李沛，邢彥鋒，馬振海

1上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2泛亞汽車技術(shù)中心有限公司

1 引言

汽車引擎蓋板是車身部件中十分重要的外觀件，內(nèi)板質(zhì)量直接影響汽車的外觀質(zhì)量。引擎蓋內(nèi)、外板采用包邊工藝結(jié)合在一起，因此在定位布局中內(nèi)板的變形直接影響包邊后外板的變形。為了獲取引擎蓋內(nèi)板在裝夾定位中的變形量，需獲得引擎蓋內(nèi)板的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

逆向工程通過(guò)激光掃描物體，根據(jù)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型[1]，被廣泛運(yùn)用到各類產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)及保護(hù)中，可有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本等[2]。并且通過(guò)對(duì)某些部件或整體進(jìn)行數(shù)字化，還可對(duì)其復(fù)制或者根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求進(jìn)行改進(jìn)等。當(dāng)建模對(duì)象擁有很高的表面質(zhì)量和精度且缺少技術(shù)圖紙時(shí)，特征建模很難獲得對(duì)象部件的具體參數(shù)，還會(huì)因數(shù)據(jù)丟失、設(shè)計(jì)多次更改等原因無(wú)法獲得產(chǎn)品的三維模型[3]，而Geomagic Studio軟件能滿足嚴(yán)格要求的逆向建模。

本文主要通過(guò)Geomagic Studio軟件對(duì)汽車引擎蓋內(nèi)板進(jìn)行逆向建模，處理其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，創(chuàng)建NURBS曲面并輸出曲面模型，由NX Nastran軟件對(duì)三維模型進(jìn)行仿真，通過(guò)比較引擎蓋內(nèi)板實(shí)際定位布局的法向變形和仿真定位布局的法向變形，判別兩者偏差，所得結(jié)果對(duì)引擎蓋內(nèi)板的定位點(diǎn)布置具有一定的指導(dǎo)意義。

2 引擎蓋內(nèi)板逆向建模

逆向建模是通過(guò)掃描實(shí)體部件，經(jīng)三維重構(gòu)創(chuàng)建出可編輯、基于特征的三維數(shù)模。具體步驟分為數(shù)據(jù)掃描階段、點(diǎn)云階段、多邊形階段及曲面成形階段，擬合NURBS曲面后可輸出所需三維模型。

2.1 采集內(nèi)板數(shù)據(jù)

逆向建模的第一步是獲取零部件的數(shù)字模型，為確保數(shù)字模型的準(zhǔn)確性，在使用激光掃描儀時(shí)需獲取部件所有表面特征，掃描儀精度為0.02mm，測(cè)量的引擎蓋內(nèi)板見(jiàn)圖1。

圖1 引擎蓋內(nèi)板圖2 引擎蓋內(nèi)板模型

由于內(nèi)板表面有一定光潔度，測(cè)量前需在內(nèi)板噴涂一層反差增強(qiáng)劑，通過(guò)手持激光掃描儀獲取引擎蓋內(nèi)板的表面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)VXelements軟件轉(zhuǎn)換為txt數(shù)據(jù)，VXelements軟件中引擎蓋內(nèi)板的掃描模型見(jiàn)圖2。

2.2 處理內(nèi)板點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)受場(chǎng)地、光源及部件表面反射特性等因素影響，因此不可直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行去噪處理[4]。使用激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含外界干擾因素，如平臺(tái)的局部點(diǎn)云、夾具的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)等(體外孤點(diǎn))，這些都可能導(dǎo)致邊緣的曲面偏離原曲面曲率[5]，因此創(chuàng)建三維模型前，需先處理此部分原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，采樣時(shí)選擇保持全部數(shù)據(jù)，選擇采樣數(shù)據(jù)的比例越高，載入的點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)越精確，模型的曲面特征也越吻合。為方便進(jìn)行后續(xù)步驟，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理階段對(duì)所有點(diǎn)著色，具體步驟包括手動(dòng)刪除雜點(diǎn)、斷開(kāi)組件連接、全局注冊(cè)、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象、體外孤點(diǎn)及減少噪聲等。

通過(guò)上述步驟可以刪除大量體外孤點(diǎn)、噪點(diǎn)和重疊點(diǎn)等，可以大大提高優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)的效率，且減少點(diǎn)云數(shù)量，避免后期建立三角形階段受不必要數(shù)據(jù)影響。內(nèi)板點(diǎn)云形貌見(jiàn)圖3。

(a)去除雜點(diǎn)前

2.3 多邊形階段

通過(guò)封裝命令實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)象對(duì)三角形面的轉(zhuǎn)換，由點(diǎn)云封裝獲得的多邊形模型存在許多缺陷，如錯(cuò)誤表達(dá)的曲面片等[6]，因此需進(jìn)行多邊形處理。在逆向建模過(guò)程中，多邊形處理階段非常重要，模型需擁有很高的表面質(zhì)量才能進(jìn)行曲面處理，這是生成NURBS曲面的必要準(zhǔn)備。

掃描部件或者處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差、數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題，導(dǎo)致封裝后的模型出現(xiàn)孔洞或丟失原有特征，嚴(yán)重時(shí)會(huì)丟失邊界，而多邊形處理可修補(bǔ)此類問(wèn)題。內(nèi)板的封裝見(jiàn)圖4。

(a)未進(jìn)行多邊形處理前的內(nèi)板

通過(guò)孔填充與創(chuàng)建孔、邊界修補(bǔ)、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生、刪除釘狀物、松弛多邊形、簡(jiǎn)化多邊形及增強(qiáng)表面嚙合等方式，可極大提高多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)的表面光順程度[7，8]。

2.4 曲面成形階段

需對(duì)封裝的引擎蓋內(nèi)板模型進(jìn)行曲面擬合，利用探測(cè)輪廓線功能設(shè)置曲率和分隔符敏感度(見(jiàn)圖5)，生成輪廓線，在提取了模型輪廓線后需要編輯交叉輪廓線或松弛輪廓線(見(jiàn)圖6)，根據(jù)實(shí)際情況選擇細(xì)分和延伸命令。

圖5 探測(cè)輪廓線圖6 提取輪廓線

將輪廓線和邊界線生成曲面片邊界結(jié)構(gòu)，由于NURBS曲面由4個(gè)角點(diǎn)和4條邊界曲線組成，因此重構(gòu)NURBS曲面時(shí)需判定分類后的邊界點(diǎn)和角點(diǎn)，以此確認(rèn)兩者屬于哪個(gè)邊界，NURBS曲面表達(dá)如下[9]

(1)

基曲面的控制點(diǎn)Qi，j(1≤i≤nu-2)，Qi，j(1≤j≤nv-2)表達(dá)式為

(2)

上式的ui和vj定義為

(3)

曲面片結(jié)構(gòu)決定NURBS曲面構(gòu)建。曲面片構(gòu)造完畢后仍需改善曲面片的布局，之后直接構(gòu)造柵格和曲面擬合，輸出所需的三維模型，選擇.iges格式，得到的三維模型見(jiàn)圖7。

(a)內(nèi)板正面

3 內(nèi)板有限元仿真

UG是集CAD/CAE/CAM為一體的軟件集成系統(tǒng)，包含了強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，其重要功能之一是建立面向參數(shù)化的三維模型和用于設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)[10]。導(dǎo)入或建立模型后進(jìn)入前/后處理階段，完成模型的仿真分析。

3.1 添加材料與劃分網(wǎng)格

引擎蓋內(nèi)板采用鋼材料，質(zhì)量密度為7.86×10-6kg/mm3，楊氏模量為2.0694×108kPa，泊松比為0.3。完成材料的指配后劃分網(wǎng)格(見(jiàn)圖8)，由于內(nèi)板的厚度僅0.7mm，選擇2D網(wǎng)格，檢測(cè)單元質(zhì)量，修復(fù)失敗單元，引擎蓋內(nèi)板的節(jié)點(diǎn)數(shù)為80396，模型單元數(shù)為82613。

圖8 內(nèi)板網(wǎng)格劃分

3.2 約束、載荷與求解

通過(guò)9個(gè)夾具固定引擎蓋內(nèi)板，定位點(diǎn)位置見(jiàn)圖9。由于內(nèi)板屬于薄板件，在自身重量作用下也會(huì)產(chǎn)生形變，為獲取內(nèi)板在20N，30N，50N受力情況下的法向位移，去除載荷容器里的重力選項(xiàng)，繼續(xù)施加約束條件后，在內(nèi)板中心位置施加20N，30N，50N的力，進(jìn)入求解方案，查看仿真結(jié)果。

圖9 定位點(diǎn)布置

4 實(shí)際與仿真結(jié)果對(duì)比分析

三維激光掃描儀精度較高，在不施加力的情況下，利用手持激光掃描儀在內(nèi)板中心掃描標(biāo)記點(diǎn)的位置，之后依次施加不同的力，激光掃描儀記錄此時(shí)標(biāo)記點(diǎn)的空間位置。由Geomagic Studio軟件的特征和對(duì)齊功能，確定未施力與施加不同力時(shí)同一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)位置，以此獲得內(nèi)板的實(shí)際法向位移。按照實(shí)際情況施加約束和載荷后進(jìn)行自動(dòng)求解，其法向位移結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 內(nèi)板的法向變形(施加20N力時(shí))

利用探測(cè)結(jié)果功能在不同標(biāo)記點(diǎn)處獲得法向偏移量，實(shí)際法向位移與仿真法向位移分別見(jiàn)表1～表3和圖11。

表1 施加20N時(shí)的實(shí)際法向值與仿真法向值

表2 施加30N時(shí)的實(shí)際法向值與仿真法向值

表3 施加50N時(shí)的實(shí)際法向值與仿真法向值

圖11 實(shí)際值與仿真法向值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車引擎蓋內(nèi)板在裝夾定位中的變形問(wèn)題，通過(guò)手持激光掃描儀獲取內(nèi)板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于Geomagic Studio軟件對(duì)內(nèi)板進(jìn)行逆向建模，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理、多邊形處理及曲面成形處理后，得到內(nèi)板的三維模型。

利用UG軟件對(duì)內(nèi)板進(jìn)行仿真分析，比較部分標(biāo)記點(diǎn)處與實(shí)際標(biāo)記點(diǎn)處的法向位移值，分析得出，建立的三維模型精度較高，與實(shí)際模型相符，為進(jìn)一步優(yōu)化引擎蓋內(nèi)板的定位點(diǎn)位置提高了可行方案。