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基于逆向工程的参数化优化设计


第3 期 2016 年 3 月

组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
DOI: 10. 13462 / j. cnki. mmtamt. 2016. 03. 010

No. 3 Mar. 2016

文章编号: 1001 - 2265 ( 2016 ) 03 - 0037 - 04

基于逆向工程的参数化优化设计
周小东, 成思源, 杨雪荣, 蔡 闯, 李 硕

*

( 广东工业大学 机电工程学院 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室 , 广州 510006 ) 摘要: 对参数化的逆向建模技术和参数化优化设计的集成应用进行了研究 , 并提出了基于逆向工程 的参数化优化设计的流程。首先将扫描获得的点云数据导入到 Geomagic Design Direct 逆向软件中, 采用正逆向参数化建模的方法完成模型的重建 , 然后导入到 Workbench 中, 建立有限元模型并进行 能够快速对重构后的模型进行再 优化计算。实例表明: 采用基于逆向工程的参数化优化设计方法, 设计, 降低了产品开发的成本, 为产品的创新设计提供了一种新的思路 。 关键词: 逆向工程; 参数化优化; 参数化建模; 有限元模型 中图分类号: TH166 ; TG506 文献标识码: A
Parametric Optimization Design Based on Reverse Engineering ZHOU Xiaodong , CHENG Siyuan, YANG Xuerong , CAI Chuang , LI Shuo ( College of Electromechanics Engineering ,Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System of Guangdong Province ,Guangdong University of Technology , Guangzhou 510006 , China ) Abstract: To study the integrated application of Parametric modeling technology of reverse and parametric optimization design, and the process of parametric optimization design based on reverse engineering w as proposed. Firstly ,the point cloud data w as obtained by scanning w hich w as then imported into Geomagic Deand the model w as reconstructed by using forw ard and reverse parametric modsign Direct reverse softw are , eling methods. Then the model w as imported into Workbench,the finite element model w as constructed for further optimization calculation . Examples show that the method of parametric optimization design based on reverse engineering w as adopted,w hich the reconstructed model redesign w as accelerated,the cost of product development w as reduced and a new train of thought for innovation design of products w as provided. Key words: reverse engineering ; parametric optimization; parametric modeling ; finite element model

0

引言

RE ) 是 先 进 制 造 逆向工程 ( Reverse Engineering , 领域的一项关键技术手段, 它是根据已经存在的产品 通过反向设计获取产品原始设计参数的过 实物模型, 程。运用逆向工程可以缩短产品设计周期, 降低了设 计成本, 提升产品的市场竞争力, 拓展设计师的设计思 维, 同时对工艺产品的改良或再开发设计具有高效的 [ 13 ] 。参数化的逆向建模技术能够快 便捷性和操作性 速还原产品的设计意图, 同时可在正向 CAD 设计软件 中实现再设计, 而非参数化的建模方法并不能直接对 模型编辑修改, 只能借助变形工具实现模型的再设计。 利用计算机对零件进行有限元分析也称作计算机辅助 它包括产品设计、 工程分析、 仿真和制造 工程( CAE ) , 在内的计算机辅助设计和生产的综合系统, 其中有限 [ 4 ] 元分析法是运用最广泛的一种数值方法 。本文将参 数化的逆向建模技术和 CAE 技术集成应用, 能够提高

加快产品创新步伐, 提高企业的 产品设计水平和效率, 市场竞争力, 为企业带来显著的经济价值。 平面连杆机构中最常用的是四杆机构, 它的构件 数目最少, 且能转换运动, 因此, 平面连杆机构在各种 机械和仪器中获得广泛应用。 在本文中, 将选取某一 连杆机构中的连杆作为研究对象, 结合逆向工 程 和 CAE 技术, 对基于逆向工程的参数化优化设计进行了 研究。

1

基于逆向工程的参数化优化设计

本文对基于逆向工程的参数化优化设计进行了研 究, 首先通过三维测量设备获取原物表面的点云数据, 然后将点云数据导入到逆向软件 Geomagic Design Direct 中进行一系列的预处理, 包括点云着色、 采样、 降 噪等, 把预处理后的点云数据封装成多边形网格, 再将 网格数据传送到设计窗口中, 根据网格的表面特征, 可 以直接提取规则特征, 也可以编辑网格的二维截面线,

收稿日期: 2015 - 05 - 05 ; 修回日期: 2015 - 06 - 03 * 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51105078 ) ; 广东省教育部产学研结合项目( 2012B091100190 ) ; 广东省科技计划项目( 2011A060901001 , 2013B061000006 ) ; 广州市科技计划项目( 2013J4300019 ) ( E - mail ) zhouxiaodong605@ 作者简介: 周小东( 1991 —) , 男, 湖北随州人, 广东工业大学硕士研究生, 研究方向为逆向工程技术和仿真优化设计, 163. com。

· 38·

组合机床与自动化加工技术 2. 2

第3 期

进行参数化的设计, 最后重构出原物的 CAD 模型。 通过逆向工程技术, 获取实物的 CAD 模型, 往往 根据需要, 对其进行优化再设计。 一般是将重构出来 的 CAD 模型导入到优化仿真系统中, 建立初始的有限 包括定义材料属性、 网格划分、 施加约束和载 元模型, 荷等, 然后加载求解, 并指定优化参数进行优化分析, 判断是否收敛, 若收敛则优化结束, 否则通过修改参数 还应该对选定的优 后再进行求解。在优化结束以后, 化设计变量进行一次有限元分析, 以验证其是否满足 设计要求。基于逆向工程的参数化优化设计的主要流 程图如图 1 所示。

基于 Geomagic Design Direct 的逆向建模

在本文中运用到的逆向工具是 Geomagic Design Direct, 它是一款新的正逆向混合建模软件。Geomagic Design Direct 的建模优势在于其融合了逆向建模技术 具有强大的基于三维网格面 和正向设计方法的长处, 模型的截面线特征与规则特征的提取编辑功能, 以及 基于二维截面与实体特征的正向设计建模功能。可以 直接对原始扫描数据进行几何形状重构得到原产品的 实体 CAD 模型, 能够准确还原原始的设计意图, 并通 过正向建模工具对实体特征及其相互之间的约束关系 进行编辑修改以实现再设计。 在 Geomagic Design Direct 中混合建模流程如图 5 所示。
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图5

Geomagic Design Direct 混合建模流程

图1

基于逆向工程的参数化优化设计流程

2
2. 1

基于连杆的参数化逆向建模
点云数据的预处理和网格的生成

在本文中研究的对象是某机构中的连杆, 表面主 要以二次曲面为主, 而数据获取是逆向建模过程中的 首要部分。本文所用测量设备是 Hexagon 公司的 Romer Infinite 2. 0 系列关节臂和 Perceptron 公司的 Scan[ 5 ] Works V4i 激光扫描头, 测量精度为 0. 024mm , 扫描 数据如图 2 所示, 扫描并获得表面点云数据如图 3 所 然后将点云数据导入到逆向软件 Geomagic Design 示, Direct 中, 为点云着色、 采 样、 降 噪、 封装等一系列处 最后得到连杆网格化后的模型如图 4 所示。 理,

基于 Geomagic Design Direct 的逆向建模, 所提取 的特征为参数化的特征, 有利于实体的再设计过程, 从 流程图的再设计部分, 可以看出, 在软件中能快速的提 绘制草图、 调节尺寸、 新建 2D 绘图以及更多 取特征、 操作, 较非参数化的逆向建模过程, 提高了实体建模的 效率。 选择 Geomagic Design Direct 中在草图模式下, 通 可完 过提取二维截面轮廓线对其主要轮廓进行编辑, 成参数化的设计, 如图 6 所示, 然后选择“拉动 ” 命令, 将编辑的截面线向同一方向拉动, 如图 7 所示, 最后选 “组合” 工具, 对其进行布尔运算, 完成连杆三维模 择 型的重构, 如图 8 所示。

图6

编辑连杆的截面线

图7

拉动后的实体特征

图2

扫描数据 图8 重构后的连杆模型

3
图3 连杆的点云数据

连杆的有限元分析

图4

连杆表面网格化

有限元法就是把一个原先的连续体划分成有限个 相互关联的单元, 单元的节点通过承载等效力来代替 实际所受载荷, 所有单元响应之和就是整体响应的描 [ 6 ] CAD 设计软件得到的零件需要通 述 。一般情况下, 过通用的数据格式才能导入专业的 CAE 分析软件, 通 常这种转换会使原文件的数据丢失, 产生破面等问题, [ 7 ] 直接影响后续的 CAE 分析 。 在逆向软件 Geomagic

2016 年 3 月

周小东, 等: 基于逆向工程的参数化优化设计

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Design Direct 中将完成重建后的连杆模型保存为通用 STL、 IGES 等, 的格式, 例如 X _ T、 然 后 导 入 到 Workbench 中, 因其能与大部分的 CAD 模型直接进行数据 的交换, 避免了数据的丢失, 因而能够直接处理。

4

连杆的结构优化设计

3. 1

有限元网格的划分

在有限元分析过程中, 网格划分是有限元分析的 关键步骤, 网格划分的好坏直接影响到有限元分析的 [ 89 ] 。 将连杆重构后的 CAD 模型导入到 精度和效率 Workbench 中, 随即在 Workbench 中会建立一个关于 针对该零件选用的是六面体( Hex ) 连杆仿真的文件, 单元, 它相对与四面体单元具有更好的力学性能, 在达 六面体单元的数目远小于四面 到同一精度的情况下, 体。网格划分的效果如图 9 所示。

结构优化设计中的模型通常有多个设计参数可供 但是每个设计参数对结构性能的影响程度是不 调整, 同的, 结构优化之前首先要确定优化模型, 而优化模型 约束条件以及目标函数的 的建立主要包括设计变量、 [ 1213 ] 。设计变量的选择不仅对优化结果有一定的 确定 影响, 也有可能因为优化迭代过程不收敛而得不到最 优值, 所以在众多的参数中筛选出较好的设计变量可 以提高优化的高效性与准确性。本文中主要针对某连 杆减少其质量的情况下, 使连杆的刚强度同样满足要 求。

4. 1

结构优化的过程

图9

网格划分的效果

3. 2

定义边界条件

边界条件约束可消除整体模型的刚性位移和确定 [ 10 ] 位移函数在边界上的初始条件 。 需要根据实际工 况对其进行约束和施加载荷, 选择工况 4500r / min, 根 据 连 杆 机 构 做 往 复 运 动, 计算时选用最大受力为 4000N, 一端施加圆柱面约束, 则另一端施加载荷, 模 拟连杆受力情况。

3. 3

求解并查看结果

在正逆向混合建模软件 Geomagic Design Direct 中 重构出的实体模型, 并不能直接导入到 Workbench 中 需要将图 8 中重构出的连杆模型导 进行参数化优化, Pro / e 等正向软件中, 入到 Solidworks、 修改其关键尺寸 参数名称, 加上前缀 ds_ 后才能被 Workbench 识别, 用 以后续对模型进行参数优化。 图 12 为在 Workbench 环境下连杆结构优化设计流程图。A 模块表示结构优 化的实体部分, 连杆的三维参数化模型是在正逆向软 件 Geomagic Design Direct 中重构出的实体模型再导入 到 Workbench 中的。B 模块表示静力结构有限元分析 可以添加连杆材料、 划分网格、 设置边界条件等。 部分, C 模块为全局优化模块, 通过查看其中的优化解并筛 选出目标优化所需的参数。

完成以上的步骤后, 在 solution 中选择要计算的等 主要判断 效应力和形变云图。 在结构静力学分析中, 求解 指标是零件受到的最大应力不大于其许用应力, 后的等效应力和形变云图分别如图 10 和图 11 所示。 通过分析云图, 在连杆受力的一端, 在其所在圆柱面的 上下端面受到的应力最大为 96. 65MPa , 连杆材料 45 [ 11 ] 号钢的抗拉强度为 250MPa , 故满足安全要求。 最 大的形变出现在受力端的端面, 从图中可以看出其值 满足使用的要求, 整个重构后的零件满足结构静 很小, 力学的要求, 通过逆向工程技术来还原连杆的原始的 CAD 模型, 满足了实际的使用要求, 同时可以根据需 要对其进行优化设计。

图 12

Ansys workbench 优化设计流程

根据实际情况, 在 Workbench 中选择图 6 中的 R 和连杆的受力分别作为输入参数, 在 Design of Experiments 中设置输入参数的变化范围如表 1 所示, 同样设 置有限元分析结果中的最大应力和最大形变为输出变 量。
图 10 连杆等效应力云图
变量名 P 5 ( mm) P2 ( N)

表1
5

优化参数变化范围
最小值 3. 5 3600 最大值 6. 5 4400

原始值

4000

图 11

连杆形变云图

根据输入以及输出参数的设置, 系统会自动生成 9 组设计点, 经过计算 9 组设计点的最大应力和最大 形变如表 2 所示。

· 40·
表2
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

组合机床与自动化加工技术
设计点对应的输入与输出参数值
草图尺寸 ( P 5) / mm 5 5 5 3. 5 6. 5 3. 5 3. 5 6. 5 6. 5 最大等效应力 ( P 3 ) / MPa 96. 654 84. 136 102. 83 93. 485 96. 654 84. 136 102. 83 86. 988 106. 32 最大总形变 ( P 4 ) / mm 0. 012692 0. 011426 0. 013966 0. 012696 0. 012692 0. 011426 0. 013966 0. 011423 0. 013961

第3 期

X 方向载荷 ( P2) / N 4000 3600 4400 4000 4000 3600 4400 3600 4400

图 13

优化后的连杆应力云图

在图 12 的 Ansys Workbench 优化设计流程 C 模块 中, 更新 Response Surface 后, 在 Optimization 中选择优 化方法为 Screening , 优化样本点数设置为 1000 , 在最 大应力都满足的情况下, 因分析尺寸对质量的影响最 大, 要求尺寸越大越好, 需设置尺寸的目标优先级 Objective 为 Maximize , Importance 为 Higher, 按照以上的 A 、 B 、 C 优化设置, 计算得到 三组候选设计点如表 3 所 示。
表3
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 优化范围 下限 上限 优化目标 优先级 目标重要性 候选点 候选点 A 候选点 B 候选点 C 4009. 2 4214 4316. 4 6. 4956 6. 4927 6. 4869 97. 65 102. 21 104. 29 0. 012721 0. 013371 0. 013697 默认 最高 最大 默认 默认 3600 4400 3. 5 6. 5

图 14

优化后的连杆形变云图

5

结论

候选优化设计点

X 方向载荷 草图尺寸 最大等效应力 最大总形变 ( P 2 ) / N ( P 5 ) / mm ( P 3 ) / MPa ( P 4 ) / mm

本文以常用的某平面机构中的连杆为例, 对基于 。 逆向工程的参数化优化设计进行了研究 通过逆向参 数化建模的方法能够快速还原实物的设计参数, 并在 此基础上导入到 Workbench 中进行参数化的优化设 计, 将逆向工程中参数化建模和参数化优化设计两种 技术结合, 为产品的改进和创新再设计提供新的思路, 同时对逆向工程技术的集成应用有一定的借鉴意义。 其主要的优势有: ( 1 ) 参数化的逆向建模技术能够方便修改重构后 的 CAD 模型, 有助于产品创新设计; ( 2 ) 参数化优化技术有利于对逆向建模后的产品 进行优化再设计; ( 3 ) 加快了产品的开发效率, 节约了设计和制造 成本。
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这三组候选设计点是通过插值的方法拟合得到 的, 计算结果仅供参考, 要得到准确的输出参数值, 则 需要把三组候选点作为设计点带入到 Workbench 中重 新进行计算以得到新的设计点的计算结果。从表 3 可 A、 B、 C 得到的目标值近似相等, 知, 都满足目标要求。 本案例中选择 A 组候选点, 其受到的最大应力在三组 中也最小, 同时为了方便产品的制造, 取 P5 = 6. 5mm, 计算时, 取 P2 = 4050N。

4. 2

优化结果分析

P2 = 4050N, 取 P5 = 6. 5mm, 并将各值返回到 Parameter Set 中, 把改点设置为设计点并置于当前, 更新 计算新的连杆的三维模型, 同时可以在 Workbench 中 查看新模型的应力和形变云图。优化后连杆应力云图 如图 13 所示, 形变云图如图 14 所示。 从图中可以看 到优化后的最大应力没有超过材料的许用应力, 最大 形变量也很小, 从 Workbench 中查看到连杆的质量从 原来的 0. 196kg 降低到现在的 0. 181kg , 整个连杆的的 质量减轻了 0. 015kg , 为连杆的制造节约了材料, 整个 优化的过程, 满足优化目标。


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