复合材料桨毂的逆向成型.pdf

　４２　　复合材料桨毂的逆向成型　　复合材料桨毂的逆向成型　　　　　许震宇，李沙，施鹏　　　　（同济大学航空航天与力学学院，上海２０００９２）　　　　摘要：逆向．Ｙ－程是指从已有的实物原型获取几何特征参数，进行再设计得到新产品的过程，在机械、模具、生物以及医学　　　　　　等领域得到了广泛的应用。本文借助ＡＴＯＳ测量系统，在Ｇｅｏｍａｇｉｃ逆向软件和Ｐｒ０／Ｅ三维设计软件平台上，对桨毂这一直升　　　　飞机关键部件进行逆向过程，并在ＡＮＳＹＳ有限元分析软件中进行了模拟飞行状态的加载计算。　　　　　　关键词：逆向工程；桨毂；造型；ＡＴＯＳ；Ｇｅｏｍａｇｉｃ；Ｐｒ０／Ｅ；ＡＮＳＹＳ　　中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ　　———　文章编号：１００３０９９９（２０１１）０４００４２０４　　　　　１引言　　　　逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，简称ＲＥ），也称　　为反求工程，这是相对于传统的产品设计过程而言。　　正向工程流程是传统产品设计从概念设计出发　　　　　　　得到ＣＡＤ／ＣＡＭ图样，再生成最终产品的过程，如图　　１所示。　　　　　　产品功能卜概念设计ＨＣＡＤ系统卜．｛数字化模型卜设计评估　制造检测　　　　　　　１正向工程流程　　　　　　而逆向设计过程是从已有的产品原型出发，获　　　取关于产品的数学模型，在此基础上进行分析和数　　　　字化处理，最终得到新产品的相关技术。其核心是　　　　　　根据已有的产品模型，通过数据获取和反求软件的　　　　应用进行原始数据的还原，包括原始设计图纸和数　　　　字模型，如图２所示。逆向工程改变了传统设计模　　　　　式的从图纸到实物的过程，为产品的快速开发及原　　　型设计提供了新途径，同时在产品的正向设计过程　　　中，逆向工程也可做为一个有益的补充，同时也是验　证和促进正向设计的必备手段¨　　。　　　　图２逆向工程流程　　　　　逆向工程技术目前已广泛应用于汽车、模具、机　　　　　械、生物、医学等领域产品的复制、仿制、改进及创新　　　设计，是消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周　　　　　　期的重要支撑手段，已成为ＣＡＤ／ＣＡＭ系统中一个　　　　　　研究和应用的热点。目前，国内外关于逆向工程的　　应用主要集中于对产品原型的逆向，也就是重建产　　　“　”　　品原型的ＣＡＤ模型，也被称作实物逆向＿４Ｊ。逆　向工程实施需要一定的硬件和软件基础。从设计对　　　象中提取三维数据信息需要硬件条件，根据不同的　　　　三维数据收集方法，一般可以分为接触式（ｃｏｎｔａｃｔ）　　　　和非接触式（ｎｏｃｏｎｔａｃｔ）两种。接触式测量方法中，　　　　三坐标测量机（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇ，简称　　　　ＣＭＭ）应用比较广泛；非接触式测量方法中，最成熟　　　　　的是激光三角法和结构光法。德国ＧＯＭ公司研发　　　　　　　的ＡＴＯＳ测量系统和Ｓｔｅｉｎｂｉｃｈｅｒ公司的ＣＯＭＥＴ测　　量系统是这种方法的典型代表。较知名的专业逆向　　　　　　　　　　工程软件有ＥＤＳ公司的Ｉｍａｇｅｗａｒｅ；Ｒａｉｎｄｒｏｐ－　　—　　　—　Ｇｅｏｍａｇｉｃ公司的Ｇｅｏｍａｇｉｃ；ＤＥＬＣＡＭ公司的Ｃｏｐｙ　　　　　ｃａｄ；ＩＮＵＳ公司的Ｒａｐｉｄｆｏｒｍ。较知名的ＣＡＤ逆向模　　　　　　　—　块有Ｐｒｏ／Ｅ的Ｓｃａｎ．Ｔｏｏｌｓ模块；ＰＴＣ公司的ＩＣＥＭ　　　　Ｓｕｒｆ；ＣＡＴＩＡ的ＤＳＥ、ＱＳＲ模块；以及Ｐａｒａｆｏｒｍ公司的　　　　　　Ｐａｒａｆｏｒｍ等。国内在逆向工程软件方面的研究，主　　　　　　要集中在高校，如清华大学、浙江大学、南京航空航　　　天大学等。　　　　　　　本文以德国ＧＯＭ公司研发的ＡＴＯＳ测量系统　　　　　为硬件基础，在Ｇｅｏｍａｇｉｃ和Ｃａｔｉａ软件平台上，对欧“”　　洲直升机公司（简称欧直）的ＡＳ一３６５直升机星型　　　收稿日期：２０１１－０５－０９　　　　　　　　　　作者简介：许震宇（１９７０一），男，副教授，硕导，研究方向为复合材料结构分析与设计。　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０ｌｌ。Ｎｏ．４　　　２０１１年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４３　　　桨毂进行逆向成型研究。桨毂是直升机的至关重要　　　　的受力部件，连接桨叶和动力系统传动轴。因此，桨　毂结构的设计质量直接关系到直升机的安全性能和　　　　动力特性，国外在桨毂设计上有一套完善的理论，国　内在桨毂设计上一般沿用国外同类型的设计数据和　　　　　经验公式，因此，做为一代经典机型的ＡＳ一３６５，对其　　　桨毂进行研究，对以后在桨毂设计乃至同类型产品　的设计方面具有深远意义。　　２桨毂逆向过程的基本思想　　２．１原型三维数据采集　　　利用德国ＧＯＭ公司研发的ＡＴＯＳ测量系统（如　　　　　　图４所示），对桨毂进行３Ｄ扫描工作。利用ＡＴＯＳ　　　　　　测量系统进行原型３Ｄ扫描时，需要对原型进行表　　　　面喷粉及参照点的标定，如图３所示。　　　图３原型参照点标定　　　　在利用ＡＴＯＳ测量系统对原型进行多角度、全　　　　　方位的３Ｄ扫描工作后，便能得到原型的三维点云　　　　　数据，ＡＴＯＳ测量系统自带的前期处理工具，可以对　　不同角度和方位扫描得到的点云根据相同的已标定　参照点进行拼接。进行噪点去除和参照点孑Ｌ洞修补　　　便能得到比较完整的原型三维点云，从而完成原型　　　　的三维数据采集，如图４所示ｊ。　　图４桨毂原型三维点云　　２．２软件平台进行模型处理　　　　　　将扫描得到的原型三维数据进行前期的处理　　　　　　　后，在ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ和Ｐｒｏ／Ｅ平台上进行模型的　　　后处理。ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ是美国Ｇｅｏｍａｇｉｃ公司研发　　　　的逆向工程软件，利用它可整理扫描实物原型所得　　　　到的点云数据，产生比较完美的多边形网格，并可以　　通过处理转换为ＮＵＲＢＳ曲面，从而构建任何复杂模　型的精确曲面。　　　利用Ｇｅｏｍａｇｉｃ进行曲面重建分为三个阶段：　　　　　　（１）点阶段：主要进行点云对齐、点云整理、噪　　　声整理、采样；　　　　　　　　（２）多边形阶段：主要进行破同填补、边界修　　补、重叠三角形清理、多边形编辑；　　　　　　（３）形状、制作阶段：主要进行特征识别、特征　　　　　线提取、边界构建、面片组织。如图５所示。　　图５Ｇｅｏｍａｇｉｃ曲面重建三阶段　　　　经过Ｇｅｏｍａｇｉｃ处理后，从原型的点云数据中创　　　　　建出了比较完美的多边形网格，制作阶段将其转换　　　　为ＮＵＲＢＳ曲面。处理后的原型点云数据，生成了由　　　’’　　多个曲面构成的ＣＡＤ模型（如图６所示）。　　　　　图６多曲面ＣＡＤ模型　　　　为了进一步进行后期处理，构建出原型的精确　　　　　曲面，将该模型导入Ｐｒｏ／Ｅ中进行处理，利用Ｐｒｏ／Ｅ　　　逆向造型模块进行曲面修正，特写曲面约束的修改，　　　　这样能得到比较完美的曲面模型，再利用Ｐｒｏ／Ｅ的　　　　　　　　实体化功能，便能得到原型（桨毂）的三维实体模　　　　　“　　型。如图７所示。　／　２　ｏＩ４　　　复合材料桨毂的逆向成型　　图７桨毂三维逆向模型　　　　直升飞机桨毂是整个传力、承载的关键部件，对　　　尺寸精度要求非常高，如果采用传统流程进行模型　　　的制作，势必会产生较大的误差，对其力学特性产生　　　　　非常大的影响，从而影响到机体的动力特性和安全　　　　　　　　　　　性能。但是，通过在ＡＩＯＳ硬件平台和Ｇｅｏｍａｇｉｃ、　　　　　Ｐｒｏ／Ｅ软件平台上的逆向工程，能非常精确地模拟　　出桨毂的三维几何特征，同时能快速地应用到再开　　发和研究的ＣＡＥ／ＣＡＭ过程中¨　　。　　３模拟飞行姿态计算　　　　　　三维设计软件Ｐｒｏ／Ｅ可以和有限元分析软件　　　　　　ＡＮＳＹＳ实现无缝集成。在Ｐｒｏ／Ｅ里面，逆向做好的　　三维模型可以很方便地导入到ＡＮＳＹＳ中进行分析。　　　　但是，由于ＡＮＳＹＳ分析前进行划分网格的时候对曲　　　　面质量要求比较高，所以要进行相应的修改，限于篇　　幅就不一一展开＿１。算例中对桨毂进行分析时，简　　　　　　化了相关细节，进行一个简单的算例，以达到验证逆　　　　　　向模型可用性的目的。如图８所示为ＡＮＳＹＳ中对　　　桨毂模型进行网格划分的结果。　　　　图８网格划分结果　　模拟直升飞机飞行过程中，侧飞是一种很重要　　的飞行姿态。直升飞机在侧飞的时候可以实现半径　　　　转弯，这是实现机动飞行的常见飞行姿态。当直升　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０ｌ１．Ｎｏ．４　　　飞机进行侧飞时，整个机身与水平面成一定夹角，桨　毂受载处于不对称状态。对模型施加模拟载荷进行　　　　　　计算，结果如图９所示，所得结果与理论预期吻合，　　　侧飞时桨毂与水平面成正角区域受载较大，与水平　　面成负角区域受载相对较小。图中深灰色区域为模　拟加载时设定的正角区域。　　　　图９模型受载位移云图　　　可以看出，利用逆向工程对比较复杂的实物原　　　型进行三维重造，再经过处理过程后，可以在有限元　　　　分析软件中方便地进行实际工况模拟，为产品的再　设计或安全校核提供准确度较高的理论支持¨　　ｊ。　　　４总结及展望　“　逆向工程的实物原型一设计理念．三维重建．产　”　　　　　　品再设计工作框架，使其不仅在传统的汽车、模具　　　　和机械领域得到了广泛的应用，同时还在生物和医　　　　　　　学的领域的复杂组织、结构的仿真模拟中发挥着日　　　　　趋重要的作用。在逆向得到的实物模型基础上，可　　　以很方便地进行ＣＡＥ／ＣＡＭ，为产品的再设计、开发　　提供精确的理论支持。　　　虽然在数据获取、几何特征识别、数据获取硬件　　　　　　和逆向软件的研发上已经取得了很大的进步，但是　　　　在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互　　　　工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，　　　　　自动重建曲面的光顺性难以保证，因此需要在已有　　　的基础上进行大量深入的研究，继而形成一套更为　　完善的逆向工程理论。　参考文献　　　　　　　　　［１］张学昌．逆向建模技术与产品创新设计［Ｍ］．北京：北京大学出　—　版社，２００９．１５１２５．　　　　　　　　［２］ＧＥＯＭＡＧＩＣＩＮＣ．ＧＥＯＭＡＧＩＣＳＴＵＤＩＯ１０ＯＮ［ＩＮＥＨＥＬＰ　［ＫＩ．２００９．　　　　　　　　　　　　　　　［３］王霄．逆向工程技术及其应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００４．２０．１１８．　　　　　　［４］金涛，童水光．逆向工程技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．　４５＿７９　　　２０１１年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４５　　　　　　　［５］柯映林．反求工程ＣＡＤ建模理论、方法和系统［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２００５．１２一¨　４．　　　　　　　［６］成思源，余国鑫，张湘伟．逆向系统曲面模型重建方法研究［Ｊ］．　　计算机集成制造系统，２００８，１４（１０）：１９３４－１９３８．　　　　　　［７］ＧｅｏｍａｇｉｅＩｎｃ．ＧｅｏｍａｇｉｅＳｔｕｄｉｏ１０Ｔｒａｉｎｉｎｇｍａｎｕａｌ［Ｋ］．２００８．　　　　　［８］李成良，陈淳．风力机叶片的结构分析与铺层优化设计［Ｊ］．玻璃　　钢／复合材料，２００９，２０９（６）：５０－５３．　　　　　［９］胡仁喜，刘昌丽，路纯红．Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲＷｉｌｄｆｉｒｅ５．０中文版机　　　　械设计完全实例教材［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１０．３２－９８．　　　　　　　　　［１０］姜年朝，谢勤伟，戴勇，张志清．基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥＳＡＦＥ的无人机　　　　　　　　复合材料机翼疲劳分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，２０９（６）：—　３４．　　　　　　　　　［１１］Ｔａｍａｓｖａｒａｄｙ．ＭｉｃｈａｅｌＡ．Ｆａｃｅｌｌｏ．Ｎｅｗｔｒｅｎｄｓｉｎｄｉｇｉｔａｌｓｈａｐｅｒｅ－　　　　　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ａ］．ＭＡＲＴＩＢＲＲ，ＢＥＺＨ，ＳＡＢＩＮＭ（ｅｄｓ）．Ｔｈｅ　　　—　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｓＸＩ［Ｃ］．Ｓｐｎｎｇｅｒ：２００５．３９５４１２．　　　　　　　　　［１２］杨先海，褚金奎，尹明富等．有限元数值模拟技术及工程应用　　—　［Ｊ］．机械设计与制造，２００３，（３）：１０７１０８．　　　　　　［１３］张兴金，邓忠林．浅谈纤维复合材料与中国大飞机［Ｊ］．纤维复　　合材料，２００９，（２）：２４－２６．　　　　　［１４］ＴａｍａｓＶａｒａｄｙ，ＭｉｃｈａｅｌＡ．Ｆａｃｅｌｌｏ，ＺｓｏｈＴｅｒｅｋ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｅｘｔｒａｃ．　　　　　　　—　ｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｄｉｇｉｔａｌｓｈａｐｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｒｎ—　　ｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ，２００７，３９（５）：３７９－３８８．　　　　　　　［１５］成思源，谢韶旺．ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ逆向工程技术及应用［Ｍ］．北　　　京：清华大学出版社，２０１０．８－１５６．　　　　　　　　［１６］潘利剑，靳交通，彭超义，曾竞成．玻璃钢复合材料性能试验方　　　法及其改进［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，２０８（５）：４６４８．’　　　　　’　　　　ｌｌＨＥＲＥＶＥＲＳＥＭ０ＬＤｌＧｏ量Ｃ０ＭＰｏＳＩＴＥ０ＡＲＨＵＢ　—　　　ＸＵＺｈｅｎｙｕ，ＬＩＳｈａ，ＳＨＩＰｅｎｇ　　　　　　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅｆｅｒｓｔｏｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇａｉｎｉｎｇｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｒｏｍｅｘｉｓｔｉｎｇｏｂｊｅｃｔｓａｎｄ　　　　　　　　　　　　　　—　ｒｅ－ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｕｃｈｆｉｅｌｄｓａｓｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｍｏｌｄｓ，ｂｉｏｌｏｇｙａｎｄｍｅｄｉｃａｌｓｃｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｎｅｅ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｏｒｔｓｔｏＡＴＯＳｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｎｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＧｅｏｍａｇｉｃ，Ｐｒｏ／Ｅ，ｒｅｖｅｒｓｉｎｇｔｈｅｏａｒｈｕｂ　　　　　　　　　　　　　　ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ，ａｎｄｐｅｒｆｏｒｍｓａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｙｉｎｇｓｔａｔｅ．　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｏａｒｈｕｂ；ｍｏｌｄｉｎｇ；ＡＴＯＳ；Ｇｅｏｍａｇｉｃ；Ｐｒｏ／Ｅ；ＡＮＳＹＳ　　（上接第６７页）　　　　　　ＰＲ０ＧＲＥＳＳＩＮＲＥＳＥＡＲＣＨｏＦＩＮｏＲＧＡＮＩＣＦＵＮＣＴＩＯＮＡＬ　　　　　　　　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＭＯＤＩＦＩＥＤＢＩＳＭＡＬＥＩＭＩＤＥＲＥＳＩＮＳ　　　ＱＩＵＪｕｎ，ＷＡＮＧＺｏｎｇ－ｒｕｉｎｇ　　　　　　　　　（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，　　　　　　　　　　ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｏｍｅｉｎｏｒｇａｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｍｏｄｉｆｉｅｄｂｉｓ．　　　　　　　　　　　　ｍａｌｅｉｍｉｄｅ，ｓｕｃｈａｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｇｒａｐｈｉｔｅ．Ｍａｉｎｌｙｒｅｖｉｅｗｓｉｎｏｒｇａｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｍ．　　’　　　　ｐｒｏｖｅｄｔｈｅＢＭＩＳｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｆｌａｍｅｒｅｔａｒｄａｎｔ，　　　　　—　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎ．ｅｔｃ．．ａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｔｈｅｄｅ　　　　　　　　ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃｆｕｎｅｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｍｏｄｉｆｉｅｄＢＭＩ．　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｏｒｇａｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ；ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ　　　　￣ＲＰ／ＣＭ２０ｔｉＮｏｉ４