基于参数化逆向建模的仿真优化设计*

周小东，成思源，杨雪荣，王　乔，吕　瑟

(广东工业大学 机电工程学院 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广州　510006)



基于参数化逆向建模的仿真优化设计*

周小东，成思源，杨雪荣，王乔，吕瑟

(广东工业大学 机电工程学院 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广州510006)

对逆向工程中的参数化建模技术和仿真优化的集成应用进行研究。首先将扫描获得的点云数据导入到Geomagic Design Direct逆向软件中，采用正逆向参数化建模的方法完成模型的重建，然后将模型导入到Workbench中划分网格、施加载荷和约束，建立有限元模型并进行计算。得出了零件在逆向重构后的应力和形变云图，为实物对象的优化提供了指导。实例表明参数化的逆向建模和仿真优化的集成应用加快了产品的开发效率，为产品的改进和再设计提供了新的途径。

逆向工程；仿真优化；参数化建模

0　引言

逆向工程(Reverse Engineering，RE)是先进制造领域的一项关键技术手段，它是根据已经存在的产品实物模型，通过反向设计获取产品原始设计参数的过程。运用逆向工程可以缩短产品设计周期,降低了设计成本，提升产品的市场竞争力，拓展设计师的设计思维，同时对工艺产品的改良或再开发设计具有高效的便捷性和操作性[1-3]。利用计算机对零件进行有限元分析也称作计算机辅助工程(CAE)，它是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，它的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术[4]。以上两种先进设计技术的集成应用，可以加快产品的开发效率， 为产品的改进和再设计提供了新的途径。

Geomagic Design Direct是Geomagic 公司推出的一款正逆向直接建模工具，兼有逆向建模软件的采集原始扫描数据并进行预处理的功能，和正向建模软件的正向设计功能。它在一个完整的软件包中无缝结合了即时扫描数据(点云或网格面)编辑处理、二维截面草图创建、特征识别及提取、正向建模和装配构造等功能。基于Geomagic Design Direct的混合建模，用户可以直接将点云扫描或导入至应用程序，然后使用丰富的工具命令快速地创建和编辑实体模型，并可以实现参数化的建模，提高了建模的效率。

Workbench是Ansys11.0后新出现的一个模块，作为Ansys新一代的多物理场协同CAE仿真环境，有更加完善的产品分析模块，调用方便，有强大的网格划分功能，同时与CAD系统无缝连接，导入模型时，避免了Ansys容易丢失原始数据的情况，这为基于逆向工程的仿真优化设计提供了可靠的工具。在本文中，将以某发动机的连杆为例，结合Geomagic Design Direct和Workbench软件，对逆向工程中的参数化建模技术和仿真优化的集成应用进行研究。

1　基于逆向工程的仿真优化

仿真优化技术是实现传统制造向可预测制造、科学制造转变的关键技术，已经引起科学界和企业界的广泛关注[5]。本文对基于逆向工程的仿真优化分析进行了研究，首先通过三维测量设备获取原物表面的点云数据，然后将点云数据导入到逆向软件Geomagic Design Direct中进行一系列的预处理，包括点云着色、采样、降噪等，把预处理后的点云数据封装成多边形网格，再将网格数据传送到设计窗口中，根据网格的表面特征，可以直接提取规则特征，也可以编辑网格的二维截面线，进行参数化的设计，最后重构出原物的CAD模型。

在逆向工程中，通过参数化方法构造出原型的CAD模型，对有些使用要求较高的零件，并不能直接加工出来使用，往往需要将反求出来的CAD模型导入一些仿真系统中，进行一些前处理，包括定义材料属性、网格划分、施加约束和载荷等，并进行强度的仿真，查看结果，如果满足实际使用的要求，才生产出来使用，如果仿真的结果超出了使用要求，可以将模型重新返回到逆向建模软件中，在本文中用到的是Geomagic Design Direct逆向建模软件，所提取的特征为参数化的特征，有利于实体的再设计过程，在软件中能方便的快速修改设计、清理损坏的几何体、调节尺寸、新建 2D 绘图以及更多操作，直到仿真的结果满足要求。其主要的流程如图1所示。

图1　基于逆向工程的仿真优化流程

2　连杆的逆向建模

2.1点云数据的预处理和网格的生成

在本文中研究的对象是某发动机的连杆，表面主要以自由曲面为主，而数据获取是逆向建模过程中的首要部分，本文所用测量设备是Hexagon公司的Romer Infinite 2.0系列关节臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光扫描头，测量精度为0.024mm[6]，扫描并获得表面点云数据如图2所示，然后将点云数据导入到逆向软件Geomagic Design Direct中，为点云着色、采样、降噪、封装等一系列处理，最后得到连杆网格化后的模型如图3所示。

图2　连杆表面点云数据

图3　连杆网格化

2.2基于Geomagic Design Direct的逆向建模

在本文中介绍的正逆向混合设计过程中用到的逆向工具是Geomagic Design Direct，它是一款新的逆向软件，Geomagic Design Direct的建模优势在于其融合了逆向建模技术和正向设计方法的长处，具有强大的基于三维网格面模型的截面线特征与规则特征的提取编辑功能，以及基于二维截面与实体特征的正向设计建模功能。可以直接对原始扫描数据进行几何形状重构得到原产品的实体CAD模型，能够准确还原原始的设计意图，并通过正向建模工具对实体特征及其相互之间的约束关系进行编辑修改以实现再设计。在Geomagic Design Direct中混合建模流程如图4所示。

图4　Geomagic Design Direct混合建模流程

本文中，发动机连杆表面多为不规则的自由曲面，对此主要是选择Geomagic Design Direct在草图模式下，通过提取二维截面轮廓线对其主要轮廓进行编辑，如图5所示，然后选择“拉动”命令，完成连杆三维模型的主要部分的重构，如图6所示。

图5　编辑连杆的主要轮廓线

图6　重构连杆的主要实体部分

在Geomagic Design Direct下能很方便快捷的提取规则的三维特征，本实例中可以选择拟合圆柱面、拟合挤压等，然后借助拉动，利用组合工具中的布尔运算，将这些实体可以合并成一个完整的发动机连杆的模型。还可以对模型参数进行修改实现再设计，例如调整螺栓孔的半径，大端和小端的圆柱体半径，中间部位的厚度等，最终完成连杆模型的重构，如图7所示。

图7　重构完成后的连杆模型

3　有限元分析

有限元分析法是将一个物体看作有限个单元的组合体，通过对单元进行模拟，得到单元在载荷下的响应，所有单元响应之和就是整体响应的描述[7]。一般情况下，CAD 设计软件得到的零件需要通过通用的数据格式才能导入专业的CAE 分析软件，通常这种转换会使原文件的数据丢失，产生破面等问题，直接影响后续的CAE 分析[8]。在逆向软件Geomagic Design Direct中将完成重建后的连杆模型保存为通用的格式，例如X_T、STL、IGES等，然后导入到Workbench中，因其能与大部分的CAD模型直接进行数据的交换，避免了数据的丢失，因而能够直接处理。

3.1有限元网格的划分

在有限元分析过程中，划分网格是一个非常重要的环节，它可以将几何模型转化为有限元模型[9-10]。有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步, 它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性[11]。将连杆重构后的CAD模型导入到workbench中，随即在workbench中会建立一个关于连杆仿真的文件，针对该零件选用的是六面体(Hex)单元，它相对与四面体单元具有更好的力学性能，在达到同一精度的情况下，六面体单元的数目远小于四面体。网格划分的效果如图8所示。

图8　网格划分的效果

3.2定义边界条件

位移边界条件的选择在分析过程中十分重要，它不仅会影响精度，而且也影响非线性分析计算的收敛性[12]。需要根据实际工况对其进行约束和施加载荷，在本文中连杆的材料选择用40Cr，在连杆运动过程中主要承受轴向应力和弯曲应力的组合作用，轴向应力产生由于气缸内气体的压力，主要是拉伸和压缩的循环载荷造成的疲劳断裂，弯曲应力是由于离心力引起的的影响[13]。因此，在进行应力计算时，主要选择最大拉力和最大压力[14]。在本实例中，只重构了连杆的模型，与连杆大端连接的端盖并没有重构，故只需要验证连杆在受到最大压力时的应力和形变。所承受的最大压力出现在做功冲程开始时，设其值为20000N，并将其施加在大端的圆柱面上，同时将小端的圆柱端面和两个螺栓孔施加固定约束，来模拟连杆受压的情况。

3.3求解并查看结果

完成以上的步骤后，在solution中选择要计算的等效应力和形变云图。在结构静力学分析中，主要判断指标是零件受到的最大应力不大于其许用应力，求解后的应力和形变云图分别如图9和图10所示，通过分析云图，在连杆大端的两个螺栓孔的连接部位受到的应力最大为132.09MPa，但是没有超过材料40Cr的屈服强度780MPa[15]，最大的形变出现在大端的端面，从图中可以看出其值很小，满足使用的要求，整个重构后的零件满足结构静力学的要求，假设重构出来的模型所承受的应力超过了应力极限，可以在Geomagic Design Direct对连杆模型进行参数化的修改，比如增加连接处的厚度，调整螺栓孔的大小等，或者在workbench中更改材料，直到仿真结果满足使用要求。

图9　连杆等效应力云图

图10　连杆形变云图

4　结论

本文以常用的某发动机连杆为例，对基于参数化逆向建模的仿真优化设计进行了研究，运用参数化逆向建模方法能重建零件的CAD模型，再将重构的模型导入workbench中仿真分析，有助于对现有零件的改进，将Geomagic Design Direct和workbench两种技术结合使用，为产品的改进创新提供了新的思路，同时对逆向技术集成应用有一定的借鉴意义。其主要的优势有：(1)参数化建模的CAD模型有助于重建后模型的修改；

(2)增加了逆向建模后的产品的可靠性；

(3)提高了逆向建模结构设计和强度分析的一体化程度；

(4)加快了产品的开发效率，同时能够提前发现逆向建模后的产品预留的潜在性问题。

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(编辑李秀敏)

Simulation and Optimization Design Based on Parametric Reverse Modeling

ZHOU Xiao-dong，CHENG Si-yuan，YANG Xue-rong，WANG Qiao，LV Se

(College of Electromechanics Engineering, Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System of Guangdong Province, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

To study the integrated application of reverse modeling and simulation optimization.Firstly, the point cloud data was obtained by scanning which was then imported into Geomagic Design Direct reverse software, and the model was reconstructed by using forward and reverse parametric modeling methods. Then the model was imported into the Workbench by meshing, loads and constraints application, the finite element model was constructed for further calculation.The stress and deformation cloud of reverse remodeling were obtained,which provided the physical object with optimization guidance.Examples show that the integrated applications of parameterized reverse modeling with simulation optimization could accelerate the development efficiency of products, which provides a new way for product improvement and re-design.

reverse engineering;optimization and simulation;parametric modeling

1001-2265(2015)11-0013-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.004

2015-01-05；

2015-01-28

国家自然科学基金资助项目(51105078)；广东省教育部产学研结合项目(2012B091100190)；广东省科技计划项目(2011A060901001，2013B061000006)；广州市科技计划项目(2013J4300019)

周小东(1991—)，男，湖北随州人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为逆向工程技术， (E-mai)zhouxiaodong605@163.com。

TH166;TG506

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