正向工程与反向工程

正向工程与反向工程随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用，以及 CAD / CAE / CAM 集成系统的开发和商业化，产品实物或模型首先通过扫描测量以及各种先进的数据处理手段获得产品的几何信息，然后充分利用 CAD / CAM 技术快速、准确地建立产品的数学几何模型，经过适当的工程分析、结构设计和 CAM 编程，就可数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品(样件)-一再设计 产品(批量)的过程。这种实物测量反求技术始于用油泥模型(通常称为主模型)设计汽车、摩托车外形，并借助仿形技术完成零部件的设计制造;现已广泛应用于产品改型、模具翻制等生产活动中;特别是对于具有复杂曲面外形的产品，以类似的方法进行设计，可以大大地缩短产品的开发周期，提高产品与样件的几何相似度，是消化、吸收先进技术进而改造和开发各种新产品的重要手段，它已成为反向工程的主要内容。反向工程(Reverse Engineering , RE )也称逆向工程或反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(Forward Engineering , FE )而提出的。正向工程是泛指按常规的从概念(草图)设计到具体模型设计再到成品的生产制造过程。反向工程常指从现有模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型，如利用三坐标测最机的测量数据对产品进行数学模型重构，或者直接将这些离散数据转化成 NC 程序进行数控加工而获取成品的过程，是对已有产品的再设计、再创造的过程。作为获取成品的两种不同途径，正向工程和反向工程的设计流程如图 7 一 1 所示。正向工程与反向工程的本质区别在于对“设计从哪里开始”这一问题的回答。在正向工程中，设计是从为了实现某一功能的概念开始的，这时，设计者首先要对产品进行功能分析，在满足功能要求的前提下选择合适的结构组合成一个产品雏形，再根据各种约束条件(几何约束、整体协调性、人机工程、美学要求等等)来修正这一雏形，直到产品定型为止，其难点或关键在于对所设计产品的使用要求(功能)要了如指掌，并能找到合理的物化过程和物化结构。反向工程更多的是一种几何实现的设计过程，即产品设计是从模型数字化的实现过程开始的，往往是对已有产品的仿制或仅仅做局部有限的改动，而对产品的功能要求则不作主要因素考虑，其难点或关键在于模型的重构技术，这里的模型重构是指对已有模型进行合理几何表达的方法。对于以规则几何体为主的产品，可采用手工测绘或利用一些辅助设备如三坐标测量仪等对几何关键点进行测量，给出产品的几何表达即可;对于以不规则的自由曲面为主的产品，目前一般的做法是利用三坐标测量机对产品进行扫描，再借助一些 CAD / CAM 系统软件对扫描的点云(形象地表达出点的数量)数据进行处理，最终重构出满足一定几何精度的新的产品数学几何模型。对于手工测绘，执行者为工程技术人员，可以用符合人类对产品的几何特征表达来抽取(测绘)产品的特征信息，如直线的距离(长度)、起止位置，圆弧的半径、中心点位置等等。虽然这是一个繁杂的过程，但有了这些几何信息就如同正向工程的几何表达方式，其数字化实现过程与正向工程没有太大的区别。而对于机器扫描，执行者为测量机或扫描仪，由于目前这类机器无法对产品特征进行识别，所以只能以一定的模式将产品模型离散化成三维的作标点集，也就是说，扫描的结果只能得到了丢失所有特征信息的点云模型。我们知道，任何一种仅仅基于点表达的设计都是非常棘手的，由于不知道原来的设计意图，我们甚至很难从点云中抽取出一条直线，整个反向建模过程往往是被动的，设计的自由度较小，难度也就比正向设计大得多。数字化过程的手段也十分苍白无力，我们必须设法在 CAD 系统中从这些点云中拍取出可供构造其他几何元素(如直线、圆弧、样条曲线等)的特征点或节点，在数以万计的点云中要完成这项任务是十分繁琐且低效的。如果因样件问题或测址问题导致测量点的精度不高，那么要解决剔除噪声点等工作更是难上加难。这些可归结为数据的采集与处理问题，是反向工程中要解决的关键。工艺反求与几何反求对于模具设计而言，反向工程的内容主要包括两部分内容：工艺反求和几何反求。所谓工艺反求，就是对于无法一次成形的板料或体积成形产品，必须根据最终的产品形状根据不同的成形条件设计出相应的中间工序件和毛坯形状，由于整个设计过程与成形工艺密切相关，我们把这一过程称为工艺反求。几何反求则如上节所述，就是利用已获得的初始数据模型进行模型的重构技术，由于整个过程主要和几何造型相关，我们把这一过程称为几何反求。几何反求的关键技术将在后面章节论述，本节主要论述板料成形过程工艺反求的相关技术。板料成形数值模拟涉及到几何非线性、材料非线性和接触非线性问题的分析和计算。随着数值分析技术、塑性成形理论和计算机能力的发展，以及对冲压过程越来越深刻的认识和理解，从 20 世纪 7lj 年代后期开始.经过 20 多年的发展，板料成形数值模拟逐步完善。但是，目前板料成形数值模拟工具一般都是基于增量理论，计算时间较长，在高速的工作站上模拟一个实际成形过程需以数十小时计。在初始设计阶段，修改比较频繁，采用增量方法显然是不经济的。目前，金属板料成形工业在寻找快速、有效和可靠的技术来支持产品设计。在产品设计和工艺设计阶段，由于能生产出最终产品的模具、工艺和毛坯都是未知，所以要不断地试验和修正设计。因此，为了能缩短设计过程、降低成本，就需妥一个快速的分析工具，反向一步模拟方法正是在这样的背景下应运而生。反向一步模拟方法将板料成形过程简化为一个或若干个简单加载的变形过程，采用全量理论进行分析。因此计算可以只考虑初始态和变形态，忽略中间构型的变化。这是一种预测板料成形中大变形的高效算法，下面介绍这一算法的关键思路和求解策略。1 .问题的描述已知初始态平板板料 C 。厚度为尸，以及变形态工件 C 的中面几何形状，求解初始态平板板料 CO 的形状和变形态工件 C 的厚度分布。采用全量有限元法进行计算，从产品的形状 C 出发，将其作为拉深后工件的中面，采用平面三角形壳单元对其离散，通过有限元方法确定在满足一定的边界条件下工件中节点尸在初始平板毛坯口中的位置尸“，如图 7 一 2 所示。比较平板毛坯和工件中各点的位置就可计算出工件中的应力和应变。分析中作如下假设： 平面应力; 不可压缩的大弹塑性应变; 弹塑性有限变形理论; 线性或非线性材料硬化准则; 模具的作用通过冲头和凹模与压边圈之间的非均匀的法向压力和摩擦力来模拟。2 .有限变形理论3 .比例加载时各向异性金属板料的本构关系由于塑性变形的应力一应变关系和屈服准则的相关性，在模拟中选择合适的屈服准则来描述塑性变形就显得非常重要。Hill 二次屈服准则能描述很多各向异性金属板材的塑性变形，但是也发现了反常的 现象。因此，Hill 提出 T 更一般的非二次屈服准则来描述金属板材的各向异性。4 .反向一步模拟方法的优点与增量方法相比，反向一步模拟方法有以下的特点：l )速度快反向一步模拟方法基于全量理论，一步求解，计算显然比增量方法要快得多。2 )对模具和边界条件的要求较低反向一步模拟方法将板料与冲头、模具的接触简化为外部载荷的形式.不需要模具的信息，减少了准备分析模型的工作量，由于此项技术还处于研究阶段.只能解决一小部分比较简单的案例。对于大多数情况，板料成形(或体积成形)的工艺反求还是依靠技术人员