基于ALIAS的工程機械懸掛件逆向設計及仿真

方華杰 鐘相強 邸志民

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000)

懸掛件的曲面結構復雜，較難獲取復雜曲面部分的數據。由于復雜曲面的逆向建模難以用簡單特征或特征曲線擬合來實現。在此結合ALIAS進行復雜曲面重建，利用合理劃分曲面的拓撲結構這一技巧來解決上述問題。ALIAS直接建模具有的靈活性和高精確度可以大大縮短產品開發的周期，同時保證產品質量。

目前，國內外關于逆向工程的研究，大多集中在基于實物的CAD模型重建及后續改進上。逆向工程技術已成為CAD/CAM系統中的一個應用熱點，并逐漸發展成一個相對獨立的領域[1]。本文完成了懸掛件點云的優化處理，利用ALIAS、UG等三維軟件完成懸掛件的逆向建模工作，并結合點云分析模型誤差，最后結合實際工況，對懸掛件進行基于ANSYS的有限元分析[2]。基于ALIAS的逆向建模方法，解決了傳統逆向建模方法難以完成復雜曲面部分建模的問題，縮短了復雜零件的生產周期，降低了生產成本。

1 逆向工程概念

逆向工程是基于實物的一種模型重建及改進技術，其前身可認為是精密測量技術和質量檢驗技術[3]。具體就是將已有的產品模型轉化為三維模型，并在此基礎上進行剖析、改進和再創造的一種技術過程[4]。

逆向工程一般操作流程如圖1所示。

2 懸掛件點云的優化處理

點云數據優化處理的結果好壞將直接影響后續的建模，導致模型誤差逐級累積[5]。因此，需要去除危害建模精度的一些雜點來得到最多的反應特征點。優化處理包括噪音處理、噪音偏差分析、填充孔、偏差分析等[6]。

3 基于ALIAS的懸掛件逆向設計

3.1 ALIAS介紹

Autodesk Alias Studiotools軟件作為造型設計的行業標準設計工具，其優勢是具有更高的點云數據處理效率，可根據需要構建Class A、B曲面，同時具有多樣化檢測工具(曲率分析、連續分析、距離分析)。

3.2 逆向建模

逆向工程可視為正向設計的相反過程，可依據實物掃描或其他途徑得到的點云、網格模型、CAS數模等參考進行反向建模，以曲面盡量貼近原模型為目標。

網格(MESH)模型常用于逆向建模的參考，原始的點云經過轉換后可得到網格模型；網格模型導入Geomagic Studio后通常需進行對位和精簡處理，必要時也可使用網格工具來進一步編輯。將處理后的懸掛件點云數據導入ALIAS中[7]，如下頁圖2所示。

圖2 懸掛件點云模型

3.2.1 曲面拓撲分析

逆向的分面思路主要以參考物的特征變化為分面依據，即按特征分面；曲率變化圖可以準確反映出參考物凹凸造型的變化走勢和位置，從而方便人們決定每個特征布面的方式與面面銜接的位置，懸掛件曲率變化如圖3所示。

理論交線決定著曲面間，包括倒角在內的過渡面的形狀和趨勢，根據理論交線分面可以更好地控制造型和貼面；可觀察曲率變化圖表來初定理論交線，構建出相應曲面后再微調曲線，使得曲面匹配參考物，從而得到更準確的交線位置。

圖3 懸掛件曲率變化圖

3.2.2 特征線的提取

截面線是逆向過程中的有效參考，為貼面提供了極大的便利；一般網格模型(或其他參考數據)生成固定的實際截面線，構建的曲面則采用實時的視覺截面線。

3.2.3 曲線創建

CV是控制曲線形狀最基本、最重要的手段。Alias Studio繪制的CV有所不同，第一個CV繪制成方框狀，第二個CV繪制成U狀。所有其他CV均繪制成小的X。當繪制的曲線較長時，Alias Studio可以將多個曲線跨距接合起來，上一個曲線跨距的尾端CV成為下一個曲線跨距的首端CV，首尾相連，曲線段之間平滑過渡，如圖4所示。

圖4 曲線

Fit Curve工具可較好擬合包括截面線在內的參考線，注意要根據參考線造型的變化適當分線。過渡曲線是一種更加高級和簡便的方法，用來確定曲線形狀和操縱曲線。過渡曲線在曲線的實體上方提供一個抽象層，是構建歷史更久遠的普通NURBS曲線：過渡曲線同樣適用一般的曲線工具。充當約束的過渡點控制過渡曲線形狀，如圖5所示。

圖5 過渡曲線

通過預先設置好約束點來完成曲線的創建是另一種曲線創造思想。曲線將要通過的空間上的點、與特定曲面的相切約束、過渡曲線與現有曲線的相交、以及曲線行進方向等等都可以作為約束參考。Alias Studio將根據這些約束生成曲線，在參考對象發生改變時自動更新數據。

3.2.4 曲面創建

等參曲線在曲面上沿著U和V方向行進，可以直觀顯示CV定義的曲面形狀[8]。Alias Studio將NURBS曲面繪制為一個曲線網格，如圖6所示。

圖6 曲面

有規律的CV排列是維持曲面高光趨勢的前提，不能僅僅為了貼面而使得CV凌亂，適當改變分面位置可以有效解決兩者的矛盾；當構建大面或重要造型特征需采用一系列交叉相連的曲面時，盡量使相應方向曲面組的CV排列趨勢統一。

構建曲面后，通過調節CV，使得曲面與參考物盡量靠近，同時維持曲面本身的質量。

通常情況下，一個完整的曲面由多個面拼接而成，且面與面之間滿足連續性要求(兩個曲線或曲面之間過渡的平滑度的數學表示)。連續性分為：位置連續性(G0)、切線連續性(G1)、曲率連續性(G2)、曲率變化率連續性(G3)、曲率變化率的變化率連續性(G4)。一般連續性達到G1即可。

基礎曲面完成后，需完成過渡曲面的構建來連接基礎面。運用高級建模工具進行倒角做面、光順對齊、混接曲面等工作，得到過渡曲面。在此過程中，注意根據點云來控制過渡曲面形態，適當對其進行修改，最終得到理想的曲面。

3.2.5 曲面質量檢查

曲面質量檢測常用斑馬線與曲率梳檢測。斑馬線的高光顯示方式不僅指示了曲面間的連續性等級，更體現了造型的特征變化狀態[9]。曲率梳的走勢體現了造型的凹凸變化趨勢，避免曲率梳的突變是保證曲面質量的有效手段，如圖7所示。

圖7 截面線曲率梳檢測

3.3 基于Geomagic Studio的懸掛件逆向質量檢測

經過以上曲面逆向步驟，完成懸掛件總體曲面的鋪設，在UG中對懸掛件曲面進行縫合，生成實體，并處理細節，進一步完善模型，最終效果如圖8所示。

圖8 懸掛件最終效果圖

為得知模型誤差是否在允許的范圍內，以及方便后續修改完善等工作，應用Geomagic Studio軟件對所得模型與原始點云數據進行分析比較[10]，分析結果如圖9所示。

圖9 整體質量檢測

檢測結果顯示，模型與點云貼合度在±1mm以內，滿足設計要求。

4 基于ANSYS的懸掛件有限元分析

4.1 載荷工況的確定

受路況以及駕駛環境等因素影響，汽車實際行駛工況十分復雜。分析懸掛件強度和剛度，務必考慮其在各種惡劣工況下的受力變形情況[11]。根據實際情況可分為：輪跳工況、縱向力工況、側向力工況、后拖側向力工況。

4.2 懸掛件的靜力學校核

針對汽車行駛過程中的各種隨機激勵對懸掛件疲勞壽命的影響，本文通過比較應力與屈服極限來分析附加動載荷的影響，以此反映材料的利用率和安全性問題。此處僅以最惡劣的反向輪跳工況為例進行懸掛件強度分析。

如圖10所示，最大應力出現在支承座附近，應力達到298.3MPa，懸掛件所受轉矩幾乎由支承座承受，材料20Cr的屈服極限σs=540MPa，支承座不會發生強度失效。懸掛件應力分布圖如圖11所示，此時雖然懸掛件應變較大，但仍處于安全范圍內。

圖10 反向輪跳等效應力

圖11 反向輪跳總應變

5 結論

本文分析了機械產品的逆向設計過程，提出一種基于ALIAS的曲面處理方法，通過ALIAS和Geomagic Control兩種軟件的配合使用分析汽車懸掛件產品的逆向造型設計過程，并基于ANSYS對懸掛件半載狀態及反向輪跳工況下的強度進行校核，結果表明此逆向設計方法為復雜曲面的機械產品逆向設計提供了一種切實可行的全新方向。