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。