复杂曲面的零件逆向建模及其仿真分析*

常　影，明　哲，张秀芳，梁丽青，佟沐霖

(吉林农业科技学院 a.机械工程学院；b.水利与土木工程学院，吉林 吉林　132101)



复杂曲面的零件逆向建模及其仿真分析*

常影a，明哲a，张秀芳a，梁丽青b，佟沐霖a

(吉林农业科技学院 a.机械工程学院；b.水利与土木工程学院，吉林 吉林132101)

摘要：由于复杂零件建模周期长，而且不利于二次创新，应用逆向工程对其进行建模能很好的解决此问题，并对所得模型进行仿真分析得到满足要求的模型。文章以控制臂的三维模型的建立及性能研究为例，首先，使用三维激光扫描仪获得控制臂的扫描数据；然后应用逆向软件Geomagic Studio对所得数据进行点云处理，然后建立三维模型；最后应用有限元分析软件ANSYS Workbench对得到的模型进行仿真分析，若仿真分析后结果不满足要求，则对模型进行重构，直至满足要求为止。通过该方法可以快速获得满足性能要求的控制臂模型，并且有利于复杂曲面零件进行二次创新。

关键词：Geomagic Studio；复杂曲面零件；逆向建模；ANSYS Workbench

0引言

随着汽车、飞机等行业对复杂曲面的设计要求的增加，传统的建模方法已不能满足工业设计的要求，因此逆向工程应运而生[1-2]。在我国汽车工业发展的过程中，为了缩短与国外的技术差距，提高自身研发能力，根据现有的零件模型及CAD技术重新构造模型或创造实物产品的过程就成为了获取设计思路，吸收技术的有效的手段[3-4]。本文就是采用逆向工程的方法，完成某控制臂的逆向建模，并对得到的模型进行了静力学分析，得到合理的控制臂模型。

1控制臂点云数据获取

数据采集方式主要有接触式、非接触式和破坏式三大类，其中代表性的数据采集设备有三坐标测量机、光学扫描仪和断层扫描仪。

本文的数据扫描采用的是三维激光扫描仪，首先，将控制臂实物放置在水平光滑的扫描台上，扫描台的周围应该尽量减少杂物，尽量使扫描头对着控制臂模型匀速移动，扫描可以被直接扫描到的所有表面；然后变换角度并多次进行扫描，直到获得完整的控制臂点云数据。

2控制臂点云数据处理及三维建模

2.1去除体外点

由于扫描时受到环境的影响，得到的数据存在一些体外点。这些体外点是不需要处理的数据，因此需要将它们去除。在Geomagic Studio中[5-6]，通过使用“套索工具”可以手动选择需要删除的体外点，点击“删除所选择的”，即可删除体外点，通过多次的操作将所有的体外点删除，最终只保留有用的扫描数据，如图1所示。

(a)去除体外点前　　　　　(b)去除体外点后

2.2多边形的拟合对齐

控制臂经过多次扫描之后得到的每个扫描数据都不完整，因此需要将不同扫描面的数据进行拟合对齐，获得完整的控制臂点云数据。在Geomagic Studio中，通过“对齐”操作可以将数据对齐。在“模型管理器”选项卡下，到“对齐”工具栏下，执行“最佳拟合对齐”操作，Geomagic Studio将执行分析计算，完成多组模型的拟合对齐。在拟合对齐完成之后，执行“全局注册”操作，为两组模型建立新的坐标系。然后，执行“合并”操作，“合并”操作可以将两个或多个多边形对象合并成为单个复合对象，并可以自动执行降噪、全局配准和均匀抽样，并能够生成新的合并后的模型。

在执行“合并”操作之后，生成的新的制臂点云数据模型上有许多红色的区域，这些区域是“网格医生”检测到的表面缺陷，此时执行“自动修复”操作可修复这些缺陷。

2.3填充孔

由于扫描数据的部分不完整，控制臂的点云数据表面会存在一些形状不同的孔洞，这些孔洞影响了数据的完整性，为了修复这些孔洞得到完整的点云数据，应用“填充孔”工具，填充修复孔洞。选择“填充孔”命令，选择“曲率模式”，寻找点云数据上的孔洞进行修复，修复前后的对比如图2。

(a)填充孔前　　　　　　　　　　(b)填充孔后

2.4删除钉状物

由于扫描的数据的误差，网格表面会产生许多曲率变化的三角形片，产生钉状物，使用“网格医生”→“删除钉状物”操作可以将这些钉状物删除，使表面更加光滑平顺。具体操作如下：点击“网格医生”→“删除钉状物”，拖动滑块到适当的位置，然后“应用”。

2.5去除特征

在删除钉状物之后，模型表面依然会存在一些肿块和压痕，为了保证模型的表面质量，需要对这些肿块和压痕进行去除，Geomagic Studio的“去除特征”命令可以完成所需要的操作。“去除特征”命令的作用是：删除选择的三角形并填充产生的孔，由于填充孔按照曲率变化填充，所以在执行“去除特征”之后新产生的表面会变得更加平滑。

2.6砂纸工具

为了得到较高的表面质量的控制臂模型，可以应用“砂纸”工具使模型表面变得更加光滑。点击“砂纸”，选择“松弛”，滑块滑动至适当的强度，如图3所示。在打磨过程中可结合“去除特征”命令，以求达到最好的效果。

(a)使用砂纸工具打磨前　　　　(b)使用砂纸工具打磨后

2.7简化多边形

利用“简化多边形”命令可以减少多边形模型的三角片数量。该命令将在曲率较小的区域减少三角片, 而在曲率较大的区域保持三角片数量，使在保证曲面质量的前提下，减少三角形的数量，提高效率。

2.8模型生成

在完成了扫描数据的编辑处理之后，通过使用Geomagic Studio的曲面工具，可以生成控制臂的曲面模型。操作如下：在“精确曲面”选项卡下 “构造曲面片”，曲面片计数选择“自动估计”，点击“应用”→“确定”。最后再应用三维建模功能生成三维模型如图4。

图4　控制臂曲面模型

3控制臂静力学结构分析

3.1导入模型

为了校核所得控制臂模型的性能，本文使用的分析软件是ANSYS Workbench[7-8]，首先将控制臂的模型导入到ANSYS Workbench中，选择工具栏内“Component System”中的“Geometry”项；然后，单击几何块中的“A2”框，依次进入“Import Geometry”→“Browse”模块选择模型。然后打开“Design Modeler”界面，在“Design Modeler”界面的工具栏内导入的模型。

3.2定义载荷

本文所研究的控制臂采用的材料为YF45MnV，YF45MnV是一种易切削非调质钢，其强度指标与45号钢调质态相当，而切削性能仅相当于45号钢的正火态。用于代替45号钢加工轴件，尤其适用于制造变形要求严格的细长杆件如车床丝杠等。自定义添加YF45MnV的材料及性能。YF45MnV的力学性能如表1所示。

表1　YF45MnV的部分力学性能参数

3.3添加载荷和约束

本文研究的控制臂的受力情况可以简化如图5所示。其中Fx为控制臂受到的沿轴向方向的分力，FY和FZ为控制臂受到的垂直于轴向力方向的分力。为了检验控制臂在极限情况下的安全性，本文均针对最大受力的情况进行分析。添加载荷时，首先在 “Mechanical Wizard”窗口内点击“Insert Structural Analysis”选项，在模型上选择一个曲面定位受力点，选择完曲面之后点击“Apply”确认选择。然后点击“Magnitude”选项，输入受力1830N，在模型上确定力的方向后，点击“Apply”应用。按照上述方法，可同时在模型上添加垂直于轴向的分力FY和FZ。然后在另一端添加约束“Fixed Supports”。

图5　受力情况简化图

3.4求解分析

点击“Mechanical Wizard”窗口中的“Solve”按钮，依照系统的提示点击工具栏中的“Solve”，系统开始求解，求解得到的控制臂受力云图在 “Equivalent Stress”中可见，如图6所示。

图6　控制臂的受力云图

YF45MnV的屈服强度σs为587MPa，汽车构件的安全系数为S=1.5~1.7，为保证结果的准确性，安全系数取S=1.7。验证该控制臂的设计是否合理。所以，YF45MnV许用应力[σq]为：[σq]=587MPa/1.7=345.29MPa。

通过以上的分析和计算，该控制臂在极限静力载荷的情况下，其内部应力的最大值为σmax=193.98MPa，而其模型的许用应力为[σq]=345.29MPa，大于控制臂的极限应力值，所以该模型即使在极限静载荷条件下也能满足强度要求。因此从静力学的角度分析，该控制臂模型的符合设计要求，能够满足在实际使用中的安全性。

4结论

本文采用逆向工程和仿真分析相结合的方法，可以快速的完成复杂零件三维建模，并有利于二次创新。通过获得某控制臂的三维扫描数据；然后使用Geomagic Studio软件，对扫描数据进行了点云处理，生成控制臂的三维模型；最后使用有限元分析软件ANSYS Workbench的静力分析模块，对该模型进行了静力学结构分析。从静力学分析的角度确定了该控制臂设计是否合理，为后续的分析优化提供了参考依据。文中使用的建模方法和分析方法对其他复杂零件的建模和二次创新具有一定的意义。

[参考文献]

[1] 黄斌达,王琦,陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2010(12):97-100.

[2] 王鑫.基于Geomagic的汽车保险杆逆向工程设计[J]. 新技术新工艺,2008(11):53-55.

[3] 王春升,程仲文,胡彦军.反求工程技术在复杂曲面重构系统中的应用[J].制造技术与机床,2010(12):66-68.

[4] 张福豹,黄明宇.基于RE的复杂曲面零件模具的快速设计与制造[J].机械设计与制造,2011(7):53-54.

[5] 代菊英,涂群章,赵建勋. 基于Geomagic 、Imageware和PRO/E的机械零件逆向建模方法[J]. 工 具 技 术,2012,46(5):55-58.

[6] 成思源,吴问霆,杨雪荣,等. 基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J]. 现代制造工程,2011(1):8-12.

[7] 周孜亮,王贵飞,丛 明.基于 ANSYS Workbench 的主轴箱有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2012(3):17-20.

[8] 苏 健,李剑锋,范金红.基于 ANSYS Workbench 的凸轮激波滚动活齿传动强度分析[J]. 机械设计与制造,2013(1):203-206.

(编辑李秀敏)

Reverse Modeling and Simulation Analysis of Complex Curved Surface Parts

CHANG Yinga, MING Zhea, ZHANG Xiu-fanga, LIANG Li-qingb, TONG Mu-lina

(a.School of Mechanical Engineering;b.School of Water Conservancy and Civil Engineering,Jilin Agriculture And Technology College, Jilin Jilin 132101,China)

Abstract：Due to the complicated parts modeling cycle is long. Also it is not conducive to the secondary innovation. The application of reverse engineering modeling can solve this problem well. And the model is satisfied to requirements. The 3 D model of the control arm and performance are studied as an example. First of all, use 3 D laser scanner to get scanned data of the control arm; Then process the point clouds and 3 D modeling based on reverse software Geomagic Studio; Finally analysis the model based on the finite element analysis software ANSYS Workbench, if the result does not meet the requirements, then reconstruct the model until meet the requirements. This method can quickly meet the performance requirements of control arm model, and helpful to complex curved surface parts’s secondary innovation.

Key words：geomagic studio; complex surface parts; reverse engineering; ANSYS Workbench

中图分类号：TH164;TG506

文献标识码：A

作者简介：常影(1988—)，女，长春人，吉林农业科技学院助教，硕士，研究方向为模具设计、数控加工及逆向建模，(E-mail)changying0426@163.com。

*基金项目：吉林农业科技学院青年基金项目(吉农院合字[2015]第212号)

收稿日期：2015-04-24；修回日期：2015-05-19

文章编号：1001-2265(2016)03-0061-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.017