运用逆向工程的空调器钣金件CAD建模及数值模拟.pdf

C A D C A E C A P P C A M 现代制造L 程 M o d e r nM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 2 0 11 年第6 期 运用逆向工程的空调器钣金件C A D 建模及数值模拟 李苏洋1 成思源1 章争荣2 郭军3 1 广东工业大学机电工程学院 广州5 1 0 0 0 6 2 广东工业大学材料与能源学院 广州5 1 0 0 0 6 3 广东美的集团商用空调事业部 佛山5 2 8 3 0 0 摘要 利用 二维扫描系统财某空调钣合件进行数据采集 并对采集数据通过点云预处理 特征曲线生成和曲面重构等关 键逆向r 程技术 最终获得产品的C A D 模型 对该重构模型的冲压过程利用D y n a f o r m 软件进行数值模拟 根据模拟分 析结果修改I 艺参数 以得到合理的丁 艺设计方案 为模具设计 提供依据 关键词 逆向 程 模型重构 冲压过程 数值模拟 中图分类号 T H l 2 T G 3 8 6 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 1 0 6 0 0 6 0 4 C A Dm o d e lr e c o n s t r u c t io na n dn u m e r ic a ls im u l a t io no fa ir c o n d it io n e r s h e e tm e t a lp a r tb a s e do nr e v e r s ee n g in e e r in g L IS u y a n 9 1 C H E N GS i y u a n l Z H A N G Z h e n g r o n 9 2 G U OJ u n 1F a c u l t yo fE l e c t r o m e c h a n ic sE n g in e e r in g G u a n g d o n gU n iv e r s it yo fT e c h n o l o g y G u a n g z h o u510 0 0 6 C h in a 2F a c u l t yo fM a t e r ia l sa n dE n e r g y G u a n g d o n gU n iv e r s it yo fT e c h n o l o g y G u a n g z h o u51 0 0 0 6 C h in a 3C o m m e r c ia lA ir C o n d it io n in g D iv is io n G u a n g d o n gM id e aG r o u p F o s h a n5 2 8 3 0 0 G u a n g d o n g C h in a A b s t r a c t D a t ac o l l e c t io nisc a r r ie do u tf o rac e r t a ina ir c o n d it io n e rs h e e tm e t a lp a r tu s in g3Ds c a n n e r a n ds o m ek e yr e v e r s ee n g i n e e r in gt e c h n o l o g ie ss u c ha sp r e p r o c e s so fp o in tc l o u d s c h a r a c t e r is t icC H I V eg e n e r a t io na n dc u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t io na r eu t i l iz e df o rt h ec o l l e c t e dd a t aS Oa st oo b t a int h ef in a lC A Dm o d e l S u b s e q u e n t l y n u m e r ic a ls im u l a t io no fs t a m p in gp r o c e s sisim p l e m e n t e df o rt h er e b u il tC A Dm o d e lu s in gD y n a f o r ms o f t w a r e B a s e do nt h es im u l a t e dr e s u l t s p r o c e s sp a r a m e t e r sa r em o d if ie dt oa e h ie v ear e a s o n a b l ep r o c e s sd e s ig n w h ic hp r o v id e sg r o u n d sf o rd ied e s ig n K e yw o r d s r e v e r s ee n g in e e r in g m o d e lr e c o n s t r u c t io n s t a m p in gp r o c e s s n u m e r ic a ls im u l a t io n 逆向工程 R e v e r s eE n g in e e r in g R E 亦称反求工 程 足将实物模型转换到C A D 几何模型的过程 1 引 即 针对现有产品采用三维数字化测量系统反向推出产 品的设计图样 改变了从图样到实物的传统设计模 式 为产品的快速开发和创新设计提供了一条新途 径 R E 广泛应用于机械 航空和汽车等工业领域 逆向工程主要用于 1 在缺失设计图样或图样不 完整的情况下 通过逆向工程还原样件的C A D 设计图 样 实现产品的加工仿制 2 对重构的C A D 几何模型 通过C A E 分析 找出现有产品设计的不足 并进行改 进和再优化设汁 得到满足市场需要的新产品 图I 所示为逆向工程的基本设计流程 由图I 可 看出 逆向工程主要由3 部分组成 零件表面曲面的数 字化 C A D 模型重建 产品或模具制造 1 I 图1逆向工程的基本设计流程 本文以某空调器钣金件为例 此零件是板料冲 压件的典型代表 零件长为6 6 0 m m 宽为2 5 9 m m 板料 厚度为0 8 m m 由于该款产品制造时间较早 零件的 C A D 模型和模具图样已缺失 另外 模具长时间使用 磨损严重 零件精度已不能满足生产要求 因此 采 用逆向工程技术对该零件进行反求设计 通过逆向测 广东省教育部产学研结合项目 2 0 0 9 1 1 0 9 0 3 0 0 0 4 4 广东工业大学校博斗 启动基金资助项目 4 0 5 1 0 5 0 1 5 4 6 车苏洋 等 i用逆向工程的宅谓器钣盒件C A D 建模厦数值模拟 2 0 1 1 年第6 期 量和数据处理 承构r 产品的3 D 模型 在此基础上 对模型的成形过程进行数值模拟 根据仿真分析结果 修改和调整模型的工艺参数眦得l U 合理的设计方案 从而为模具设计提供参考 1 零件的反求设计 1 1 数据采集和点云预处理 数据采集是逆向工程的首要环节 高教 高精度 地实现样件表面的数据采集足实现逆向工程的基础 和关键技术之 数据采集方法阻测最目 测量方式 的不同分为接触式和非接触式 接触式测量一般是 利用各种探头进行数据测量 非接触式测量士要是 基于光学 声学和磁学等领域中的基本原理 将一定 的物理模拟虽通过适当的算法转化为样件袁面的坐 标点 本文采用德国S t v in b ie h l e r 公司开发的C O M E T 光学测量系统对空词钷金件进行测量 属非接触式测 量5 浚蹬备潮量精度高 速度快 能测量轮廓复杂 的产品 且不受产品材料软硬的限制 三维数字化扫描得到的原始点云数据如图2 所 示 由于在测量过程中进行多次扫描 重合点较多 得到的点云数据量非常庞大 需要对原始点云进行预 处理 包括多视拼舍 喙点过滤 数据简化 数据补缺 和 莆网格化等 点云预处理是反求过程中的关键 环节 其结果直接影响到后续的曲面重构 将精简后 的点云数据存为 G E S 格式或S T L 格式的文件 圉2 原始点i数据 12 C A D 模型重构 曲面重构是逆向工程中最为重要的环节 选一环 节处理是否得当直接影响最终C A D 模型的质堆 采 用G c u m 峭c 软件对点云数据进行后处理 谈软件是目 前广泛应用于三维曲面重构的功能强大的逆向造型 工具 它以曲面构建理论为基础 能快速地整理曲面 点云数据 自动产生阿格 可精确构建任意复杂的曲 面模型 得到高品质的王维模型产品 创建精简后点云的多边形特征曲线 并进行光 J 顿处理 G e o m a g ic 软件根据多边形数据进行曲率计 算和特征提取并自动拟合成N U R B S 曲面 包括模 型的轮廓线生成 构造曲面片 编辑啦面片 构造格 栅和N U R B S 曲面拟台 牛成N U R B S 曲面后 输出 为I G E S 格式的文件 供P m E U G 等C A D 软件做进一 步修改 生成最终的C A D 模型 重构的C A D 模型见 罔3 剖3 重梅的C A D 幢型 2 零件冲压成形的数值模拟 2 1 冲压工艺分析 I l 零件结构可知 主要成形部位为个人梯形拉 深凸台 三个长方彤凸台和一个半圆形拱台 制件精 度要求不高 但要术表面不能有拉裂和起皱 且冲压 过程中要有足够的变形 若变形不够会造成制件刚度 不足 在空调运行时中隔板可能因刚度不足产生振 动 引起噪声 同时振动也会影响空谢器寿命 分析井确定空调器中隔板的冲压上艺为 I 落 料 2 拽探 3 切边 4 弯瞳 5 翻边 22 有限元模型 将重构的C A D 几何模型导入到专用的板科冲胜 成形分析软件D y n a f o 珊57 中 利用自动划分刚格上 具使其自动生成网格 并通过偏置分别生成叫模和凸 模单元 由于该零件凸台两侧的4 个小孔最后冲出 不影响板料冲压成形的结果 因此在有限元分析刊算 时忽略不计 对其进行网格填充 选用成肜材料为 D X 5 2 铜 其主要性能参数 杨氏模量为2 0 7 G P a 泊松 比为02 8 硬化指数为02 强度系数为6 0 0 朋服强 度以 2 7 39 M P a 抗拉强度吒 3 5 0 M P a 厚向异性系 数r 0 4 5 r g O 分别为I7 9 2 和20 6 4 7 加l I 午第6 期现代制造I 堆 M d e mM a n u m c I u n E n s n a r in g 冲压成形粪刊为单动 即凹模在上而 雎边圈和 凸模在F 面 有限兀模型的边界条什 毛坯与模具问 的接触摩擦陶数为01 2 5 接触间隙c 札5 t 饭料厚 度 08 m 初始压边力为2 0 0 k N 冲头运动速度 为4 0 0 0 m r a s 23 模拟结果分析及工艺参数修改 零件的成形极限图 如蜀4 所示 由图4 可知 大 郭分区域赴于安全状态 严重起皱部分基本分布在 切边余量上 对产品质量没有影响 但局部有起皱现 象 半圆形拱台的侧壁出现拉裂 起皱可能是由于压 边力过小 无法有教地控制材料流动 导致制件产生 压缩失稳发生起皱 变厚 增大压边力是减少和避 免起皱的 三要手段 但压边力过大会使零件的拉裂趋 势明显增加 拉裂可能是由于凸台圆角半径月过小 R 4 1 m m 导致圆台周围材料流动速度 1 均衡 远 离圆台侧擘材料的流动速度大于圆台侧壁材料的流 动速度 耐圆台区域的变形嚣太 导致成形时材料得 不到及时补充而拉裂 因此 补教方法 增大圆角 半径以控 5 j 材料流动速度 2 增i殳拉延筋和控制压边 力 以改变进料阻力 改善材料局部流动 提高零件成 形质量 本文采取方法2 即通过增设拉延筋和改变 压边力的大小来控制材料的流动情况 修改后模型的 压边力为3 0 0 k N 拉延筋设置在凹模的压料谢上 圆台 周围不设拉延筋 拉延筋的谩计如嘲5 所示 1 幽4 零件的戚形槛限阿 一 罔5 扎延筋的设计 24 修改后的模拟结果 修改工艺套数后模犁的成形极限图如图6 所示 由图6 可知 成形质最比较理想 材料基本h 得到r 有 效形变 与圈4 的模拟结果相比 图4 所示零件边缘 部分由于拉伸不址 材料未能得到有效形变 图6q i虽 然凸缘部分起镳现象更明显 但材料拉伸不足得到了 很大改善 证明材料得到了有艘形变 由于此部分材 料在最终工序需要切边 因此对产品质钎无任何影 响 图6 中零件部分无任何起皱及拉裂等缺陷 冲头 部位轻微起皱的面积也很少 3 结语 目7 加拉g 筋后材料的厚度分柑剖 1 刺用逆向下程技术介绍r 菜宅调器钣金件山 实物模型 成c 1 模型的基本世计流程 使该款老产 下转第5 7 页 蔡祥文 等 基于平顺性的油气悬架参数动态分析与优化 2 0 1 1 年第6 期 系统参数的动态联合优化设计 该方法为其他类型 的非线性悬架系统的动态优化设计提供了借鉴 参考文献 1 卢剑伟 陈解 王其东 平顺性仿真驱动的板簧承载式悬 架参数优化 J 系统仿真学报 2 0 0 7 1 9 2 1 5 0 2 5 5 0 2 9 2 丁玉庆 汽车振动系统动态参数优化 J 天津理工学院 学报 2 0 0 2 1 8 4 9 6 9 9 3 江洪 周文涛 李伸兴 考虑客车平顺性的悬架参数优化 设计 J 工程图学学报 2 0 0 7 6 1 5 4 刘晶郁 王少赠 蔡红民 重型载货汽车悬架的优化设计 J 长安大学学报 自然科学版 2 0 0 8 2 8 5 1 0 3 1 0 6 5 张太平 非线性油气悬架振动系统研究 D 大连 大连 理工大学 2 0 0 7 6 童钧耕 吴孟余 王平阳 高等工程热力学 M 北京 科 学出版社 2 0 0 6 7 成大先 机械设计手册 M 北京 化学工业出版 社 1 9 9 3 8 邹游 喻凡 孙涛 非线性油气悬架的平顺性仿真研究 J 计算机仿真 2 0 0 4 2 1 1 0 9 赵研 方宗德 寇发荣 非线性汽车悬架系统建模与仿真 研究 J 机械科学与技术 2 0 0 6 2 5 4 4 8 4 4 8 6 1 0 全军令 李威 非确定性参数对油气悬架系统性能的影 响 J 起重运输机械 2 0 0 7 1 1 4 9 5 2 1 1 毕凤荣 郝志勇 谢庆森 等 汽车悬架系统非线性阻尼 的优化设计 J 天津大学学报 2 0 0 2 3 5 1 7 8 8 2 1 2 崔胜民 姜立标 倪强 6x 6 越野车前独立悬架的参数 化设计 J 现代制造工程 2 0 0 7 9 6 2 6 4 1 3 I n t e r n a t io n a lS t a n d a r dO r g a n is a t io n M e c h a n ic a lv ib r a t io n a n ds h o c k e v a l u a t io no fh u m a ne x p o s u r et ow h o l e b o d yv i b r a t io n P a t t i G e n e r a lr e q u ir e m e n t s I S 0 2 6 3 1 l 1 9 9 7 E 1 4 S u nL u O p t im u md e s ig no f r o a d f r ie n d l y v e h ic l es u s p e n s io ns y s t e m ss u b j e c t e dt or o u g hp a v e m e n ts u r f a c e s J A p p l ie d M a t I e m a f ic a lM o d e l l in g S 0 3 0 7 9 0 4 X 2 0 0 2 2 6 5 6 3 5 6 5 2 1 5 余志生 汽车理论 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 0 1 6 S F 3 3 9 0 0 电动轮矿用自卸车样本资料 作者简介 蔡祥文 硕士研究生 研究方向 车辆整车性能分析及优化 谷正气 教授 博士生导师 研究方向 汽车空气动力学 车辆 整车性能分析及优化 汽车电子 E m a il c a ix ia n g w e n 2 0 0 8 1 6 3 c o m 收稿日期 2 0 1 1 0 1 2 6 上接第4 8 页 品在缺失设计图样的情况下重新获得了C A D 几何模 型 实现了产品的加工仿制 2 对重构的C A D 模型进行有限元数值模拟 分 析该模型在冲压成形过程中工艺参数如压边力大小 和拉延筋的设置对成形质量的影响 并通过修改和调 整 得到了合理的工艺参数 为零件的模具设计提供 依据 3 结合逆向工程和有限元数值模拟技术 应用于 产品的开发和创新 可大大缩短产品的开发周期 节 约成本 同时利用数值模拟技术来评价逆向