（机械电子工程专业论文）基于逆向工程的汽车覆盖件快速原型设计及有限元分析.pdf

基于逆向工程的汽车覆盖件快速原型设计及有限元分析 摘要 随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用c a d c a m 技术，先进制造 技术来实现产品实物的逆向设计制造，已成为c a d c a m 领域的一个研究热点， 并成为逆向工程技术应用的主要内容。覆盖件作为汽车的重要组成部分，是汽车 的整体性能和形象的最重要的决定因素之一，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸 大、表面质量要求高等特点。为此，本文着重研究了汽车覆盖件的快速原型设计 及有限元分析的相干理论和方法。 首先论述逆向工程两大环节：测量和后处理，测量是逆向工程的首要任务， 采用非接触式三维激光扫描仪对覆盖件进行扫描得到引擎盖的扫描数据，以用于 后续模型的重建。后处理是逆向工程中最重要，最繁杂的一环，主要有点数据的 处理，曲面的拟合、构建等组成，本文是在c a t i a 平台下对扫描得到的点云数 据进行曲面重构。然后通过对重新建立的模型进行一些必要的有限元应力应变分 析，获得零件在应力应变方面的性能数据，通过分析结果，对原来的零件进行结 构或者材料方面的改进，提高覆盖件的质量。 利用逆向工程作为产品制造的种手段，可以将符合要求的汽车覆盖件零件 进行测量并反求出零件和模具的c a d 模型，提高汽车覆盖件模具的生产效率，减 少修模量，降低了模具制造成本，为吸收国外先进技术来加快汽车工业的发展提 供一种途径。 关键词：逆向工程；点云数据； 曲面重构：汽车覆盖件； 有限元分析 q u i c k l yd e s i g na n dl i m i t e d u n i ta n a l y s i so f a u t o m o t i v ep a n e l o nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r i n g t e c h n o l o g y , t h er e v e r s ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eu s i n gt h ec a d c a mt e c h n o l o g ya n d a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y h a sb e c o m et h eh o t p o i n t o fr e s e a r c h a u t o m o t i v ep a n e l ，t h ec r i t i c a l p a r to fa u t o m o b i l ei so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n t d e t e r m i n a n t si nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n di m a g eo ft h ea u t o m o b i l e a u t o m o t i v e p a n e lh a v et ob ee q u i p p e d 耐t 1 1s u c hc h a r a c t e r i s t i c sa st h i nm a t e r i a l s ，c o m p l e xs h a p e s ， c o n s i d e r a b l ep h y s i c a ld i m e n s i o n sa sw e l la sh i g h q u a l i t ys u r f a c e a c c o r d i n g l y , i nt h i s p a p e r , t h et h e o r i e sa n dm e t h o d sc o n c e r n i n gt h er a p i do r i g i n a ld e s i g na n df m i t e e l e m e n ta n a l y s i so f a u t o m o b i l ep a n e la r es t u d i e di nd e t a i la n dd e p t h f i r s to fa l l ，t w or e s p e c t so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga r ei n t r o d u c e d ：m e a s u r ea n d p o s t - p r o c e s s i n g m e a s u r ei st h ep r i n c i p l et a s ko fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，t h a ti s ，g e t t i n g t h es c a n n e dd a t ao ft h ee n g i n ec o v e rb ys c a n n i n ga u t o m o t i v ep a n e lv i an o n - c o n t a c t t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n e ri no r d e rt or e c o n s t r u c tt h e s u b s e q u e n tm o d e l s p o s t p r o c e s s i n gi st h em o s tp i v o t a la n dc o m p l e xp a r to f r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，i n c l u d i n g t h eh a n d l i n go fp o i n td a t a ，s u r f a c ef i t t i n g ，r e c o n s t r u c t i n ga n db o r d e rt r i m m i n g i nt h i s p a p e r , t h ep o i n tc l o u dd a t ag a i n e db ys c a n n i n ga r eu t i l i z e dt or e c o n s t r u c tt h ec u r v e d f a c e t h e nt h r o u g hs e v e r a li n d i s p e n s a b l ef i n i t ee l e m e n ts t r e s s s t a i na n a l y s i so ft h e m o d e lr e c o n s t r u c t e d a l l 也ed a t ac o n c e r n i n gs u c hc h a r a c t e r i s t i c sa ss t r e s sa n ds t r a i n c a nb eg a i n e d b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h eo r i g i n a ls t r u c t u r ea n dm a t e r i a l so f t h ep a r t c a nb em e l i o r a t e d r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，am e t h o do f m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t sc o u l dg a i nt h ec a d m o d e lo ft h ep a r t sa n dm o u l d s ，e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fm a n u f a c t u r i n gt h em o u l d s ， r e d u c em o l d - r e p a i rq u a n t i t y , a n dd i m i n i s ht h ec o s to fm a n u f a c t u r i n gm o u l d sb yt h e w a yo fm e a s u r i n gt h o s ea u t o m o b i l ea u t o m o t i v ep a n e lw i t hs t a n d a r dq u a l i t y t h e r e f o r e ， t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o do f a s s i m i l a t i n gt h eo u t s i d et e c h n o l o g yt oa c c e l e r a t e t h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r y k e yw o r d ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；p o i n tc l o u d ；d a t es u r f a c er e c o n s t r u c t i n g ； a u t o m o t i v e p a n e l ；l i m i t e du n i t a n a l y s i s ； 插图清单 图1 1 逆向工程流程圈2 图2 1零传表面数据采集方法分类1 0 图2 2 激光扫描法测量原理圈”1 8 图2 3 直射光三角法器理图1 9 图2 4 斜射光三角法原理图1 9 鹜2 。激强线扫接测塞覆理爨2 0 图2 6 面三角测蹙法2 l 舀2 ，? 线绣穆光测量物体表甏轮簿结构图2 2 图2 8c c d 摄像机将视频信号转化成模拟的r s 1 7 0 信号2 3 图2 9 数字图像处理系统示意图2 3 图2 1 0f a r o 激光测量甓2 4 图2 1 lk r e o n 激光扫黧头2 5 图3 1 原始点云数据3 0 图3 2r e m o v e 对话框3 0 图3 3 删除多余点云后得到的零 牛点云3 l 图3 4f i i t e r 对话框3 1 图3 均匀化爱躲点云3 l 图3 6 点云网格化对话框3 2 露3 ，7 网格讫以厝豹点云3 2 图3 8 平滑处理对话糕3 2 图3 9 平涝处理薅3 2 图3 1 0 自e b 边界对话框3 3 图3 1 l 产象零件的自由边界3 3 图3 1 2 平丽交线3 4 图3 。1 3 曲钱剖建3 4 图3 1 4 点云的分割3 4 图3 1 5p o w e rf i t 对话框3 s 图3 。1 6 搂食曩熬熬瑟3 5 图3 1 7 曲酾连续性检查3 5 霾3 ，1 8 蠡率棱状瀚嬲 图3 1 9 材料模式下的零件图3 6 耀3 2 0 瑟主鼗率分孝厅3 7 图3 2 1 曲线编辑3 8 图3 ，2 2 光顺3 8 图3 2 3j o i n 对活框鞠 圈3 。2 4t h i c k 对话框黝 图3 2 5 加厚以后生成的实体3 9 鹜3 2 8 泰避雩亍努形编辚戆实傣3 9 图4 1 n e wa n a l y s isc a s e 对话框4 4 闺。2 添麓稼辩对话柩4 4 图4 3 施加了约束和载荷以眉的零件4 6 图4 ，4 计箨对话框4 6 图4 。5 零传的变形和爨动划馈的网格4 6 图4 6y o n 矾i s e s 应力图4 7 图4 。? 零l 譬豹位移4 7 图4 8 图片编辑对话撼4 8 图4 。9 使够云凰4 8 图4 1 0 垂巍方向位移云图4 9 图4 11 排列零件结果图4 9 图4 】2 生成分析撤告的对话獠5 0 滚格清单 表2 1 几种测量方式的h ：较1 3 表4 ，1嚣糖空气阻力酝占弱百分晓4 5 独剖性声明 本人声明所呈交的学位论文炼本人在辟师指鼹下进行的研究工作及取德的研究成果e 握 获囊鲡，豫了交中特裂热戳搽注秘羧漆瓣遮方舞，谵文孛不氛含冀她入己缝茇淡藏攮霉避瓣 研究成果，也不包宙为毅得垒魍王戴杰堂 绒其他教育机构的学位或证粥而使用过的 耪辩。与我露工捧趋瓣恚霹本磷究瑟皴魏鹰露贾激辫基在论文审掺7 骥确懿淡骥劳裘暴潦 意。 学链论文露老签皂： 感斌签字嚣赣：丞葫磊乎舅零罄 学位论文版权使用授权书 鸯学髓埝文捧者毙垒了解垒l 兰冀塞璺有关僚留、使翊学位论文的规定，有权保留并 海唇家骞美姆门蠛掇构邀交论文浆复印转颢磁盎，竞诲论文被套麟窝诺添。本天援蔽趟 王些太耋可以姆学位论文螅全郏躐瓣势内辫编天蠢蓉数据露遴 亍检索，毒溅聚掰影窜、缩 露或扭搓等复雠手段像存、 e 编学餐论文。 ( 保密的学位论文在解密后适州本授权书) 学健谂文俸赣躲恁羹币 签期期；扫垂磊簪翅之9 霹 学位论文作赣毕业后老岛： 作单岱： 通讯遣撼： 导师签辄夏琵 签字蟊辩。嬲善年归彳b 电话： 女缡： 致谢 本论文是在夏链副教授和韩江缴授的悉心指导下完成的。值此论文完成之 舔，我要商我的两像导箨致鞋最诚挚的敬意帮最衷心静惑 鸯 ! 在近三年的研究生学习期间，笼论是在科研工作中，述是在生活中，髑位导 黪都给予我悉心静搔导窝黪爨鼷。两位导簿严谨谈粪静治学态度稻辩学术孜孜遥 求的精神深深影响了我。他们渊博的学识和对学术问题的独到见解，对研究课题 鲍敏锐发瑗秘硬究方囱鲮礁礁把握，郄体瑷了缀寒懿学拳豢莽。 从开始收集与本论文相关资料，一直到论文的完成，两位导师都给予了我无 私的指导和帮助。在选题、开题及至宠成论文的每一个除段，嚣位鼯魉都严辏把 关，并在课题的研究思路上给以具有建设性的意见。对论文的审阅也同样耐心细 致，大到论文的框架，小到一个知识点，嬲使导师都是榉纲心擞阅纠正。同时 两位导师也燕我生活中的老师，他们对人的平和、亲切，对学生的关心爱护，教 会了我坦诚热情的待人处事方式。 藩落王治森教授、租舔老繇、鬻商清老筛、余邀洋老筛在我的谦题研究过程 中对我的帮助和指导! 感澎王建兵、雾建强、菱疑棒、疆治、减勇、麓荣漳等阉学在我静论文撰写 过程中给予的帮助。 感谢烬鹅强撬拣、裁两楚、陵毒捡、苏悫运、张国权、龌静，雾器妹李浇罐等 给予我的帮助。 最厦还爨特别感谢我的父母，照镳们不簿劳苦、侄老任怨魄辛勤付出绘予了 我精神和物璜上的支持，使貔最终得以完成举业。 作者：潘斌 2 0 0 6 年4 月 1 1 概逑 第一章绪论 作为国民经济支柱产业的汽车工业，题一个国家综合能力的重要体现，是国 民经济和现代社会发展不可缺少的组成部分。随着时代的发展、社会的进步，人 们辩汽车产豁越来越高的需求和现代科技进步摧动蓑汽罩工、监的快速发展，汽车 工业蛉援模、汽车产品麴档次帮壤量 冀及掰产暴开发怒力残戈餐量一个圈家生产 力水平的重要因索。 我圈的汽车工业萌芽于二十世纪初，但在= 十世纪前半叶的近5 0 年里，由于 雷际国内函索的影响，整个汽车工监停滞不前，几乎没有仟么发展。新中国成立 后，1 9 5 6 年建成款筵一汽车制造厂裁达到了年生产1 6 0 0 多辆汽车戆生产戆力，有 了设计、研究和制造汽车的队伍，从而标志着中国汽车工业的真正开始；6 0 至7 0 年代，第二汽车制造厂的建成以及南京、上海、北京、济南及熏庆等地规模不等 的汽车制造厂静出蕊，标志中国汽车工盈鹃成长、拄大；改辇开敦戳采的二十年是 我圜汽车工业取锝重大发展的阶段。改革开放政策的实施，改变了鄹越 l l 影响汽 车工业发展的局面。国际合作项圈迅速增加，国际上大的汽车生产厂商纷纷登陆 中酗。1 9 8 3 年，美国的a m c 公司与北京汽车制造厂含作生产“切诺基”轻型越 野车，毒嚣恚善中国汽车产篷抟门户正式开盛；嗣年，德国大众汽车公霹与中国当 时轿车生产基础和生产批量、市场份颓最大的上海客车厂、中国银行及中国国际 信托投资公司合资组建了至今仍是中国轿车工业龙头老大的上海大众汽车有限 公葡，并继续前进，于1 9 9 0 年与汽合资成立了汽大众汽车有限公司，生产“奥 造”轿车 其本兹五卡铃、铃本，美嚣豹摄特、逶躅，法溪翡雪铁蕊等鼙嚣汽车 巨头纷至沓来。到1 9 9 7 年，世界5 0 0 强中2 8 家汽车生产厂有1 8 家( 大多居裁2 0 馒之 列) 舀经进入中国汽车市场，且大多数所占的股权比例达到了中国政府对攘车合 资金蝗乡 方沈铡浙蕊定翡上限。霞际汽车大公司的涌入，键进了中嗣汽车照生产 能力和技术水平有了很大鲍提高【l 】f 2 】【3 l 。 但我们必须清楚地看到中国的汽车工业与国际先进水平的巨大差距。当前的 中国汽车工业与国际先避的汽车工业之问的差距可以所是金方位的，无论在生产 规模、价格、档次，还怒开发能力方蟊都褶对落焉。在我潮普遍受关注丽益发震 最为迅速的轿车工灶是建立在夕 袋技术上、靠弓 进技术支撑的王业体系。匿然8 0 年代后中国就丌始引进汽车生产线，但十几年后的今天，仔细想一想，仍是“无 所大作为”，只是多引避了几条生产线，多戚立了几家合资厂，多引进了几种产 燕。扶菜转意义上讲，与蓉黪先进汽车生产企韭之阉的差爨不稳没有缩小，爰丽 在逐渐拉大i 4 j 。在生产方式方蕊，“柔性生产方式”、“精益生产”、“敏捷刳造”、 “模块化技术”等先进制造披术己经在园外好多汽车擞产企业得到广泛应用，并 且发挥着越来麓大的作蠲。国外各汽车大公司广泛使用计算机辅助技术、虚拟现 实授术，开黢能力大大加强。伴随电子技术、通讯技术和网络技术等高新科技的 大众缝、实粥纯，集多释先进鹩电子产l ；吉和电器予一身、弼络和汽车一律化将逐 步戏为现实1 4 】吐睫饕中国按入w 罩。绘我晷赫汽车肇造数旌麴了燹大熬匿力。因 此，怎样以最快的速度缩短我国汽车工业与垦隧先进水平躲贬大差异，是我们涵 待解决的大课题。 随着改革开放的不断深化和扩大，国际间的交往与合作目益加深，技术引进 也麓之扩大。随之而来酌一个问题是如何深入石并究、消化和暇收这些先进技术， 探索g l 遴产热翡关键按术，并在_ 鹫：麓醚上改进、剖新，开发崮其裔中鬻特色的先 进产品，形成是已的技术体系。 1 2 逆向工程的摄念殿应翅 逆趣工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，是对产品设计过程韵一种描述。在 工程技术人爨的一般擐念中，产爨设计过程楚一个从无裂骞静过程，邵设计太爨 首先在大脑中构思产品的夕 形、性自和大致的技术参数等，然后遗过绘制熙纸建 立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入剔制造流程中，完成产品的整个 设计翻造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。而逆向工程的 产晶设计可醴认为是一个“扶有到无”的过程：它是将实物转交为c a d 模型的相 关的数字化技术、足爨模型重建技术程产鑫铡造技术鹃总称，是将已宥产品或实 物模型转化为工程设计模型或概念模型，在姥基础上对已骞产品遴行躺割、深豫 和再造的过程。简单地蜕，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，爱 向推出产品设计数据( 包插设计图纸或数字模型) 的过程。逆向工程具体流程如 溷j 醑示。 阕1 1 邋向工程流程图 2 “逆向工程”作为学术术语的提出，出现在20 世纪60 年代。而“逆向工 稔”静思维和技术，可追溯虱二战结束焉。二战结束看，战败国急于恢笈和振 兴经济。f 1 本在60 年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代 改进出目，器代占领鏊舔舞场”，筵中奁汽车、电子、竞孥设备和家毫等行监上 最为突出。在应用逆向工程技术上，日本麒有典型性”。： 1 ) 二凌蜃，1 9 5 0 年弱本国民生产蔻傻巍荚鹫貔1 2 9 、法叠魏1 3 8 。嚣蔫， 是世界第二经济强图。 2 ) 1 9 4 5 1 9 7 0 年，弓 进匿9 鬼进技术( 8 0 为专剥、瑟纸) 投资8 0 亿美 元。( 自行研制1 8 0 0 2 0 0 0 亿美元) 3 ) 掌握每项技术需2 3 年。( 自行研剑需1 2 1 5 年) 4 ) 6 0 年代中期，机械工业研究经费1 6 9 阁予引避，6 8 1 用于消化、 改逑。 5 ) 溺本政府推算，采用逆商工程技术，节省约2 3 的研究时间、9 1 0 的 研究经费。 邃入2 0 氆纪年代，遂恳工程技末开始雩| 起备国工效界的学零界的黼度重 视。从此以后，有关逆向工程技术的研究与应用就直受到政府、氽业和个人的 关注，特别是随着裁钱诗冀糗技术及溅量投零魏发溪，餐麓c a d c 勰技术、先遴 制造技术来实现产晶实物的逆向工程已成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成 为逆肉工程技术应耀弱主要遗容。 在产品造型同髓多元化的今天，逆向工程已经成为产晶开发中不可或缺的一 环，其应用范围主蘩包括以下几个方露”1 。 1 ) 在辩产品外形的美学有特剐要求的领域，为方便评价其美鬻效果，设计 师广泛利用油泥、黏士或木头等材料进行快速且大纛的模型测作，将所要袭这憨 意图以实镩静方式鼙现出采，而不怒采丽在计算机群幕上缩小比例的物体投视图 的方法。此时，如果根据造型师制作出来的模型快速建立三维c a d 模型，就必须 雩| 入逆鑫工程。 2 ) 当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向一程的 方法，毙翅魅天靛空、汽车等赣域，蔻了满足产品辩空气动力学等豹要求，酋先 要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符 合要求的产熬模型。毖类产黠透鬻怒密复杂戆叁鑫熬嚣捞接 嚣残豹，最终确认鹃 实验模型必须借助逆向工程转换为产品的三维c a d 模型及其模具。 3 ) 在没有设计鼹纸或考设计匿纸不完整以及没蠢c a d 模型懿陵嚣下，在对 零件原型进行测量酌基础上，形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据生 成数控加工的n c 代码或快遴原型加工所需鲍数据，复制一个媚冠的零馋。 4 ) 在模疑行业，常需要通过反复修改艨始设计的模具溅面，以得到符合要 求豹穰其。然两这照死掰羚形静改黛帮茳往来管藤瘴在原始黪c a d 模型土。借驹 于逆向工攫的功能和焱设计与制逡之闯扮演的凳色，设计赣现旋可默建立或修改 在髓造道疆孛交受过黪设诗摸墅。 5 ) 搬辩物品很难用基本几何来液现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及 不瓶则线条等，如暴剥援邋鼹c a d 软俘、默歪游设计浆方式采鬟建这些貉俸豹 c a d 模型，在功能、遗发霓精度方嚣鄂嬉雾常邈滚。在这耪场会下必须弓l a 遂囱 工程，潋魏速产鑫设计，降惩开发鹣难度。 6 ) 逆向工程在新产品开发、剖新设计上同样鼹有相当高的成用价值。为了 研究上的镒求，许多大企业也会运用逆向工程协助产品研究。如嚣鼹现代汽率在 发鼗汽车工照毒l 遣露，辫参考基奉h o n d a 茂车设计，薅宅熬备黪工穆经壹逆怒工 程逐原成产品，进行包括安全测试在内的各炎测试研究，协助现代的汽车设谴谢币 了解霜系车辆酶设计意愿、怨法。遨照一个罄于邋淘工程的典黧设计过程：潮罔 逆恕工程技术，可以蠹按在强有的露魄雏先避产赫黝基础上，避行结果性能分糖、 援嚣模型嫠槐、霉鬟诗饶讫与整l 遣、壤毅舅浚避辫虫癸先进稳产鑫秘羧泰，掇大 的缩短产黼开发周期，有效地占领市场。 7 ) 逆趣工程毽广溅用予掺复酸镄文憋、艺术黼、缺乏撰发豹壤窍零秽镣。 监辩，不爨器复索整个零传，只是辔黯遂氪工程攮零接取爨寒零彳警浆设诗黪憋， 臻予獾导籁酌设诗。 8 ) 特种服装、头赫的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，满耍 首先建立人体的几何模测。 9 ) 程r 麟懿庭溪皆，暹逮工程鹣蕞主要表鬻囊：遥过遵翔工程，豸叛方嫠 地对快速源溅制造豹艨溅产品进行快速、准确的测爨，找出产晶设计鹣不怒，进 行耋新设诗，经过蔽笺多歇迭代可使产品完善。 现代避肉工程技术除广泛应用雀上述鲍汽车工救、簸天王渡、毫陡械工业、瀵 赘整电予产菇等死令簧统痘强领域舞，也开始庭妫予休耀爨零方霖，篦蟊爱予立 体动画、多媒体虚拟实境、广告动画释：另外在医学科技方谢，如人体中的骨头 秘关节等麴畿割、骚黢臻l 遮、久体夕 澎爨瓣、箧疗嚣辘裁痒等，畿套箕应蘑价值。 1 3 图内夕 攀鸯设诗羧零璃靛 汽车车赡是汽车三大总戚之一，在汽车新产晶开发中，作为最活跃的举舟变 革越来越受划人们关注，由率身决定的汽车形象是瓤褥市场竞争的营要和最嶷接 蕊嚣豢e 戮痰羚汽擎生产懿实践褥滚臻：熬车叟产裁力取浚予车巍生产黥力， 汽车瀚更新换代在很大稷度上也决定于车身。在麓本率型达到镪和的情况下，只 有姣籁车舞敬型或改装才髓打开镑鼹，由忿磷见车势猩汽车工她中占有举足轻重 的进位。假在车身的设计技术方面，戡国冠世界上先遴水平槌魄，仍枣在缀大鲍 差距。 点 在概念设计方面，概念设计在渐车开发中非常重要，许多嫩大的带有决策性 的问题都疆在这一阶段勰决。为了占领市场，国瞬上著名的汽率公司都非常重视 裰念莰诗。逶遭霹枣塌翥求、法溪、竞争对手秘突争车鼙静谈褰调查瑟羲溅，礁 定所开发的新产品的性能、质量和成本，勾画整车和车身的轮廓。利用方便的计 算机网络和其它通讯工具，让用户参与设计，这样就能生产出适销对路的产品。 严格的讲，筏国的车身开发没有按概念设诗的理念秘程痒寒送行，市场调套不够， 定位不演，再热土开发髑赣较长，移致菡不莪程侩当翁时候掇潞恰当的产黼而销 售不畅。同时，由于概念设计的科举性、完整性和深入性不够，给后续的详细设 计带来许多麻烦和不确定因素。 在车嶷造型方嚣，阉癸丈汽车公霹及设诗公镶娶毫建立了裰当撬模赘袋套豹 软硬俸系统，用三维c a d c a m 较术替代了传统的“主图舨、主模型”设计技 术。汽车工业作为国窳的支柱产业，一直是c a d c a m 技术成用的先锋和大户。 进入9 0 年代后，国际市场竞争更加激烈，汽车公司对c a d c a m 技术魄需要更加 追切。国外大汽车公司及浚嚣公嚣充分羁用诗冀税技术帮瓣终技术鞠成暴，雳 c a d ，c a e c a m 技术来提高产品质爨，缩短开发周期。同时采用并行工程( c e ) 、 智能制造系统( i m s ) 、敏捷制造、快速原形技术( r p ) 、虚拟产品开发( v p d ) 等新的生产方式。美潮掇特汽车公蠲在c a d c a m 技术方嚣赴予馍先逮谴，晕在 8 0 年代鞠藏着手c a d c a m 系统匏攒戈4 ，建成了以_ i 作站为主的环形网络系统。 - 至l j 9 0 年代全面实行产晶开发的c a d c a m 技术应用可达1 0 0 。德国各大汽车公司 主要采用c a t i a 作为c a d c a m 系统的主导软件。1 9 9 4 年，德图大众集团决定用 c a t i a 耪p r o e n g i n e e r 佟菇褥寒开发凝车型鲍主警c a d 系统。与蘧弱鼓，嚣零、 法国等豳的汽车公司也广泛深入地邋用先进c a d c a m 软件，实现了设计制遗模 式的变革。尽管我国汽车行业在c a d c a m 方面取得了很大进步，但还没有澎成 一个完整的系统，在某魑环节还是采用陈旧的生产方法，在应用深度和广度上丽 鏊努先逡承平耱院还鸯经大酶差蓬晚 逆向工程技术作为种吸收先滋技术的有效手段，是世界备国充分利用憋个 人类智慧的有力工具，熙有起点高、步伐大、周期短等特点 9 】，对迅速提高我国 车身设计技术寿着重要戆褒实和长遴懑义。霆翦擎赛豹设计开发主要有戳下a 耱 方式：薪产箍设诗；产晶改型设诗；测绘设计；系列设计；邋向设计。 1 4 支撑邋向工程发展的关键技术 理在与寒寒，支撑滋囊工程发矮熬关键技拳爨f l o ： 1 ) 计箨机辅助集娥技术 计算机辅助设计和制造技术，在汽车行业中的应用已有3 0 多年，但作为计 算机辅助集成技术( c a x ) ，却是近年发展起来的，井褥至i 不断深他和延伸成髑。 c a x 包菇：诗算祝赣韵恣黧( c a $ 、诗簿瓶辘韵设诗( c a d ) 、诗冀辘辖动翻造( c a 国、 计冀辊辅劲工程分轿( c a e ) 、计算税辅助试羧( c a t ) 、诗算梳辅劲质爨检溺( c a i ) 、 计算机辅助工艺规程编制( c a p p ) 、产品信息管理( p i m ) 、产品数据管理( p p m ) 等等。 c a x 实舔主是糖多元纯豹诗舅祝辖韵技术集成起来，复合蠢渗漏遣避李亍工 作，除了在产品设计时，设计部门工作外，菇他各部门也可以提前介入，并行作 韭，茏霉等铸主一遂俸监突袋爱，方秀始下一遭痒渡，大大缝短了开发霹鲻 弱 时，在产品设计早期，能很好地考虑到产品生命周期的各种因素，提前发现设计 上的错误和误差，及黠进行修正以及可默奁设计过援中，按照枣场驰霉求，不叛 提出可比较的多种设计方案，从而获最得优化的设计成果和效益。如1 9 9 3 年美 国克莱斯勒公司的“彩虹”轿车的设计，就是全过援实幸亍无纸毒匕设诗，仅开发恩 期辩缩短了3 1 个月，这是e a x 首次进行的大演习。 2 ) 虚拟现实技术 纛攒璜突按术汇集了现代多媒体、人工籍能、入机多缀界面技术、传感器技 术等离科技，并通过人的视觉、听觉、触觉、手势或口令，实现人、机行为一体 耽豹傣惑窆潮，形成一种遥囊的、韵态静、多维豹纛摈模耋，实现汽车产晶豹设 计工作。 涯年来，虚掇珑突菝零涎较多遗寝震到汽车设诗工俸中。在2 0 瞧纪8 0 年代 末，应用的是桌面虚拟现实系统，一般在工作站上工作，属于初期阶段；2 0 世 纪9 0 年代中期，采耀沉浸式寝搂瑰实系统，应怒各耱体验器，聚合凌垂，驻示 出l ：l 的汽车虚拟形象进行设计操作。一些跨国汽车集团融试行分布式虚拟现 实系统，可在网络环境中，充分剥鼹分布在墩爨各越蕊势瓷源，协弱进嚣蠢动 性酾产品设计，甚至请顾客在融洽的气氛中，共同探索汽车产品的开发。虚拟现 实技术在汽车行业中，已初步形成一种专业理论、工稷设计、科学试验等较为完 整静波蘑俸瑟，发震前景非常好。汽车界入士预测，不久的将来，它可能将计算 机图肜界面淘汰，就像当年图形界面把单词带符界筒推下计舞机屏幕一样。 逐年，法溺雷诺汽车公司应翔全惫援术豹虚掇现实系统，具有檄好的可褫纯 水平，将成为虚拟现实技术的另一分支。 3 襻经阏终系统 神经网络系统是幽代模糊控制系统的一个重要分支，近年来在汽车产品设计 中褥到较为广泛的研究和应鼷。耱经燃络系统帮簧统瓣诗冀凝结橡与程_ 亭是滔耱 性质不同的体系。传统计算机数学模型的逻辑程序，不能适威高度复杂性和不确 定性的信息识别和处瑷熊力，蕊神经嬲络系统则鞋人藏愚维为参鼹，露戳攫羧人 的思缀活动，实现人工智能控制。 当前t 神缀网络系统已部分应用谯汽车产器上，擞正在磺巷在汽车空谖蓑统 上，疯蠲神经佟感器，通过测定每一聚客的皮肤，即可判断每一个乘客对空调的 适应状况，以形成不同温度和气流的空气场。 汽车专家颓测，当蓊，稀经秘络系统躬发展正进入一个新的时期。目前，高 6 度集成化的神经网络芯片、神经元处理机、神经系统计算机等产品，越来越娥似 人的感知抉策行为，鞭潜更高层次的锻能模拟目檬暹近。 4 ) 翔竣工程 汽车零部件系统懿成和模块化供货，已成为困内外汽车主替企业产品开发的 通行办法。当前，国际汽车界正兴趔种知识工程模块，它将成为汽车产品开发 最活跃的一个组成部分。 美嚣赫遵稻大学费摄魏舞教授说：“絮识互褪是久寒j 积凝瘫焉经验霸繇瓣， 以解决问题为前提，并岛人工智能结合在一起，所搿成的一种研究和应用领域。” 当前，国际汽车界的产、学、研部门进行了广泛台作，致力于知识工程模块的研 发工捧，英圭要特点楚：箍牙其有鲜鸥懿麓赣窝翘前淫熬产鼹；积极建立汽车零 部箨知谈工程模块熬知识痒和高级牧件的研发：碰用虚损仡方戏，协调汽车铡造 商和零部件制造商之间的协同、组合、可塑、合成工作，实现同步工程，致力于 提高汽车产品开发的水平与效率。如全球车辆爨动定位与导舷系统，先进鲍牵辘 控裁与安全系统，安全气囊系统、车辆簧恚与遵诹系凌等。 5 ) e r p 与e r p 2 e r p ( 搬业资源计划) 是在2 0 世纪9 0 年代推出的。它以供艨链管理思想为基 礁，是应臻蕊代售患按术静一穗管理体系。当藏，嚣羚主要汽车金数a 乎郝在痤 翅，萤囊鑫蠢翁多家汽车与零部箨垒韭在积极雄杼。翔粟说辩汽车产品开发工 作比作一辆汽车，那么e r p 就好像一条平坦大道，使汽车能畅濑m 无阻，快速邋行。 e r p 对汽车产品开发的作用，是立足于更广泛的始度，集成挞个开发过糕的 筷瘦链资源，程逆流黎璧缀，实鬟滚程堰篷，鸯弱予在薤对颡内鼹菝赣产暴避天 市场，准确媳有效遗满艇用户韵需求，尽最大可能实现产品开发的经济效益。 e r p 的开发商蘸国g a r t n e r 公司称，为实现更大范围熊成资源的下一代 e r p 系统e r p 2 ，已在2 0 0 4 年阅世。e r p 2 可以理解为秘固窝务豹_ _ 转模式，其特 熹是毒糕予扩大趣子囊务翁终焉，盘一个金监鹣缴寝集或走秘社会毒 二帮群体集 成。 6 ) 分柑式网络 基蘸，辫袁矫汽车企蛙蘩参与各辩丽络活魂，这已成尧汽车产品开发的一个 重要手段。 从当代计算机网络的结构和层次上看，分布式网络构成了主导形式。客户机 与服务器系统，是属于分布式网络舱计算模式，在这种局域嘲巾，服务器像个 丈仓痒，工律避要藩惑，簸鼓仓痒孛搬，这个仓瘁靛“存货”搬蜜熹，薅终哥黻 转到另外的仓库中搬赞，这种反复的信息交换和摊淑，充分发擢了网络效率，各 个汽车厂家都乐于采用。 在分礤w 式因特嬲、怒域鼹孛，推出测览器与黢努器稆啜终聚绞，键使信惑仓 摩存量激增，嚣虽虚熬纯，是不容彝搬完熬，胃熬淡它是一巾黼络痒，氇怒分帮 式网络的一种特殊结构。 还要说鞠，汽车设计簿由予个人的专盈、爱好不阕，所懿往往在本部门丽络 之步 ，建立爨邑静令人嬲鞠家嶷网。只鹰实季亍个性纯豹鄹络结梅，才能更好遣皲 取丰富多彩的信息资源，更好地发据人们的键慧与创造力。这基形成一秘计算机 网络文化。 1 5 课题的实施背景秘主要走餐 在汽车的舞发积生产中，车身都分鹣市场生存壤甥最短，变纯最频繁，设计 和生产的周期最长，罴汽车产品开发的瓶颈。车身的设计细生产决定饕汽车厂家 能否以最快的速度、最低的成本推出市场上所需的产鼎来占领市场。在激烈的市 场竞争下，为了满足不断变化的用户口味，汽车车型的市场生存周期不断缩短， 目前国际上一种率鍪酌市场生存周期平均为3 5 年，而日本轿车车篷的市场生存 周期只有2 。3 年f “l 。穗魄之下，汽车产品中静其它总残静市场生存溺麓蒙院车身 要长褥多，曼示出提对稳定蛇状态。如汽车黪底盘等内部零都l 牛熬枣甥生存周鬃 般在1 0 年以上。汽车车身成为汽车开发中最宦潜力的一个生长点。 车身覆盏件是指构成汽车车身绒驾驶室、覆盏发幼机和底盘的薄金属板料制 戚的异形体表面和内部零件。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内 部形状，它既建矫蕊装饰槛零俘，又燕封闭薄壳狄的受力零件。覆盖侔占车身7 0 以上，是汽举车身刳逡的关键环节h ”。覆盖彳孛材料薄、形状复杂、结构尺寸大、 褒匿质量要求裹。因其重要性和4 专殊蛀，通常燎它从一般抟压馋孛分离逡寒趣默 单独分析研究。覆盖件作为汽车的璧要组成部分，是汽车的整体性和形象的最 熏要的决定因素之一。其主要性能要素有【12 】【1 3 l 。 1 ) 表面质量：在阁户对产品的疆求日益“挑剔”的今天，良好的表面质量 笼疑怒啜引焉，盘最赢接酶爨素。任褥波纹、拆皱、鹜液、擦伤、边缘拉痕等微小 缺陷在喷漆惹郯会弓l 起漫发射嚣影蟪汽车戆荧理；装饰棱线霹髂条不潘淹、不平 滑，左右不对称，过渡不光浔，都憋影响汽车的形象。 2 ) 几何尺寸和曲面形状：出于结构和美观的凄求，覆盖件大多都形状复杂， 多为立体曲面。因此，几何尺寸和曲面形状必须符合设计要求。 3 ) 刚住：覆蠡件潮往差会诤致汽车高速行使时产生搬动而发出空洞声，进 嚣降低其使用寿翕。 4 ) 工艺性：覆盖件的冲匿挫在大多数壤毯下都是戳拉l 牵为先决条俘的， 覆盖件一般都采用次成形。为了实现拉伸，一般要将翻边展开，塞口宰 瀵，逐 要进行工艺补充。 本文利用合肥工业大学机械与汽车工程学院机械工程中心实验室引进的 k r e o n 激兔季j 攒系统，戳c a t i a 为软件平台，探讨和用逆向工程这先进的技术 手段袋解决汽车覆蓬 串在抉速黎型设计及有羧元分析涟程中静一些淘瑟，提高覆 g 盏髂产黯懿辑发效率，热遮汽车工数熬发攫。 根据课题的臻求以及生产实践需求，本论文主疆研究内容如下； 第一章主要叙述了我国汽车工业的现状及发展趋势，逆向工程技术作为一种 蔽牧先避技术的裔散手段瓣援高汽车产品静设计制造水平的羹要往及迫切性，介 缨了支撑逆肉工程发展豹关键技术，阐述了途文谋鼷懿囊憨背景及主要内容。 第二章主要叙述了接触式和非接触式两大类数据采集方法，具体对几何模型 的各种主要形式进行了介绍，研究曲面重构的瑷论和方法，特别针对在逆向工程 中主要瓣置晕牵瑟瑟褥逡方案，蓠簧介绍了备种典型赘满量原理，分析得如适含本 次设计的测爨方法。 第三章主要通过对逆向工程后处理的研究，使用逆向工程技术对汽率覆盏件 进行快速原黧设计来研究冀在工程领域的应用及其相关问题。具体以瑞风汽率覆 盏牛为铡，采瘸美毽豁f a r o 激光溅量譬采潼蘑静k r e o n 激光摇摇系统( 邋距扫稽) 组成的激光搦描设备，逆向软件应用法国达索公司的逆向工瑕软傅c a t i a 。在 c a t i a 的d s e 模块中导入采集到的零件点云数据，通过数据预处理、测擞点云数 据笳分割、稿面撅合和重构三个阶段，实现实物产晶的快速原型设计。 第嬲牵主要邋过c a t i a 较搏分毒厅攘块对重新建立豹模型遴行一擅必囊静分 析，以期使之在结构等方面获得优化，具备更好的性能。本论文主要使用单个零 件的有限元分析模块( g p s 模块) ，对通过逆向工程建立的零件模型进行初步的 痘力应变分橱，获褥零彳牟在应力应变方面的性能数攒。 第五牵主要对本瀑题进行总结和鼹望。 1 6 本章小结 本章麓洼地叙述了我晷汽车工韭豹发黢历獠及羹要毪，遂淘工糕静溉念及应 用，国内外汽车工业的现状以及来来发展的趋势，国内舢汽车率身设计技术的比 较分析了我国汽车工业面临的严峻形势，指出了逆向工程技术对提高汽车产品的 设诗隶i 这水平，缩短国内外差距酾重要往及迫切性，并对支撑逆向工程发展的几 个关键技术进行了叙述，阐述了论文课题懿实熬背景及主要悫容。 第二章逆向工程的数据采集和测篷原理 2 1 零件表面数据采集方法 逆向工程中，数据采集是关键的一步，只有获得测爨数搬，才能进行下一步 的逆向工作，如复杂曲面的建模、误差分析、制造等等。因而，如何高效、高精 度媳对样件袭面数据加以采集，一窟是逆向工程的主要研究内容之一。随着传感 器技术、控耩技术、计算梳技术、工监c t 技术和稍造技术等相关技术的发展， 出残了各季孛各样麴数字毒艺技术秘方法。根撂数字化设各游数据采集方式，数蕹采 集技术可分为接触式数据采集和 # 接触式数据慕集穗大类 14 】【1 5 】【1 6 1 。 【表露数字纯方法j l 接触式 接触式 光学式 # 光学式 齄发式连续式 一 激光扫描法 l- - 1 c t 测霪法l - i 鳞掏巍法 l- tm r i 溅萋法 一 激光干涉法 j ，- i 层祈法i 计算机视谥法j 翻2 ，1 零件表面数据采集方法分类 获得密集的测量数据称之为“点云”。接触式方法主要有基于力变形款触发 式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。而非接触式方法生 饔有激光三角铡量法、激光铡躐法、光干涉法、结构光学法、图像分析法、断层 扫摇法等。 2 1 1 接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括纂于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数 据采集、磁场法、超声波法等【j 7 1 f 1 8 】。 1 ) 簸发式数攒采集方法 触发式数据采集方法最早黑于长度羹梭溅，英原理为