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(jié)構(gòu)復雜，較難獲取復雜曲面部分的數(shù)據(jù)。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(xiàn)。在此結(jié)合ALIAS進行復雜曲面重建，利用合理劃分曲面的拓撲結(jié)構(gòu)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(chǎn)品開發(fā)的周期，同時保證產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外關(guān)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(xù)改進上。逆向工程技術(shù)已成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個應用熱點，并逐漸發(fā)展成一個相對獨立的領(lǐng)域[1]。本文完成了懸掛件點云的優(yōu)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(jié)合點云分析模型誤差，最后結(jié)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(tǒng)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(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)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(shù)，其前身可認為是精密測量技術(shù)和質(zhì)量檢驗技術(shù)[3]。具體就是將已有的產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)化為三維模型，并在此基礎(chǔ)上進行剖析、改進和再創(chuàng)造的一種技術(shù)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(yōu)化處理

點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的結(jié)果好壞將直接影響后續(xù)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(yōu)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(yè)標準設計工具，其優(yōu)勢是具有更高的點云數(shù)據(jù)處理效率，可根據(jù)需要構(gòu)建Class A、B曲面，同時具有多樣化檢測工具(曲率分析、連續(xù)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(jù)實物掃描或其他途徑得到的點云、網(wǎng)格模型、CAS數(shù)模等參考進行反向建模，以曲面盡量貼近原模型為目標。

網(wǎng)格(MESH)模型常用于逆向建模的參考，原始的點云經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可得到網(wǎng)格模型；網(wǎng)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(wǎng)格工具來進一步編輯。將處理后的懸掛件點云數(shù)據(jù)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(jù)，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(nèi)的過渡面的形狀和趨勢，根據(jù)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(gòu)建出相應曲面后再微調(diào)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(wǎng)格模型(或其他參考數(shù)據(jù))生成固定的實際截面線，構(gòu)建的曲面則采用實時的視覺截面線。

3.2.3 曲線創(chuàng)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(nèi)的參考線，注意要根據(jù)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(gòu)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(chuàng)建是另一種曲線創(chuàng)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(xiàn)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(jù)這些約束生成曲線，在參考對象發(fā)生改變時自動更新數(shù)據(jù)。

3.2.4 曲面創(chuàng)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(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 曲面

有規(guī)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(gòu)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(tǒng)一。

構(gòu)建曲面后，通過調(diào)節(jié)CV，使得曲面與參考物盡量靠近，同時維持曲面本身的質(zhì)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(xù)性要求(兩個曲線或曲面之間過渡的平滑度的數(shù)學表示)。連續(xù)性分為：位置連續(xù)性(G0)、切線連續(xù)性(G1)、曲率連續(xù)性(G2)、曲率變化率連續(xù)性(G3)、曲率變化率的變化率連續(xù)性(G4)。一般連續(xù)性達到G1即可。

基礎(chǔ)曲面完成后，需完成過渡曲面的構(gòu)建來連接基礎(chǔ)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(jù)點云來控制過渡曲面形態(tài)，適當對其進行修改，最終得到理想的曲面。

3.2.5 曲面質(zhì)量檢查

曲面質(zhì)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(xù)性等級，更體現(xiàn)了造型的特征變化狀態(tài)[9]。曲率梳的走勢體現(xiàn)了造型的凹凸變化趨勢，避免曲率梳的突變是保證曲面質(zhì)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(zhì)量檢測

經(jīng)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(jié)，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(nèi)，以及方便后續(xù)修改完善等工作，應用Geomagic Studio軟件對所得模型與原始點云數(shù)據(jù)進行分析比較[10]，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 整體質(zhì)量檢測

檢測結(jié)果顯示，模型與點云貼合度在±1mm以內(nèi)，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(huán)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(jù)實際情況可分為：輪跳工況、縱向力工況、側(cè)向力工況、后拖側(cè)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(xiàn)在支承座附近，應力達到298.3MPa，懸掛件所受轉(zhuǎn)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(fā)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(nèi)。

圖10 反向輪跳等效應力

圖11 反向輪跳總應變

5 結(jié)論

本文分析了機械產(chǎn)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(chǎn)品的逆向造型設計過程，并基于ANSYS對懸掛件半載狀態(tài)及反向輪跳工況下的強度進行校核，結(jié)果表明此逆向設計方法為復雜曲面的機械產(chǎn)品逆向設計提供了一種切實可行的全新方向。