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        一種三維模型輕量化技術(shù)研究

        2021-10-30 06:47:26王云龍朱明清劉彤軍
        黑龍江科學(xué) 2021年20期
        關(guān)鍵詞:方法模型

        王云龍,朱明清,韓 剛,劉彤軍

        (1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,哈爾濱 150090; 2.哈爾濱通聯(lián)客車(chē)有限公司,哈爾濱 150000)

        1 研究背景

        汽車(chē)排量要求和尾氣排放要求逐漸提高,故而汽車(chē)制造業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化的需求越來(lái)越大,以提高車(chē)輛燃燒效率并滿(mǎn)足排放規(guī)定。在制造過(guò)程中融入大量輕量化理念,最常用的是使用鋁材來(lái)取代鋼鐵。鋁的關(guān)鍵特性是低密度,僅是鋼的1/3。鋁可以通過(guò)冷加工或熱處理進(jìn)行合金化和強(qiáng)化,以獲得高強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度重量比。2006年,鋁超過(guò)鑄鐵成為北美汽車(chē)第二大常用材料,僅次于鋼。

        汽車(chē)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中輕量化技術(shù)無(wú)處不在,不僅限于鋁材的使用,還涉及設(shè)計(jì)過(guò)程中的三維模型輕量化。在車(chē)身的各項(xiàng)模擬仿真中,三維模型起到了基礎(chǔ)性作用,三維模型的準(zhǔn)確與否,直接影響模擬仿真結(jié)果。三維模型文件的體積大小,直接影響模擬仿真的運(yùn)行速度。過(guò)大的三維模型文件,會(huì)直接導(dǎo)致模擬仿真運(yùn)行速度過(guò)緩,從而影響工程進(jìn)度。在很多場(chǎng)景下,對(duì)模型的精度要求不是十分苛刻,所以沒(méi)有必要使用動(dòng)輒數(shù)百M(fèi)的三維模型文件[1-2]。

        2 三維模型精簡(jiǎn)

        項(xiàng)目提出一種三角面片精簡(jiǎn)方法,其基本思路如圖1所示。

        圖1 三角面片精簡(jiǎn)流程Fig.1 Simplification process of triangular patch

        在得到三維模型后,其格式為三角面片,將其轉(zhuǎn)換為三維點(diǎn)云格式,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)處理,再將精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云進(jìn)行二次封裝,得到新的三維模型。點(diǎn)云精簡(jiǎn)方式可以理解為與曲率負(fù)相關(guān):在曲率較低的部分,精簡(jiǎn)比例閾值可設(shè)為90%;隨著曲率增高,精簡(jiǎn)比例會(huì)隨之降低;在曲率很高的部分,精簡(jiǎn)比例閾值可設(shè)為5%,以保證模型復(fù)雜部分的準(zhǔn)確性[3-6]。通過(guò)這種精簡(jiǎn)方式,可以在最大程度保持模型表面特征的基礎(chǔ)上,通過(guò)逐級(jí)簡(jiǎn)化來(lái)減少三角面片數(shù)量[7]。

        3 實(shí)驗(yàn)和討論

        以小客車(chē)車(chē)門(mén)為樣本進(jìn)行討論。進(jìn)行三維掃描,使用的設(shè)備是Creaform Handyscan700手持式三維激光掃描儀,最高精度可達(dá)0.05 mm,完全滿(mǎn)足車(chē)身設(shè)計(jì)的需求,掃描過(guò)程如圖2所示。掃描后得到的三維模型如圖3所示,其三角面片數(shù)量約為6 200萬(wàn)個(gè),其文件體積約500 M。

        通過(guò)使用三維模型輕量化方法,可以將原本6 200萬(wàn)個(gè)三角面片縮減至110萬(wàn)個(gè),文件體積約60 M,縮減率可達(dá)85%以上。輕量化處理后的車(chē)門(mén)模型如圖4所示。

        圖2 對(duì)車(chē)門(mén)三維掃描Fig.2 Three dimension scanning of face-to-face car door

        圖3 車(chē)門(mén)三維掃描模型Fig.3 Three dimension scanning module of the car door

        圖4 輕量化處理后車(chē)門(mén)模型Fig.4 Door model after lightweight treatment

        使用Geomagic Control X計(jì)量軟件進(jìn)行對(duì)比分析,可知輕量化處理前后的車(chē)門(mén)模型之間差距很小(如圖5所示),偏差基本在0.02 mm以下,具體偏差分析見(jiàn)表1。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可證明,這種簡(jiǎn)化方法可以滿(mǎn)足模擬仿真對(duì)三維模型的需求。

        圖5 輕量化處理前后的模型對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of the modules before and after light weight handling

        表1 輕量化處理后模型偏差分析Tab.1 Variance analysis of the module after lightweight handling

        4 結(jié)論

        提出一種三維模型輕量化處理方法,將三維模型轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)按曲率負(fù)相關(guān)處理原則進(jìn)行處理,刪減部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,再重新封裝成三維模型,已達(dá)到三維模型輕量化處理的目的,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行處理前后的模型對(duì)比分析,顯示了本方法的有效性和可靠性。下一步將結(jié)合車(chē)身部件的受力情況進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),以提高輕量化處理后的整體剛性。

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