，采用圖片跟蹤方法對(duì)骨骼截面形狀進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。

4 復(fù)合曲面的建立

甲魚(yú)殼雖具有天成優(yōu)勢(shì)，但其曲面形式不適于制造，因此，要基于甲魚(yú)殼結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)出繼承其優(yōu)勢(shì)、適于制造、實(shí)用的新曲面。新曲面的發(fā)生線源于甲魚(yú)殼體特征線，但多是由二次曲線復(fù)合擬合而成，則將新曲面稱為“復(fù)合二次曲面”。

從有趣的昆蟲(chóng)之謎中，我知道了屎殼郎滾屎球的有趣的故事。屎克郎到到了交配時(shí)期，雄屎殼郎會(huì)到處收集糞便，滾成一個(gè)球，送給雌屎殼郎當(dāng)禮物，在運(yùn)送過(guò)程中，雄屎殼郎四腳朝地，用后足滾屎球，弄不好會(huì)卡在地上或樹(shù)枝上。哈哈，真是太有趣了。

為進(jìn)一步模擬甲魚(yú)殼體的肋骨曲面，在以上復(fù)合光滑面上加筋肋。由于未知?dú)んw肋骨分布情況，故在添加肋筋時(shí)采用平均分布，利用測(cè)量功能測(cè)得復(fù)合面的橫向跨度并均分為8份以對(duì)應(yīng)殼體橫向8條肋骨，縱向肋骨以中間脊骨線為準(zhǔn)分別建立平面，在造型工具中采用平面相交產(chǎn)生橫向肋骨線，以橢圓截面為肋骨截面進(jìn)行肋骨造型，同時(shí)對(duì)曲面邊界進(jìn)行約束后，得出復(fù)合二次有筋曲面圖15。

為繼承甲殼特征，要求具有殼體基本屬性的發(fā)生線構(gòu)造曲面。將掃描點(diǎn)云用小平面特征打開(kāi)選缺省坐標(biāo)系進(jìn)入點(diǎn)處理，選定脊線掃描線，同時(shí)隱藏其余點(diǎn)云得中間脊線進(jìn)行單條掃面線處理如圖11。

同理，再選第9根肋骨線仍可得自由曲線。將特征線上的點(diǎn)提取并保存就得到線上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將其導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行擬合。因其散點(diǎn)樣圖近似呈拋物線趨勢(shì)，因此選拋物線進(jìn)行二次曲線擬合并查看擬合誤差。骨骼線的擬合圖與殘差如圖12、13和表1、2。

表1 脊線擬合后新數(shù)據(jù)點(diǎn)

Pro/E針對(duì)非A級(jí)曲面的建模方法較多，對(duì)需要數(shù)字化建模的復(fù)雜曲面因其提供的函數(shù)少使應(yīng)用受限［6］。本文在傳統(tǒng)意義的掃描曲面建模中輸入掃描軌跡（導(dǎo)線）、掃描截面線（母線）進(jìn)行掃掠，建立掃掠曲面。將擬合的脊線與肋線點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一寫(xiě)入1個(gè)ibl文件保存。選擇缺省坐標(biāo)系，以基準(zhǔn)線形式輸入Pro/E，選擇掃描工具，在定義軌跡線時(shí)將中間脊線選擇為掃描軌跡;選擇開(kāi)放終點(diǎn)，在定義截面線時(shí)先將橫向線作為參照，應(yīng)用復(fù)制工具將橫向線選為截面線，然后確定則得出以脊線為掃描軌跡，以橫向線為截面線的掃描曲面，如圖14所示。

表2 橫向線擬合后新數(shù)據(jù)點(diǎn)

是的，這就是學(xué)生工作中的細(xì)，他需要像一顆頑強(qiáng)的細(xì)胞一樣，把積極的思想進(jìn)行復(fù)制，把健康快樂(lè)進(jìn)行感染，從而讓一個(gè)個(gè)獨(dú)立個(gè)體崛壯成長(zhǎng)，成為國(guó)家未來(lái)的可用之才。我，一名高校輔導(dǎo)員，愿意做這一顆細(xì)胞君！

5 復(fù)合曲面力學(xué)分析

復(fù)合曲面內(nèi)側(cè)若附有筋條，其力學(xué)性能會(huì)有所變化，因此，需對(duì)比加筋前后的力學(xué)性能，材料采用鋼，曲面厚度均為3 mm，同樣施加內(nèi)部邊線全約束，壓強(qiáng)為－0.2 N/mm2。比較結(jié)果見(jiàn)圖17。

以骨骼掃描線為軌跡，以橢圓為截面重構(gòu)殼體骨骼框架。添加1個(gè)封閉的樣條框架約束殼體的邊界，使其形成1個(gè)封閉的框架，如圖9。

仿生曲面是甲魚(yú)殼曲面重構(gòu)，復(fù)合曲面是源于仿生曲面并考慮制造的派生面，兩者重構(gòu)方式的不同必然導(dǎo)致某些方面性能的差異，分別對(duì)仿生面、復(fù)合面做同化處理后應(yīng)用Pro/Mechanica模塊進(jìn)行有限元分析。采用內(nèi)部邊界線做全約束，厚度3 mm，在z向加相同載荷（－2 N/mm2），采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，材料為鋼，進(jìn)行力學(xué)分析，如圖16。

8月炎熱難耐季，國(guó)內(nèi)尿素市場(chǎng)掀起兩輪漲價(jià)風(fēng)，第一輪感覺(jué)主要是大型復(fù)肥廠家開(kāi)啟原料采購(gòu)，第二輪不說(shuō)你也明白，招標(biāo)刺激的，難得有什么本土生物能像鯉魚(yú)一樣，讓中國(guó)人有著那么深厚的感情。每一次國(guó)外招標(biāo)，都覺(jué)得中國(guó)尿素錦鯉又被轉(zhuǎn)發(fā)了一次或N次。山東、兩河主流報(bào)價(jià)由月初的1810-1830元/噸，上漲到月底的1900-1930元/噸，山西主流報(bào)價(jià)由月初的1730-1750元/噸上漲到月底的1820-1850元/噸，一個(gè)月100元/噸左右的漲幅，也似抽中了錦鯉一樣時(shí)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由分析可知，原型曲面與復(fù)合曲面在同等條件下產(chǎn)生的最大位移分別為:26.46 μm、0.002 493 7 μm;無(wú)筋網(wǎng)的復(fù)合面與有筋網(wǎng)的復(fù)合面在同等條件下產(chǎn)生的變形位移分別為:5.134 2 μm、4.988 9 μm。顯見(jiàn)，復(fù)合曲面的力學(xué)性能要強(qiáng)于原型曲面;有筋網(wǎng)的復(fù)合面力學(xué)性能強(qiáng)于無(wú)筋網(wǎng)的復(fù)合面。

雖然我國(guó)開(kāi)始推行素質(zhì)教育，但是傳統(tǒng)應(yīng)試教育還是影響著教育的發(fā)展。初中學(xué)生依然擺脫不了英語(yǔ)中考的命運(yùn)，所以老師無(wú)法真正給小組合作學(xué)習(xí)模式留下足夠的學(xué)習(xí)時(shí)間和討論時(shí)間，無(wú)法真正讓學(xué)生通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)來(lái)達(dá)到提升自己英語(yǔ)素養(yǎng)的目標(biāo)。小組合作學(xué)習(xí)模式在中考升學(xué)壓力面前就變成了擺設(shè)和形式，小組學(xué)習(xí)模式的自由性被極大的限制。

6 復(fù)合曲面應(yīng)用探討

轎車車身殼體零件設(shè)計(jì)時(shí)，要求其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受在其整個(gè)使用壽命內(nèi)可能遇到的所有靜載荷和動(dòng)載荷，不發(fā)生塑變、裂紋或意外碰撞斷裂，車身結(jié)構(gòu)不僅質(zhì)輕而且要有足夠的強(qiáng)度。為適應(yīng)車身的總體設(shè)計(jì)，車身上不同的殼體零件各有相應(yīng)的要求，譬如，為保證車身的頂蓋的承載能力，通常采用具有一定橫向曲率的造型，對(duì)高檔次的頂蓋可以設(shè)置筋網(wǎng)。為滿足車頂蓋，本文研究設(shè)計(jì)的復(fù)合無(wú)筋網(wǎng)曲面與復(fù)合有筋網(wǎng)曲面能更好地適應(yīng)車頂蓋、車門外板、擋風(fēng)玻璃等零件的剛度和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。具體應(yīng)用時(shí)，可對(duì)復(fù)合面進(jìn)行模型放大，同樣可根據(jù)車頂蓋大小對(duì)復(fù)合面進(jìn)行裁剪得到所需尺寸。例如，某車頂蓋的平面投影為大小為1 500 mm×1 000 mm的長(zhǎng)方形，可將復(fù)合面放大13倍并在復(fù)合面上以中間脊梁為參照進(jìn)行劃線裁定見(jiàn)圖18，按劃定線對(duì)殼體進(jìn)行裁剪可得車頂蓋模型。

總體而言，中國(guó)家電行業(yè)市場(chǎng)表現(xiàn)2017年呈現(xiàn)“前低后高”的態(tài)勢(shì)，而2018年趨向“前高后低” ，預(yù)計(jì)2019年呈現(xiàn)“前低后平”的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)白電市場(chǎng)量降額額增，增速放緩，而廚電市場(chǎng)則降幅收窄，產(chǎn)品升級(jí)。新興品類持續(xù)增長(zhǎng)，漲幅放緩。

7 結(jié)語(yǔ)

仿生設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一，也是創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法之一。本文選擇甲魚(yú)殼為仿生開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的對(duì)象，應(yīng)用多項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了重構(gòu)與分析，獲得了諸多有意義的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次研發(fā)設(shè)計(jì)。結(jié)合轎車車門、車頂蓋的性能要求，探索了仿生復(fù)合曲面在轎車車門、車頂蓋方面的應(yīng)用，給轎車車身殼體零件的設(shè)計(jì)提供了一種新的構(gòu)思來(lái)源。

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