基于逆向工程的引擎蓋內(nèi)板法向變形質(zhì)量分析

李沛，邢彥鋒，馬振海

1上海工程技術大學機械與汽車工程學院；2泛亞汽車技術中心有限公司

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)板的三維坐標數(shù)據(jù)。

逆向工程通過激光掃描物體，根據(jù)獲取的三維點云數(shù)據(jù)生成三維模型[1]，被廣泛運用到各類產(chǎn)品的研發(fā)、設計及保護中，可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本等[2]。并且通過對某些部件或整體進行數(shù)字化，還可對其復制或者根據(jù)設計者的需求進行改進等。當建模對象擁有很高的表面質(zhì)量和精度且缺少技術圖紙時，特征建模很難獲得對象部件的具體參數(shù)，還會因數(shù)據(jù)丟失、設計多次更改等原因無法獲得產(chǎn)品的三維模型[3]，而Geomagic Studio軟件能滿足嚴格要求的逆向建模。

本文主要通過Geomagic Studio軟件對汽車引擎蓋內(nèi)板進行逆向建模，處理其點云數(shù)據(jù)，創(chuàng)建NURBS曲面并輸出曲面模型，由NX Nastran軟件對三維模型進行仿真，通過比較引擎蓋內(nèi)板實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)果對引擎蓋內(nèi)板的定位點布置具有一定的指導意義。

2 引擎蓋內(nèi)板逆向建模

逆向建模是通過掃描實體部件，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)字模型的準確性，在使用激光掃描儀時需獲取部件所有表面特征，掃描儀精度為0.02mm，測量的引擎蓋內(nèi)板見圖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，測量前需在內(nèi)板噴涂一層反差增強劑，通過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)板的掃描模型見圖2。

2.2 處理內(nèi)板點云數(shù)據(jù)

激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)點受場地、光源及部件表面反射特性等因素影響，因此不可直接使用，需要對其進行去噪處理[4]。使用激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)包含外界干擾因素，如平臺的局部點云、夾具的局部點云數(shù)據(jù)等(體外孤點)，這些都可能導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云數(shù)據(jù)。

將點云數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio軟件，采樣時選擇保持全部數(shù)據(jù)，選擇采樣數(shù)據(jù)的比例越高，載入的點越多，數(shù)據(jù)越精確，模型的曲面特征也越吻合。為方便進行后續(xù)步驟，在點云數(shù)據(jù)的處理階段對所有點著色，具體步驟包括手動刪除雜點、斷開組件連接、全局注冊、聯(lián)合點對象、體外孤點及減少噪聲等。

通過上述步驟可以刪除大量體外孤點、噪點和重疊點等，可以大大提高優(yōu)化點云數(shù)據(jù)的效率，且減少點云數(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)板點云形貌見圖3。

(a)去除雜點前

2.3 多邊形階段

通過封裝命令實現(xiàn)點對象對三角形面的轉(zhuǎn)換，由點云封裝獲得的多邊形模型存在許多缺陷，如錯誤表達的曲面片等[6]，因此需進行多邊形處理。在逆向建模過程中，多邊形處理階段非常重要，模型需擁有很高的表面質(zhì)量才能進行曲面處理，這是生成NURBS曲面的必要準備。

掃描部件或者處理點云數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)誤差、數(shù)據(jù)缺失等問題，導致封裝后的模型出現(xiàn)孔洞或丟失原有特征，嚴重時會丟失邊界，而多邊形處理可修補此類問題。內(nèi)板的封裝見圖4。

(a)未進行多邊形處理前的內(nèi)板

通過孔填充與創(chuàng)建孔、邊界修補、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生、刪除釘狀物、松弛多邊形、簡化多邊形及增強表面嚙合等方式，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

需對封裝的引擎蓋內(nèi)板模型進行曲面擬合，利用探測輪廓線功能設置曲率和分隔符敏感度(見圖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(見圖6)，根據(jù)實際情況選擇細分和延伸命令。

圖5 探測輪廓線圖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個角點和4條邊界曲線組成，因此重構(gòu)NURBS曲面時需判定分類后的邊界點和角點，以此確認兩者屬于哪個邊界，NURBS曲面表達如下[9]

(1)

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

(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)，包含了強大且應用廣泛的產(chǎn)品設計應用模塊，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備生產(chǎn)設計的數(shù)據(jù)庫[10]。導入或建立模型后進入前/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(見圖8)，由于內(nèi)板的厚度僅0.7mm，選擇2D網(wǎng)格，檢測單元質(zhì)量，修復失敗單元，引擎蓋內(nèi)板的節(jié)點數(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9個夾具固定引擎蓋內(nèi)板，定位點位置見圖9。由于內(nèi)板屬于薄板件，在自身重量作用下也會產(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，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，進入求解方案，查看仿真結(jié)果。

圖9 定位點布置

4 實際與仿真結(jié)果對比分析

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)板中心掃描標記點的位置，之后依次施加不同的力，激光掃描儀記錄此時標記點的空間位置。由Geomagic Studio軟件的特征和對齊功能，確定未施力與施加不同力時同一個標記點的坐標位置，以此獲得內(nèi)板的實際法向位移。按照實際情況施加約束和載荷后進行自動求解，其法向位移結(jié)果見圖10。

圖10 內(nèi)板的法向變形(施加20N力時)

利用探測結(jié)果功能在不同標記點處獲得法向偏移量，實際法向位移與仿真法向位移分別見表1～表3和圖11。

表1 施加20N時的實際法向值與仿真法向值

表2 施加30N時的實際法向值與仿真法向值

表3 施加50N時的實際法向值與仿真法向值

圖11 實際值與仿真法向值對比

5 結(jié)語

針對汽車引擎蓋內(nèi)板在裝夾定位中的變形問題，通過手持激光掃描儀獲取內(nèi)板的點云數(shù)據(jù)，基于Geomagic Studio軟件對內(nèi)板進行逆向建模，經(jīng)過點云處理、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軟件對內(nèi)板進行仿真分析，比較部分標記點處與實際標記點處的法向位移值，分析得出，建立的三維模型精度較高，與實際模型相符，為進一步優(yōu)化引擎蓋內(nèi)板的定位點位置提高了可行方案。