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汽车研发:白车身逆向设计与开发方法解析!
作者:admin 发布日期:2019-04-23
一、逆向工程的意义
车身作为汽车的四大总成之一,具有非常重要的作用,车身占整车总成本的1/3左右,其更新频度高,技术进步快,其外观造型能够吸引大众的眼球,从而对汽车销售量有极大影响。在复杂的车身产品开发《汽车研发:白车身结构及开发流程详细解析!》(点击阅读)程序中,广义的三维造型既是设计工作的起点,又是工程目标的最终体现。随着新技术的广泛应用,特别是“逆向工程”(Reverse Engineering简称RE)的迅猛发展,几乎将传统的汽车车身开发周期缩短了三分之一。将该技术应用于汽车车身造型阶段,它可以快速地提供样品的外形特征,从而能够对其几何外形进行修改,实现产品的快速改形,加快设计进程,使之满足多样化、个性化、系列化等方面的需求。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
二、正向工程与逆向工程的比较
 
1、正向工程FE
正向工程英文名字叫Forward Engineering,,简称FE,是指从产品的功能与规格的指标确定开始,构思产品的零组件需求,再由各元件的设计、制造、检验、零件分装、整机总装、性能测试等程序来完成。
 
 
 
 
 
2、逆向工程
 
逆向工程又叫反求工程,它与传统的设计开发过程存在质的不同。狭义上,它是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,利用3维数字化测量仪(3D Digital Scanner),测量出Sample(即零件原形或者塑造出的模型)表面的点云数据,传至CAD/CAM系统,进行数据处理,生成所需要的CAD模型和设计图纸,并由CAD/CAM系统计算出加工路径,最后通过CNC(Computer Numerical Control计算机数字控制)机械加工设备制作模具生产成品。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
三、逆向造型中的设计要点
 
逆向工程技术主要涉及以下几个方面:
 
 
1、油泥模型数字化
目前,许多外形设计师还难以直接用计算机进行设计,而是更倾向于油泥或泡沫塑料造型。另外,尽管计算机具有越来越逼真的模型上光着色功能,但大型物体,如轿车,还是要做成1:1的实物模型才能鉴定其外观效果。
 
 
 
 
2、产品的仿型和改型设计
在我国,许多生产制造商收到的是实物,没有原始的数字模型,而要用于生产就必须去再现原产品的设计意图,这就存在变实物为CAD模型的问题。另外,由于工艺、材料、美观等方面的原因,人们经常要对相应的生产模具作局部修改,需要将扫描获取的实物模型数据输入到计算机,利用逆向工程构造出一个与实物相对应的CAD模型,然后对该CAD模型进行修改。
 
 
 
 
3、数字化模型得出后的检测
例如检验生产模具、产品的变形分析以及与初始三维数据的比较。例如覆盖件模具的形状精度验证,通过采集模具上的数据点,与几何三维数据对比,可对模具质量做出评价。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
四、车身逆向造型设计流程
 
 
 
 
 
 
 
 
1、参考车身局部改型
在对参考样车与车身做局部选型修改时,必须考虑不能影响原车身结构的可靠性、结构工艺性。尽可能延用原车身的结构分块思想与联接方式,对于运动部件要延用,并做出必要分析,这样就可以继承原车身的可靠性与工艺性,不产生风险。
 
 
 
 
2、模型样车的测量、扫描
数据采集是数据处理、模型重建的基础。没有高精度的数据采集技术和设备就不会逆向出高水平的模型。点云数据的测量方式主要有接触式和非接触式两种。
 
 
 
 
 
 
 
1)测量步骤
A、车身模型坐标系的确定
 
为了方便测量及测量后的数据处理,首先要确定车身坐标系。对于轿车车身,一般以汽车前轴的中心为坐标原点,向后为X轴,向右为Y轴,向上为Z轴。具体的做法是将车身支撑固定在单臂或双臂的划线机(三坐标测量机),如下图所示。根据测量的结果,调整车身的前、后、左、右等位置,最后确定车身没有发生大的扭曲变形,直到正确为止。
 
 
 
 
 
 
 
B、贴车身Mark点
 
对于汽车车身,现在通常的做法是采用非接触测量方法,比较常用的是采用结构光的照相法。照相法的测量的核心就是点云片的拼接技术。首先在车身的表面喷洒乳白色显像剂,然后在上面贴Mark标记点。Mark标记点实际上是后序测量的点云片的拼接所用的定位点,如下图所示。
 
 
 
 
 
 
 
标志点不要贴成直线,贴标记点的原则是三维扫描的每幅幅面的范围内应该拥有四个标记点,四个标记点尽量能够分散,尽量不要在孤立位置和曲率变化较大处。分散的目的就是将将来依据标记点拼接的时候,可以将拼接误差尽量地减小。标记点贴的质量直接影响测量的精度。随着计算机技术和图像处理技术的提高,单幅点云的精度一般都比较高,但是不同的扫描系统之所以出现比较大的质量差别就是因为点云片的拼接技术存在差别。同样的扫描系统,标记点的贴的技巧如果没有充分掌握,测量出来的结果可能也有比较大的差别。
 
C、测量车身Mark点
 
标记点是用于点云片的定位的。因此,标记点测量的准确与否对整个车身的测量精度至关重要。测量的方法一般是采用高精度的相机,在车身上一般还要放置一些测量基准杆件,作为图像处理时标定。对车身上的所有标记点从不同角度进行大量的拍摄。然后进行图像处理,获得标记点的三维数据。
 
 
 
 
 
 
 
D、车身曲面片测量
 
采用三维扫描仪测量,当标记点测量之后,一般在进行这部分测量的时候,测量的顺序就没有过高的要求,因为测量的每一片点云是靠上面的标记点进行拼接的。也就是点云片之间没有误差累积的问题。测量的时候,要注意的是测量的每一片点云至少要包含三到四个标记点,包含的越多,拼接的精度越高。因为拼接时是点云片上标记点要与已经测量的标记点框架要匹配。因为两次测量,就是对与同一个标记点也会存在测量误差。所以在拼接的时候,点云片上的标记点都要参与标记点框架的匹配,这样测量误差就会减小。这部分的技术关键主要有:
 
a、测量的角度与距离要严格按照扫描仪器上所要求的操作规范;
 
b、测量环境,如环境光线的强弱要满足测量要求;
 
c、测量的每一片点云范围要包含尽量多的标记点;
 
d、相临的点云片的重叠部分以30mm为基准即可。
 
 
2)扫描
 
一般的三维扫描系统,在测量的过程,点云就可以自动拼接到标记点框架子上了。也有测量系统要其他的软件进行拼接。不管采用何种办法拼接,关键是能否保证测量的精度和效率,这是关键。车身测量完成之后,可以获得asc码、stl码等格式的数据文件,里面包含的就是车身的三维点数据(x、y、z)。
 
 
 
 
 
 
 
 
3、车身拆解及测量描绘
由于参考样车车身是一个装配总成,要获得所有零部件全面三维信息,必须对样车“进行拆解”,一方面获得每一个零件的全面数据,另一方面取得装配(焊接)工艺过程。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4、测量描绘数据处理
 
1)数据的预处理
 
在车身测量的过程中,由于光线的明暗、辅助工具的的介入、测量仪器的偶然因素、操作者的操作水平等因素,如果采用接触式测量,测量时的震动等都会对测量出来的数据点都可能产生一定的影响,测到的点是错误的,我们可以认为是测量噪声或坏点。不论采用什么方法测量都会产生坏点,一般是不可能全部避免的,关键是要掌握如何剔除的方法。
 
A、首先要反复观察被测量的物体与已经测量的点云数据,坏点非常容易断,比如测量车身,有些数据点跑到车身的外面或内部,这就是坏点,必须手工删除或采用软件删除。如下图:
 
 
 
 
 
 
 
B、软件剔除,比如剔除远离的分散点等,但是有时效果不太好。
 
C、有时直接观察离散点,因为没有消隐,分辨起来有一定的困难,这时可以将点云进行铺面(做成三角面)渲染,使点云看起来比较像实体,就非常方便消除坏点了。
 
数据点过滤,在测量的过程中,特别是采用非接触法测量车辆,数据点数量非常庞大。在做逆向过程中,点云是做参考使用的,因此,有些位置的数据点没有必要太多,比如平面、平坦的曲面等。在不影响逆向设计的情况下,要将测量的数据点过滤掉一部分。可以大幅度地减少占用计算机的内存,处理的速度和效率都可以大幅度地提高。过滤主要采用等半径区域过滤和定弦高方法两种方法。等半径区域过滤过滤方法主要适合,曲面比较平坦的场合。定弦高方法主要适合曲面变化比较大的场合,该方法处理的效果是曲面比较平坦的地方,点比较稀疏,曲面变化剧烈的地方,点的数量比较多一些。通常采用这种方法的时候,仍然要限制相临点之间的距离,以方便以后的操作,过滤之后结果如图
 
2)点云的渲染
对点云铺面渲染,点云看起来比较像实体,如下图所示。这样操作的目的是便于后续在做曲面的时候,容易分析曲面的大小,方便曲面规划设计等。
 
 
 
 
 
 
 
 
5、表面曲面光顺处理及制作
经过扫描测量并处理后的文件是每一个零件的三维点文件,尚不能做为零件的全面数字化信息,尚存在很多缺陷,必须对其曲面进行光顺处理,使得车身表面达到光滑、顺畅。
 
 
 
 
6、车身零部件曲线、曲面重建
在表面光顺及测量点的基础上,根据原有零件特征,利用基于Bezier、B样条、NURBS曲线、曲面理论设计而编制成的三维曲面建模软件,对零件进行三维设计建模,从而获得每一个零件全面的数字化信息,它可以作为零件加工的依据。
 
 
 
 
7、三维数学模型虚拟装配与检查
不同于正向工程,车身逆向工程中,很多零件可能由很多工程师同时进行曲面三维重新建模,为了保证这些零部件准确无误地表达原参考样车的装配(焊)关系,必须在计算机中对各零部件数学模型进行虚拟装配,以检查协调各部件、零件之间的关系。
 
 
 
 
 
五、车身逆向工程中的关键技术
 
 
1、 测量技术
非接触式三坐标测量方法,它是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息,如声、光、电磁等。其中应用物理光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛,如三角法等由于具有测量过程非接触和测量迅速等优点,越来越受到人们的重视。
 
1)接触式测量方法
 
 
 
 
 
2)非接触式测量方法
 
 
       A、激光干涉法
 
激光干涉法是通过测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布,测量精度相当高,但测量范围小,抗干扰能力弱,不适合测量凹凸变化大的复杂曲面。
 
B、激光衍射法
 
激光衍射法的情况与干涉法基本相同,激光三角法原理是采用激光作为光源,照
 
射到被测物体上,利用CCD(Charge Coupled Device)接受漫射光成像点,根据光源物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。此方法已经相当成熟,目前已广泛使用。如果采用线光源,激光扫描测量方法可以达到很高的测量速度。
 
C、结构光投影测量法
 
 
 
 
 
 
 
结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法,它的原理是将具有一定模式的光源,如栅状条投射到物体表面,然后用两个镜头获取不同角度的图像,通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标,这种方法具有速度快、无需运动平台的优点。
 
 
 
 
2、车身表面光顺处理
在车身逆向工程中由于汽车车身覆盖件(或模型表面)的三坐标测量得到的是庞大的离散点数据,缺乏必要的特征信息,另外往往存在数字化误差,对离散点数据进行表面光顺处理,是逆向工程中重要的工作环节,是决定车身表面质量的好坏重要标准。
 
 
1)光顺的概念
 
车身外形曲线曲面的设计既要保证良好的空气动力学特征,又要符合汽车造型的艺术原则,总是要求生产出的汽车产品的外形是光顺的。
 
光顺是工程上的术语,包括光滑与顺眼两方面含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续,数学上一阶导数连续的曲线即为光滑的曲线。而顺眼是人的主观感觉评价,不同的外形设计人员按照同样的设计要求,可能设计出不同的曲线曲面,看起来同样光顺。
 
对车身外表特征线,很多是空间曲线。对于空间曲线,目前尚没有明确的光顺性定义,我们只要把曲线投影到三个正交平面上(如车身的XY、YZ、XZ平面),用这三条投影曲线的光顺性作为空间曲线光顺性数据就可以了。
 
 
2)车身曲线的光顺
 
在车身逆向工程中,我们对模型样车的车身零件三坐标测量,得到是庞大的离散点数据,进行车身表面光顺是必不可少的。上面已论述过,曲面光顺是很复杂的。导致曲面不光顺的主要原因在于组成曲面的曲线不合理、不光顺。解决曲面光顺的方法是选择合理的曲面造型方案,保证组成曲面的曲线都是光顺的。目前常用的光顺方法有:能量法最小二乘法、圆率法、磨光法。
 
工程中,我们在粗光顺采用圆率法,精光顺采用能量法。
 
 
 
 
 
 
 
 
3)车身曲面光顺
光顺曲面的方法:先光顺曲面的纵向曲线,在所有的纵向曲线光顺完毕后,通过新的型值点生成横向样条曲线并光顺。
 
因光顺横向样条曲线时,改变了某些型值点的位置,这样会引起纵向样条曲线的波动。这样就要重新生成纵向样条的曲线并重新光顺曲线。反复多次,直至所有的纵向、横向样条曲线都满足曲线光顺的准则,最后形成光顺的车身曲面。
 
 
 
 
3、车身曲线、曲面间处理的方法
无论车身外表,还是车身内部结构件本身均不是单纯的曲面。车身零部件的复杂性,决定了它不能用一块或几个单纯曲面来构成,它一般都是由几十块大小不等、形状各异的曲面,通过一定的曲面间技术处理而得到。
 
车身零部件曲面间常见的处理方法有:
 
1)曲面间拼接技术;
 
2)过渡面生成;
 
3)三角域曲面的生成;
 
4)法向等距曲面生成;
 
5)曲面间交线生成;
 
6)车身任意特征线生成;
 
7)车身曲线曲面的追加造型(含曲线寄生、曲面寄生、曲线的延拓、曲面的延拓、车身曲面加筋、车身曲面翻边等)。
 
曲面的倒角处理是车身曲面构造的一个重要环节,同样的几个曲面,不同的倒角顺序和方法获得的效果是不一样的。设计人员一定要根据曲面的成形性和美观等方面的要求去考虑,采用不同的方法和步骤。
 
对于车身的内板件,也就是结构件,倒角的半径一般要圆整,比如如果测量点云获得的半径数值比如是3.3,我们一定要将倒角半径修改为3.5或4。其原因也是为了制造的工艺性。因为在加工冲压模具的时候,圆整后的刀具我们容易买到,如果圆角半径不是标准的数据,制造的时候就必须采用比较小的刀具来处理,这样会造成加工效率的低下。另外车身曲面,特别是结构件,能够是平面的,尽量采用平面设计,只要满足刚度和强度的设计即可。也就是尽量结构简化。车身的外覆盖件也并不是各处都要求A级曲面,有的局部故意要求棱角分明,这要根据设计者的理念去分析,确定相应的方法。
 
车身曲面上的孔和洞的处理,一般要在车身曲面构造完成之后,再根据功能的要求去处理。对于曲面上的孔,尽量将孔开在平坦的曲面上,这样车身零件的工艺性比较好。
 
4、曲面数学模型构建
目前行业内白车身逆向设计所应用软件一般为CATIA,或者是UG与Imageware结合使用。在单件逆向设计过程中,要充分考虑到设计者的意图,不能简单地以点云为基准逆向,要充分考虑到冲压工艺,要随时修正由于车身钣金变形而产生的点云错误,避免冲压负角等低级错误;而在总成逆向设计过程中,要以最初确定的设计基准为输入,充分考虑到焊接、涂装及总装工艺可行性,合理布置焊点位置以及焊接定位孔.面的修正,尽量提高焊接工艺性,同时也要保证涂装滑橇安装定位及总装操作方便性。
 
综上,要想高质量、快速地创建曲面数学模型,需要设计人员具有非常熟练的三维建模软件应用能力,而且还应具有较丰富的冲压、焊接、涂装及总装工艺知识。
 
六、应用举例
 
1、  参考样车的准备
参考样车五台:
 
一台作为标准车,作为设计参考标本;
 
一台拆解、作车身逆向工程测绘用;
 
一台作为造型设计做1:1油土模型用,土模型允许对车身局部破坏,但不得使车身基准有变化;
 
一台作为模具开发单位提前对车身进行解体,对车身钣金件提前进行冲压工艺分析;
 
一台作为焊装夹具设计制造单位解体、分析用。
 
2、车身扫描、测绘前定位、找正
1)定位、找正设备
 
2)车身初步找正
 
3)车身坐标系的精确再定位
 
3、车身焊接总成的拆解、扫描
1)拆解前工艺模型架的制作
 
2)大块焊接总成工艺模型架的制作、车身总成拆解
 
3)大焊接总成及其零部件的补充扫描、测量
 
4、外表面扫描数据处理及光顺
工作流程:对上述步骤扫描数据进行处理→拼合扫描点云→以点云产生初步的表面→进行表面光顺→表面分线。(图)
 
5、外表面表面光顺的质量检查
 
1)表面质量检查
 
主要利用光顺表面反射斑马线、反射云图、任意断面线二阶导数连续等。
 
2)铣削1:1树脂外表模型评价
在用计算机软件车身外表面光顺的质量检查合格后,为了更加详细地评价表面光顺处理的结果,确保表面光顺处理以及表面分块、缝线设计合理,一般须用光顺后的三维数据NC加工1:1的外表面树脂模型。
 
6、零部件曲面及结构三维重建
工作流程:对扫描数据进行处理→拼合扫描点云→以点云产生初步的表面→对杂讯点进行处理、删除→根据处理后的点云以及零件特征,进行零件三维曲面、结构重建,得到零件的三维数学模型和线架构图。
 
7、零件数模虚拟装配检查校核
在车身所有零部件完成三维数学建模后,为了确保零部件装配状态良好,可以通过在计算机中进行虚拟装配。通过虚拟装配,检查零部件可能存在的干涉和不应有的间隙,同时检查装配孔位配合情况。只有经过虚拟装配检查并没有问题的零部件,才能开始建立二维图档,并且正式发布3D、2D设计文件,作为模具、检具、夹具设计制造的依据。
 
七、某白车身的强度分析
 
1、模型建立
在获得白车身CAD模型的基础上,通过HyperMesh软件对白车身进行结构的离散网格划分。在白车身划分过程中所有网格均采用板壳单元(shell)进行划分。
 
白车身的焊接工艺主要有点焊和二氧化碳保护焊等。点焊是白车身装配时最重要的焊接方式,考虑到传递力的特性,对点焊采用CWELD单元进行点焊的模拟。
 
二氧化碳保护焊采用RBE2单元进行模拟,粘胶采用六面体单元模拟。网格划分质量的好坏直接影响求解时间和求解精度,网格使用的不合理会导致求解过程的中断和求解结果的不正确。所以划分网格是一个重要环节,在划分过程中对网格类型进行控制,在模型中使三角形单元的数量占单元总数量的3.5%以内,其余均采用四边形壳单元。整个车身的有限元模型由417676个节点,367892个壳单元组成,如下图所示。
 
2、载荷工况及边界条件
强度分析模型按整车满载质量1900kg 计算,计算白车身的强度必须把所有的车身部件的质量进行附加,只有这样才贴近实际情况。附加质量用质量点单元CONM2模拟,发动机、变速箱、冷凝器、油箱、水箱、备胎、前门总成、中门总成、后背面总成、发动机罩总成和座椅及乘员质量使用RBE2刚性单元加载到相应总成的安装处。
 
在客车满载条件下(乘员人数为 9 名),应力最大值通常出现在右前轮左后轮均抬起150MM的情况下。该工况模拟的是汽车在右前轮和左后轮在遇到凸包时的工况。通过动力学仿真软件Adams模拟了微型客车右前轮和左后轮同时抬起150mm工况下输出与车身相连的6个硬点的力和力矩作为载荷输入参数。
 
3、计算结果及分析
白车身强度通常用分析应力来衡量,并与其安全系数(即零部件材料的屈服强度除以零部件的最大分析应力)息息相关。应力越小,安全系数越大,强度也越高。通过后处理器Hyperview可以看到白车身绝大多数零部件应力较小,应力值都在允许范围内,车身应力最大位置出现在右前轮壳位置最大应力值为 233MPa,同时后地板应力值也是较大的地方其最大应力值为211MPa。前轮壳和后地板所用材料均是宝钢生产的通用低碳材料 BLC,依据宝钢所给材料参数其屈服屈服强度为 140MPa 270MPa。显然前轮壳和后地板的安全系数都已经超过 1,但是它们依旧是整个白车身强度最弱的地方,若想提高整车的强度性对该两处进行加强能起到最大作用。
 
八、总结
在汽车车身设计上应用逆向工程技术是一项技术性、开拓性和综合性很强的工作。在现阶段,缩短研发周期、提高产品竞争力,结合迅猛发展各种科学技术,通过对逆向工程技术在汽车设计中的应用的分析,对逆向工程技术得到了深刻的认识,并且对于专业知识也了解到很多。逆向工程技术的应用,首先消化吸收引进的技术,然后建立其自己的模型,逐步修改完善,从而切实形成自己的产品。这正是迅速填补我国当前汽车工业与世界先进水平差距的有效手段。
 
然而通常情况下利用逆向技术设计出来的车身其性能不一定有很高的可靠性,在逆向出原来外观的基础上通过有限元技术对车身的强度进行分析,通过车身的有限元分析,获取了车身有效的可靠的应力数据。分析结果得出该车身模型在极限工况下具有较高的承载能力,但是局部应力稍偏大可以进行局部改进,为车身的优化指明了方向。