汽车造型设计中曲面重建方法的应用研究

摘要

逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。虽然经过近20年的研究，计算机辅助逆向工程的技术方法和流程已经在产品的开发中取得了广泛应用，但是逆向工程技术仍处在发展之中，仍然存在着许多问题有待解决。 机械设备正在向高效化、精密化、智能化、集成化、数字化方向发展，对机械设备的设计质量提出了愈来愈高的要求，现代机械产品设计在新产品开发中起着头等重要的作用。逆向设计是现代设计方法中的一种。现代设计方法的种类有很多，涉及实际设计时，往往采用多种方法合用的综合设计方法。闻邦椿院士曾提出一种“1+3”的综合设计方法，即动态优化设计、智能化设计和可视化设计相结合的方法，汽车造型曲面的设计可以看成是可视化设计中的一部分，对产品综合广义质量(包括结构性能、工作性能与制造性能)有着非常重要的影响。汽车造型设计具体应用了综合设计方法，应用逆向设计方法或与正向设计方法相结合得到汽车的外部造型、造型为计算机流体动力学设计的网格划分提供依据、为快速原型方法提供CAD模型、为基于质量功能的设计提供造型参考等。 文中针对逆向工程设计的复杂曲面重建过程中，单一系统和软件的数据处理技术、造型技术的不完善，试图寻求一种能够充分发挥不同逆向造型设计系统和软件的特长与优势，将多种系统和软件进行联合应用的方法，力求得到一条新的曲面造型途径。尽管现在已经有多种专用的逆向软件进入市场，但目前软件的数据处理技术、造型技术仍然不完善，仍然没有一种令操作者得心应手的软件，模型质量的高低仍然受操作者的经验、水平的影响。本文应用点云数据就是经GOM公司开发的Tritop系统和ATOS系统处理得到，再经法国达索系统公司开发的CATIA软件的处理，通过几个系统和软件的联合应用，力求取得比较满意的结果。 文中详细地阐述和分析了曲线曲面拟合的理论基础，通过分析零件表面三维测量的标定、特征重建、点云拼接、异常点的处理、数据插补以及数据平滑处理等步骤，以某型汽车的挡泥板为例，说明了本文应用的点云数据的预处理过程。随后又应用了CATIA软件对某型汽车的车轮挡泥板点云数据进行了分网与曲面拟合处理，最终通过拟合曲面与原始点云的误差比较分析，得到了较为满意的结果，从而证明了这种方法在汽车逆向设计中的可行性与准确性，在测量和处理点云数据的过程中，得出了几点结论。 文中针对少量测量数据情况下的汽车造型曲面的设计方法作了研究，利用正逆向结合的设计方法重建了曲面，其中通过自编程序完成了数据的自动输入和曲线的自动生成，提高了设计速度；同时还对对称性曲面结构的正向处理方法提出了新的解决办法，应用曲面过渡连接的方法，很好地解决了对称位置的曲面光顺和垂直于对称平面的问题。 文中以某型汽车的挡泥板模型为例，分析了其光顺性的检验方法。对于曲线曲面模型的精度评价方法和指标进行了论述，分析了误差产生的原因和种类，并应用于汽车后弯角、车门以及汽车侧面曲面模型的检验。文中通过对曲面的曲率分析，获取有关曲面总体或局部的曲率信息、识别出导致曲面出现波动或凹凸的区域、找到曲面曲率的极大或极小值的分布、曲面与相邻曲面的连续性等信息，为在数控加工中，刀具半径、切削速度等的确定提供依据。 本文还根据车身基于质量功能(QFD)展开的设计的要求，从产品所要求实现的功能的角度，建立起表征产品质量的多个质量评价指标，然后对产品进行设计规划与优化，由对某一类车身覆盖件美学特征的认识和评估，应用多目标多级模糊理论建立的一种曲面品质分析的综合评价方法，为产品设计和制造提供有效的评价方法。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1课题背景

1.2逆向工程的理论基础

1.3逆向工程的技术基础

1.3.1数字化方法与技术

1.3.2 CAD模型重建技术

1.3.3曲面造型技术

1.3.4模型评价技术

1.3.5快速原型技术

1.3.6快速模具技术

1.4本文研究的主要内容

第二章汽车车身造型设计方法研究

2.1现代设计方法概述

2.1.1现代设计方法的种类

2.1.2几种主要的现代设计方法

2.1.3“1+3”综合设计法

2.1.4综合设计方法的特点

2.2车身造型设计概述

2.2.1车身造型设计特点

2.2.2车身造型设计要求

2.2.3车身造型设计过程

2.2.4车身造型设计方法

2.3车身造型设计的发展

2.3.1车身造型的演变

2.3.2车身造型设计的发展趋势

2.3.3空气动力学与车身造型设计

2.3.4概念设计

2.3.5计算机辅助汽车造型

2.4逆向工程技术

2.4.1逆向工程概述

2.4.2逆向工程曲面造型方法

2.4.3逆向工程中存在的问题

2.4.4逆向工程在车身造型设计中的重要意义

2.5 CATIA软件

2.5.1 CATIA软件技术特点

2.5.2 CATIA软件应用情况

2.5.3 CATIA软件在逆向设计中的应用

2.6本章小结

第三章汽车车身逆向设计应用研究

3.1曲线曲面拟合理论

3.1.1 NURBS曲线与曲面

3.1.2 NURBS曲线与曲面的性质及应用

3.2点云数据测量

3.2.1点云数据测量方法

3.2.2点云数据测量设备

3.2.3 ATOS和Tritop系统

3.3点云数据预处理

3.3.1图像序列特征点的三维测量技术

3.3.2数据预处理

3.3.3点云数据特征抽取

3.3.4点云数据精减

3.4点云数据网格化

3.4.1曲线拟合概念

3.4.2曲线拟合造型

3.4.3参数曲线、曲面插值与逼近

3.4.4 NURBS曲线拟合

3.5曲面拟合

3.5.1上部曲面拟合

3.5.2整体曲面拟合

3.6曲面误差分析

3.7车身逆向设计其他应用实例

3.7.1汽车后围板弯角曲面拟合

3.7.2汽车室内侧面曲面拟合

3.8本章小结

第四章正逆向混合设计中的曲面模型重建

4.1基于数据表的模型重建技术概述

4.1.1正向和逆向工程集成技术

4.1.2模型的几何特征约束

4.1.3基于少量测量数据的模型重建过程

4.2数据表的读入

4.3曲线重建

4.4曲面重建

4.5逆向混合设计

4.5.1曲线网格重建

4.5.2右侧半背门曲面重建

4.5.3整体背门曲面重建

4.6本章小结

第五章曲面模型评价

5.1车身设计对曲面的要求

5.1.1曲线曲面光顺性

5.1.2曲线曲面光顺的基本问题

5.1.3曲面精度评价

5.1.4曲面的品质评价

5.2模型评价方法

5.2.1曲面光顺性评价方法

5.2.2曲面精度评价方法

5.2.3曲面品质评价方法

5.3控制误差提高精度的策略

5.3.1仿制产品

5.3.2新产品开发

5.3.3误差控制

5.3.4测量自动化

5.3.5基于特征的模型恢复技术

5.4本章小结

第六章结论与建议

6.1结论

6.2进一步工作的建议

参考文献

作者简历

致谢

攻读博士学位期间发表的论文