復雜曲面的零件逆向建模及其仿真分析*

常　影，明　哲，張秀芳，梁麗青，佟沐霖

(吉林農業科技學院 a.機械工程學院；b.水利與土木工程學院，吉林 吉林　132101)

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復雜曲面的零件逆向建模及其仿真分析*

常影a，明哲a，張秀芳a，梁麗青b，佟沐霖a

(吉林農業科技學院 a.機械工程學院；b.水利與土木工程學院，吉林 吉林132101)

摘要：由于復雜零件建模周期長，而且不利于二次創新，應用逆向工程對其進行建模能很好的解決此問題，并對所得模型進行仿真分析得到滿足要求的模型。文章以控制臂的三維模型的建立及性能研究為例，首先，使用三維激光掃描儀獲得控制臂的掃描數據；然后應用逆向軟件Geomagic Studio對所得數據進行點云處理，然后建立三維模型；最后應用有限元分析軟件ANSYS Workbench對得到的模型進行仿真分析，若仿真分析后結果不滿足要求，則對模型進行重構，直至滿足要求為止。通過該方法可以快速獲得滿足性能要求的控制臂模型，并且有利于復雜曲面零件進行二次創新。

關鍵詞：Geomagic Studio；復雜曲面零件；逆向建模；ANSYS Workbench

0引言

隨著汽車、飛機等行業對復雜曲面的設計要求的增加，傳統的建模方法已不能滿足工業設計的要求，因此逆向工程應運而生[1-2]。在我國汽車工業發展的過程中，為了縮短與國外的技術差距，提高自身研發能力，根據現有的零件模型及CAD技術重新構造模型或創造實物產品的過程就成為了獲取設計思路，吸收技術的有效的手段[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，并對得到的模型進行了靜力學分析，得到合理的控制臂模型。

1控制臂點云數據獲取

數據采集方式主要有接觸式、非接觸式和破壞式三大類，其中代表性的數據采集設備有三坐標測量機、光學掃描儀和斷層掃描儀。

本文的數據掃描采用的是三維激光掃描儀，首先，將控制臂實物放置在水平光滑的掃描臺上，掃描臺的周圍應該盡量減少雜物，盡量使掃描頭對著控制臂模型勻速移動，掃描可以被直接掃描到的所有表面；然后變換角度并多次進行掃描，直到獲得完整的控制臂點云數據。

2控制臂點云數據處理及三維建模

2.1去除體外點

由于掃描時受到環境的影響，得到的數據存在一些體外點。這些體外點是不需要處理的數據，因此需要將它們去除。在Geomagic Studio中[5-6]，通過使用“套索工具”可以手動選擇需要刪除的體外點，點擊“刪除所選擇的”，即可刪除體外點，通過多次的操作將所有的體外點刪除，最終只保留有用的掃描數據，如圖1所示。

(a)去除體外點前　　　　　(b)去除體外點后

2.2多邊形的擬合對齊

控制臂經過多次掃描之后得到的每個掃描數據都不完整，因此需要將不同掃描面的數據進行擬合對齊，獲得完整的控制臂點云數據。在Geomagic Studio中，通過“對齊”操作可以將數據對齊。在“模型管理器”選項卡下，到“對齊”工具欄下，執行“最佳擬合對齊”操作，Geomagic Studio將執行分析計算，完成多組模型的擬合對齊。在擬合對齊完成之后，執行“全局注冊”操作，為兩組模型建立新的坐標系。然后，執行“合并”操作，“合并”操作可以將兩個或多個多邊形對象合并成為單個復合對象，并可以自動執行降噪、全局配準和均勻抽樣，并能夠生成新的合并后的模型。

在執行“合并”操作之后，生成的新的制臂點云數據模型上有許多紅色的區域，這些區域是“網格醫生”檢測到的表面缺陷，此時執行“自動修復”操作可修復這些缺陷。

2.3填充孔

由于掃描數據的部分不完整，控制臂的點云數據表面會存在一些形狀不同的孔洞，這些孔洞影響了數據的完整性，為了修復這些孔洞得到完整的點云數據，應用“填充孔”工具，填充修復孔洞。選擇“填充孔”命令，選擇“曲率模式”，尋找點云數據上的孔洞進行修復，修復前后的對比如圖2。

(a)填充孔前　　　　　　　　　　(b)填充孔后

2.4刪除釘狀物

由于掃描的數據的誤差，網格表面會產生許多曲率變化的三角形片，產生釘狀物，使用“網格醫生”→“刪除釘狀物”操作可以將這些釘狀物刪除，使表面更加光滑平順。具體操作如下：點擊“網格醫生”→“刪除釘狀物”，拖動滑塊到適當的位置，然后“應用”。

2.5去除特征

在刪除釘狀物之后，模型表面依然會存在一些腫塊和壓痕，為了保證模型的表面質量，需要對這些腫塊和壓痕進行去除，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：刪除選擇的三角形并填充產生的孔，由于填充孔按照曲率變化填充，所以在執行“去除特征”之后新產生的表面會變得更加平滑。

2.6砂紙工具

為了得到較高的表面質量的控制臂模型，可以應用“砂紙”工具使模型表面變得更加光滑。點擊“砂紙”，選擇“松弛”，滑塊滑動至適當的強度，如圖3所示。在打磨過程中可結合“去除特征”命令，以求達到最好的效果。

(a)使用砂紙工具打磨前　　　　(b)使用砂紙工具打磨后

2.7簡化多邊形

利用“簡化多邊形”命令可以減少多邊形模型的三角片數量。該命令將在曲率較小的區域減少三角片, 而在曲率較大的區域保持三角片數量，使在保證曲面質量的前提下，減少三角形的數量，提高效率。

2.8模型生成

在完成了掃描數據的編輯處理之后，通過使用Geomagic Studio的曲面工具，可以生成控制臂的曲面模型。操作如下：在“精確曲面”選項卡下 “構造曲面片”，曲面片計數選擇“自動估計”，點擊“應用”→“確定”。最后再應用三維建模功能生成三維模型如圖4。

圖4　控制臂曲面模型

3控制臂靜力學結構分析

3.1導入模型

為了校核所得控制臂模型的性能，本文使用的分析軟件是ANSYS Workbench[7-8]，首先將控制臂的模型導入到ANSYS Workbench中，選擇工具欄內“Component System”中的“Geometry”項；然后，單擊幾何塊中的“A2”框，依次進入“Import Geometry”→“Browse”模塊選擇模型。然后打開“Design Modeler”界面，在“Design Modeler”界面的工具欄內導入的模型。

3.2定義載荷

本文所研究的控制臂采用的材料為YF45MnV，YF45MnV是一種易切削非調質鋼，其強度指標與45號鋼調質態相當，而切削性能僅相當于45號鋼的正火態。用于代替45號鋼加工軸件，尤其適用于制造變形要求嚴格的細長桿件如車床絲杠等。自定義添加YF45MnV的材料及性能。YF45MnV的力學性能如表1所示。

表1　YF45MnV的部分力學性能參數

3.3添加載荷和約束

本文研究的控制臂的受力情況可以簡化如圖5所示。其中Fx為控制臂受到的沿軸向方向的分力，FY和FZ為控制臂受到的垂直于軸向力方向的分力。為了檢驗控制臂在極限情況下的安全性，本文均針對最大受力的情況進行分析。添加載荷時，首先在 “Mechanical Wizard”窗口內點擊“Insert Structural Analysis”選項，在模型上選擇一個曲面定位受力點，選擇完曲面之后點擊“Apply”確認選擇。然后點擊“Magnitude”選項，輸入受力1830N，在模型上確定力的方向后，點擊“Apply”應用。按照上述方法，可同時在模型上添加垂直于軸向的分力FY和FZ。然后在另一端添加約束“Fixed Supports”。

圖5　受力情況簡化圖

3.4求解分析

點擊“Mechanical Wizard”窗口中的“Solve”按鈕，依照系統的提示點擊工具欄中的“Solve”，系統開始求解，求解得到的控制臂受力云圖在 “Equivalent Stress”中可見，如圖6所示。

圖6　控制臂的受力云圖

YF45MnV的屈服強度σs為587MPa，汽車構件的安全系數為S=1.5~1.7，為保證結果的準確性，安全系數取S=1.7。驗證該控制臂的設計是否合理。所以，YF45MnV許用應力[σq]為：[σq]=587MPa/1.7=345.29MPa。

通過以上的分析和計算，該控制臂在極限靜力載荷的情況下，其內部應力的最大值為σmax=193.98MPa，而其模型的許用應力為[σq]=345.29MPa，大于控制臂的極限應力值，所以該模型即使在極限靜載荷條件下也能滿足強度要求。因此從靜力學的角度分析，該控制臂模型的符合設計要求，能夠滿足在實際使用中的安全性。

4結論

本文采用逆向工程和仿真分析相結合的方法，可以快速的完成復雜零件三維建模，并有利于二次創新。通過獲得某控制臂的三維掃描數據；然后使用Geomagic Studio軟件，對掃描數據進行了點云處理，生成控制臂的三維模型；最后使用有限元分析軟件ANSYS Workbench的靜力分析模塊，對該模型進行了靜力學結構分析。從靜力學分析的角度確定了該控制臂設計是否合理，為后續的分析優化提供了參考依據。文中使用的建模方法和分析方法對其他復雜零件的建模和二次創新具有一定的意義。

[參考文獻]

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(編輯李秀敏)

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

中圖分類號：TH164;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：常影(1988—)，女，長春人，吉林農業科技學院助教，碩士，研究方向為模具設計、數控加工及逆向建模，(E-mail)changying0426@163.com。

*基金項目：吉林農業科技學院青年基金項目(吉農院合字[2015]第212號)

收稿日期：2015-04-24；修回日期：2015-05-19

文章編號：1001-2265(2016)03-0061-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.017