某轿车后地板的逆向结构设计方法

2022-07-29孔祥增

天津科技 2022年7期

孔祥增

(一汽丰田汽车有限公司技术研发分公司天津 300462)

1 逆向设计的应用背景

随着国内外汽车产业的高速发展，汽车市场的竞争日益加剧，对于汽车产品的设计开发也就提出了更加严格的要求，尤其是缩短设计开发的时间、满足产品多样化和个性化的需求[1]。为了应对市场情况、要求多变的现实和满足缩短产品开发周期的要求，开发新车型的过程中越来越缺少全新设计，而是以产品改型和升级为主要趋势，在这个过程中需要参照已有的产品应用逆向工程进行设计。这是一种全新的产品设计开发流程，也就是汽车产品逆向开发流程。这种开发流程是通过对现有的成熟产品进行研究，并在此基础上进行改型升级，从而输出工程图。过程中，首先要对与设计件相关的被测件进行测量得出点云数据，然后通过计算机辅助设计软件进行数模重建，从而得到产品的工程图，并应用到产品的生产中。这种设计流程具有开发周期短、风险低、成本少、后期生产投入低等优点，目前在美国、德国和日本等国家的汽车产品开发中均已得到广泛应用。因此，掌握逆向工程技术的应用和开发完善这项技术对于我国汽车工业的壮大具有非常重要的意义。

2 逆向设计流程介绍

本次研究的主要内容是通过坐标测量机测量获得的点云数据，并应用 CATIA的数字化外形编辑器(Digital Shape Editor，DSE)将点云数据进行导入、删除、过滤等处理，然后铺面获得逆向设计的目标模型、应用创成式外形设计(Generative Shape Design，GSD)经过获取不同方向的点云截面和创建草图最后通过拉伸、扫掠、桥接等操作进行曲面重建，还要通过快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction，QSR)模块对一些特殊的曲面进行重建，所有重建出的曲面均需要满足贴合度的要求。

逆向设计的全过程大致如下：

①将已经获得的点云数据在 CATIA的 DSE模块中进行导入，之后通过该模块中的多个命令对点云数据进行删除、过滤等操作，最后进行铺面；

②通过DSE模块的取截面命令获得点云表面的截面线，应用草图编辑器拟合获得截面线判断板件表面的形状，并执行不同方向的拉伸或扫掠等命令；

③获得板件的大面后进行剪裁，获得基础面；

④进行板件细节如加强筋、凹槽、孔洞等的重建；

⑤进行最终的剪裁后将所获得的所有板件进行接合，之后进行倒圆角。

在逆向设计的过程中，对于形状扭曲的表面或一些意外的孔洞、凹陷等，可以根据自己的结构设计经验进行设计。对于一些不合理的结构则可以进行结构优化。

3 后地板逆向设计过程

3.1 研究方法与技术路线

本次逆向设计的后地板点云如图1所示，由于点云图是在某轿车的车身有限元模型中提取并转格式获得的，点云图的默认坐标也就是车身坐标系，不需要进行点云定位、对齐等命令，连接件的点云图其坐标系同样是车身坐标系。

图1 某轿车后地板点云图Fig.1 Point cloud diagram of rear floor of a car

在应用CATIA的DSE模块进行点云导入时，选中 create facets命令可以直接对点云进行铺面命令，不需要再进行点云的前期处理。铺面后的点云如图 2所示。可以看到铺面后的点云表面光滑，有利于逆向设计时对后地板结构的判断和进行曲面重建。因此，这种直接运用 create facets命令进行铺面的方式是可取的。后地板相关连接件铺面后的点云如图 3、图 4。

图2 完成铺面的点云Fig.2 Point cloud after paving

图3 连接件1铺面后Fig.3 Part 1 after paving

图4 连接件2铺面后Fig.4 Part 2 after paving

观察后地板的结构可以看出，后地板大致的结构是左右对称的，在进行逆向设计时可以先对铺面品质较好的一侧进行逆向设计(观察图5可以看出左侧的品质较好)，之后找到左右的对称线，然后通过对称命令可以获得另一侧的曲面，再将左右两侧进行接合命令，最后再将一些不对称的加强筋、孔洞等在接合后的地板中单独创建出来。

3.2 后地板结构分析与逆向流程设计

后地板结构分析：观察图5可以看出后地板结构复杂、曲面多变，表面由众多的加强筋、凹槽、孔洞等共同构成。由于其结构基本左右对称，在逆向设计时采用对称命令可以减少许多的工作量。

图5 后地板结构图Fig.5 Rear floor structure

地板是驾驶室其他板件的安装基础，尺寸较大，且结构复杂，地板的结构共分为前、中和后地板，本次逆向设计的是后地板及其连接件。在对其进行逆向设计时需要考虑两方面因素：第一，后地板参与支撑教室舱、乘员和驾驶员的重量，是重要的支撑件，汽车运动中地盘产生的各种载荷、冲击和振动也经由地板进行缓冲和传导；第二，地板是座椅、地毯和驾驶舱其他结构件安装的基础，结构复杂，且对结构的合理性、对称性的要求较高[2]，在逆向设计过程中需要综合考虑各方面的因素，对点云中的各个结构进行缜密的分析，以避免产生不必要的错误。因此，在对地板的设计中存在以下要求。

①地板的刚度要大：由于后排座椅安装在后地板上，故后地板必须具有能够承载成员重量的刚度。如果后地板的刚度不够而产生变形，将会极大地影响汽车行驶的稳定性和整个驾驶舱的结构刚度。

②精度要高：地板作为座椅、乘员舱其他板件结构的安装基础和行李舱、后轮定位的重要参考，需要具有极高的定位精度。另外，板件的对称性也要极高，以避免在传导力矩时左右受力不均，进而影响地板的使用寿命。

③强度要好：汽车地板车身的表面板件中受力最大，受力的情况也最为复杂。地板不仅要支撑驾驶员、成员和整个驾驶舱的重量，还要承受汽车运动过程中来自于地盘、发动机舱等的各种冲击、振动和扭矩等。地板的工作条件非常苛刻，受到的破坏较其他板件也更为严重。地板的破坏将会导致整个驾驶舱报废，进而影响汽车整体的结构强度和使用寿命。

④良好的舒适性和操纵方便性：地板作为乘员舱的重要组成机构，对于乘员而言，需要具有极高的舒适性；对于驾驶员而言，还要具有足够的操作方便性，以提高驾驶的操纵感。

在应用CATIA软件对已有的点云图进行曲面重建进而设计曲面时，需要综合考虑上述各方面的因素，以提高板件的成型性和合理性等。在逆向设计流程结束后进行的成型性仿真分析正是对后地板结构设计的合理性的分析，如果出现重大问题，则说明后地板逆向设计的成品是失败的。

后地板逆向设计的流程并不复杂，只是针对不同的结构要特殊情况特殊对待，基本的思路就是先对结构进行分析，找出整个板件的基础曲面，并将板件的大轮廓确定，然后通过建立草图应用创成式设计里的拉伸、扫掠、桥接等命令拟合出后地板的大面，最后通过剪裁、桥接、倒圆角等命令将大面最终确定，之后要进行的步骤就是细节的重建，如加强筋、凹槽、盆型结构等。在逆向考虑这些细节时要注意观察结构的形状，判断形状的类型，找清母线、棱线，确定拉伸的方向，如圆柱形的结构要找清底面和母线，在进行截面时尽量选择在母线的垂直方向上截取，这样获得的截面线品质较高，在后续用草图进行拟合时其精确度也会更高，用拉伸、扫掠等命令获得的曲面其拟合度也会更好。

3.3 后地板逆向设计过程

3.3.1 DSE模块(数字化外形编辑器)的应用

在 CATIA的 DSE模块中主要进行的是点云数据的前处理，由于测量获得的点云数据不一定满足铺面的要求，因此，要对点云中的杂点进行删除，有时还需要在一些未测量的部位增加数据点。另外，在点云密度过高时可以进行过滤，以减小密度，还可以单独圈取出需要铺面的点云[3]。这个过程中用到了该模块中的多个命令，主要用到的命令如图6所示。

图6 点云编辑工具栏Fig.6 Point cloud edit toolbar

该工具栏主要包含 4个命令，即保护、移除、过滤和选取。对应点云的 4种不同的操作，主要用到的是后3种。

移除命令：用于将点云中的杂点或不需要进行逆向的点移除，一般选用圈取多边形的方式进行操作。当然，针对不同的情况可以选用不同的方式。

过滤命令：一般在点云密度较高、点云图的尺寸较大、影响 CATIA软件的响应速度时或点云太过密集导致铺面后表面粗糙影响逆向设计判断时会考虑采取该种点云处理方式。过滤的方式有齐次过滤和适应过滤2种，对于结构不太复杂的零件点云一般选择这两种过滤。

选取命令：顾名思义是选取点云图中需要进行铺面或其他操作的命令。在有些情况下非常适用。

另外，工具栏中的铺面命令也非常重要，该命令是对处理完成后的点云进行铺面，铺面完成后可以非常直观地观察出被扫描件的几何形状和轮廓尺寸，光滑的点云面能为后续的曲面重建提供便利。

如图7～9是某一车身结构件进行上述命令前后的对比图和最终铺面完成后的效果图。

图7 某车身结构点云图Fig.7 Point cloud diagram of a car body structure

图8 进行过删除、过滤命令之后的点云图Fig.8 Point cloud diagram after deleting and filtering commands

图9 完成铺面之后的点云图Fig.9 Point cloud diagram after paving

此外，如果铺面后的点云仍然出现孔洞，可以采用孔填充命令进行填补；如果表面光顺度不好，可以通过缩减命令和最佳化命令进行调整。

而 DSE模块除了对点云前处理外，还有一个非常重要的命令，即平面形式切面命令。通过该命令可以对铺面后的点云通过特定的平面进行取截，从而获得该平面的截面线，再在截面线上作用于截取的平面的平行平面，并在该平面上进行草图编辑，对截面线进行拟合，然后进行拉伸、扫掠等一系列命令，最终得到需要的曲面。

在平面形式界面的工具栏中首先需要选取被切面的元素，此处选择了后地板点云，然后选择参考平面，也就是用于切面的平面，另外，还可以选择要截取剖面线的个数和它们之间的距离。如图 10中浅蓝色的线就是用XZ平面截取点云后获得的剖面线。通过对该线进行拟合，然后对草图进行拉伸，就可以逆向出后地板前部一小块面积的曲面。重复该命令就可以将后地板中一些结构规则的面逆向出来。

图10 XZ平面截面线Fig.10 XZ plane section line

3.3.2 GSD模块(创成式外形设计)的应用

由于后地板结构的曲面除了一些加强筋和复杂的凹槽之外，大部分曲面比较规则，可以通过拉伸、扫掠等命令得到。因此，在本次的逆向设计中，创成式外形设计的应用最为广泛，几乎后地板件中每一部分的逆向设计都离不开创成式外形设计的应用。

在创成式外形设计中主要用到以下命令。

①拉伸命令：该命令主要用于草图或 3D对线沿特定方向的拉伸，主要针对于一些形状简单的零件或曲率变化较小的曲面。草图的获取主要通过应用DSE模块中的取截面命令，再应用草图编辑器拟合截面线，之后通过拉伸命令获得与点云贴合度较好的曲面。在拉伸命令界面中可以选择要拉伸的轮廓、方向和沿该轮廓两侧拉伸的距离，图 11为应用草图拉伸成的曲面。

图11 拉伸成的曲面Fig.11 Extruded surface

②扫掠命令：扫掠有很多种形式，在其中主要的应用有4种。

图12为参考曲面的实例，应用参考曲面进行扫掠与拉伸有些相似，但是又有不同，应用参考曲面扫掠时可以选择轮廓和引导曲线(而不是拉伸方向)，该引导线可以为曲线，也可以为直线。

图12 使用参考曲面扫掠结果Fig.12 Results of using a reference surface sweep

等角度型轮廓使用参考曲面扫掠，这种扫掠方式一般是先有确定的底面，然后由面的边线沿一定角度进行扫掠，扫掠角度的选取非常重要。图 13的盆型结构就由该扫掠方式获得。

图13 扫掠获得盆型结构Fig.13 Basin structure from sweep

使用两极限进行扫掠，这种扫掠方式需要先确定曲面的2个极限，也就是2个轮廓线，然后选择这2条线进行扫掠，这种方式与桥接命令相似，适用于一些曲面简单、2个轮廓线的形状尺寸容易确定的情况。

使用3条引导线进行扫掠，3条引导线的确定非常重要，其中2条也就是曲面的2个极限的轮廓线，中间的一条最好选择曲面中的最高点。这 3条线其实也就是曲面的3条截面线，选择时一定要事先观察好曲面的形状，而且轮廓线的长度选取要合适，过短的话会使得扫掠后的曲面过小，不能满足要求。这种扫掠方式与多截面曲面的曲面重建方式相似。

③多截面曲面命令：该命令实现的前提是要通过多次的曲面截取建立草图和拟合截面线，并获得多个引导线。多截面命令可以将这些引导线光滑地连接，截面的位置和引导线的数量选取要合适，只有这样才能使获得的曲面与铺面后的点云更加贴合。对于引导线形状变化不大、轮廓相似的情况，可以选择这种曲面重建方式。

④桥接命令：该命令与扫掠相似，尤其是与两极限扫掠的相似。但桥接操作时要注意进行桥接的2个引导线不能相交，而且距离不能太远，两线的形状尺寸要尽量相似，否则软件系统会报错。

⑤接合命令：将一些相连接但是通过不同步骤获得的曲面或曲线进行拼接，为后续的命令提供便利。如将曲面和扫掠后的曲面接合，然后才能对交线进行倒圆角。

⑥分割命令：有分割和修剪 2种方式。分割是一种进行单独剪裁的命令，如果一曲面与另一曲面相交，则可以选取另一曲面为裁剪元素对该曲面进行剪切。修剪命令之后，2个曲面都会被交线剪裁，并且将会自动接合为一个曲面。2种方式各自有利有弊，针对不同的情况需要合理选择。

⑦倒圆角命令：有简单圆角、可变圆角、弦圆角、三切线内圆角等多种倒圆角方式，一般用到的是简单圆角，将2个相交的曲面直接倒圆角或修建后进行倒圆角，倒圆角后的板件更加圆滑，对冲压成形有利。

⑧外插延伸命令：选择曲面和曲面的边界，输入长度后将曲面延伸。在进行扫掠和多截面曲面命令进行曲面重建时可以选定角度修正选项，如果选取的修正角度足够合理，可以使一些曲率不连续的交线进行圆滑处理，使逆向出的曲面更加光滑。

3.3.3 QSR模块(快速曲面重建)的应用

由于后地板结构中大型曲面的形状并不复杂，应用创成式外形设计中的命令基本可以完成，因而QSR的应用不是很多，故一般用到的是曲面填充命令。应用该命令时要注意轮廓线一定要闭合，轮廓线可以是二维草图，也可以是 3D曲线。另外，曲率分析命令对于逆向设计也非常重要，通过曲率分析可以将零件中曲率相同的曲线确定出来，这样有利于对铺面后点云的观察和对其进行结构分析。图 14为对后地板点云进行曲率分析后的效果图。

图14 后地板曲率分析效果图Fig.14 Effect drawing of rear floor curvature analysis

3.4 后地板逆向设计具体过程

第一步：进行后地板结构的分析，确定合理的逆向设计流程，本次进行逆向的点云文件格式为 stl，应用点云导入功能中的 creat facets可以直接进行铺面操作，铺面后的点云图如图 15所示，其效果不错，表面比较光滑，后地板的结构比较清晰。不过也可以看到右侧的环状筋有缺失，无法进行逆向。但由于后地板件的左右侧大部分结构对称，可以先设计出左侧板件的结构，通过对称操作得到右侧板件后再进行非对称结构的设计。

图15 铺面后的后地板点云图Fig.15 Point cloud diagram of rear floor after paving

第二步：通过对点云取截面建立草图进行拟合，通过拉伸扫掠等操作获得基本面。如图 16所示，通过左侧的平面对点云进行切断获得截面线，再通过截面上的点作平行面，在该面上建立草图，并拟合后地板最前端板面的截线，如图17所示。

图16 截面线Fig.16 Section line

图17 草图Fig.17 Sketch

延默认方向(垂直于平面的方向)进行拉伸，并获得如图 18所示的平面。可以看出该板与铺面后的点云基本拟合，能够满足逆向设计的要求。

图18 拉伸操作获得的平面1Fig.18 Plane1 from extrusion operation

通过相同的方式进行操作可以获得后地板中大部分形状比较规整、表面较平的曲面，在此不再进行一一列举。大平面拉伸之后的效果如图 19所示，但对于有些比较特殊的结构，则需要应用其他方法，如环形筋所在板面应用简单的拉伸操作显然是无法完成的。

图19 拉伸操作得到的基础面Fig.19 Base surface from extrusion operation

在进行该结构的逆向设计时，首先考虑使用了拉伸操作，但效果并不理想，拟合度不好，且与相邻面的距离较远，无法进行剪切或桥接的操作。经过多次尝试，最终决定通过扫掠重建该曲面，如图20所示。

图20 扫掠得到的曲面Fig.20 Swept surface

通过建立2个垂直方向的草图，一个作为轮廓曲线，另一个作为引导曲线，最终获得了平面。另外，也可以看出，该曲面与相邻曲面的交线并不完全，这种情况将无法进行剪切或倒圆角，这是另一个需要解决的问题。考虑采用平行线进行剪切之后桥接、接合、倒圆角。图 21为桥接的效果图，要注意在进行剪切操作时要先将曲线进行投影，否则是无法完成的。

图21 桥接命令获得曲面Fig.21 Surface from bridge command

对图21中的曲面接合倒圆角之后得到的最终效果如图 22所示，之后要进行的是与环形筋紧挨的盆型曲面的重建。先在底面上建立平面，在草图中将底面的轮廓拟合出，之后将草图拉伸和对底面进行剪切。然后对剪切后的底面的边线进行接合，将接合后的曲线进行扫掠，扫掠角度选择 45°。扫掠效果如图23所示。

图22 对桥接后的曲面进行倒圆角Fig.22 Filleting bridged surface

图23 扫掠曲面Fig.23 Swept surface

再对所有的基础平面进行相互之间的剪切和接合命令，最终获得整个的基础大平面。从图 24中可以看出，除了后地板中特殊的加强筋、凹槽等特殊结构外，后地板的大轮廓已被重建出来了。之后要进行的就是重建出上述特殊结构中左右对称的部分。

图24 所有基础平面剪切操作后Fig.24 Base surfaces after cutting operations

第三步：对后地板的特殊结构进行曲面重建。后地板前部凹槽和加强筋的重建并不复杂，分析可以看出所有的凹槽和加强筋均在同一水平面上，因此，可以对基础平面进行平移，通过凹槽或加强筋的轮廓对平移后获得的曲面进行剪切，再进行倒圆角命令就可以重建出这些结构。将所有对称结构逆向后进行对称操作，如图 25所示，对称后另一侧的拟合度也符合设计要求。