汽车覆盖件逆向设计及其模具设计

汽车车门外板计算机辅助逆向设计

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摘 要

本文所研究的汽车覆盖件的数字化建模，在现代汽车制造业中起到了非常重要的作用。本文以富康牌小轿车左后门作为研究对象，进行了车门的曲面逆向重构及车门覆盖件模具设计。

文章对车门外板利用三维激光扫描仪进行三维坐标测量得到点云数据，对所得点云数据使用逆向工程软件CATIA进行预处理。包括点云的抽稀、修剪、补洞、形成三角网格等；用CATIA软件对其进行逆向工程加工，即进行曲面重构，得到重构出的车门曲面；以重构出的曲面为基础，对车门外板的拉伸模具进行结构设计，在SolidWorks软件中做出凸模、凹模和压料圈等结构；在此基础上，计算拉伸模具的冲压过程中模具的受力情况，利用SolidWorks软件中的Simulation对拉伸模具进行有限元分析。

关键词：汽车覆盖件；逆向工程；拉伸模具；有限元分析

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ABSTRACT

This task is about the Digitized Modeling of the automobile panels, which plays an important role in the Automobile Manufacture in modern times. In this article, we select the left back door to carry on a series of investigation including surface reconstruction and drawing dies.

In this thesis, we use the Three-dimensional to scan the car door panels, and we achieve the point cloud. Then we choose CATIA, which is a high-class software of Inverse Engineering, to process the data. Next ，it’s the processing of the point cloud and surface reconstruction. As the surface finished, the drawing dies need to be modeled. To meet the challenge, we construct them by the software of SolidWorks. There are three parts in the drawing dies, which are punch, die and blank-holder. On the basic of the drawing dies, we need to analyze the load-carrying capability of the drawing dies. As a result, there is some CAE Analysis by SolidWorks Simulation.

Keywords: Automobile Panels, Inverse Engineering, Drawing Dies, CAE Analysis

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目录

第一章 概论 ................................................... 1 1. 课题内容及意义 ............................................. 1 2. 汽车覆盖件国内外研究现状 ................................... 1 2.1 国外研究现状与分析 ...................................... 2 2.2 国内研究现状与分析 ...................................... 2 3. 逆向工程的发展状况 ......................................... 3 4. 现代汽车模具工业发展趋势 ................................... 3 5. 课题研究技术路线 ........................................... 4 第二章 车门外板点云数据的预处理 ............................... 5 1. 车门外板点云的采集 ......................................... 5 1.1 三维激光扫描仪介绍 ...................................... 5 1.2 点云的获取 .............................................. 6 2. 点云的抽稀 ................................................. 6 3. 点云数据的修剪 ............................................. 7 4.三角网格的建立 ............................................. 7 5. 修补曲面 ................................................... 8 第三章 车门外板的曲面重构 .................................... 10 1. 曲面重构的方法 ............................................ 10 2. 车门板面的重构 ............................................ 10 3. 车门窗框的重构 ............................................ 13 4. 车门连接的重构 ............................................ 15 5. 车门把手的重构 ............................................ 16

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第四章 车门外板的拉伸模具结构设计 ............................ 19 1. 拉伸模具介绍 .............................................. 19 2. 拉伸模具结构设计 .......................................... 20 3. 凸模和凹模的设计 .......................................... 22 3.1 凸模和凹模介绍 ......................................... 22 3.2 凸模和凹模的结构设计 ................................... 22 3.3 凸模和凹模的圆角设计 ................................... 25 3.4 凸模和凹模的间隙设计 ................................... 25 4. 压料圈的设计 .............................................. 26 5. 辅助装置的设计 ............................................ 27 5.1 导向装置 ............................................... 27 5.2 卸料装置 ............................................... 28 第五章 拉伸模具工艺计算及主要参数确定 ........................ 29 1. 毛坯尺寸的确定 ............................................ 29 2. 模具相关重要尺寸的确定 .................................... 29 3. 计算拉伸工序的力 .......................................... 29 4. 修边力、卸料力、推件力及顶件力的计算 ...................... 30 第六章 车门外板拉伸模具的CAE分析 ............................ 34 1. 车门外板拉伸模具CAE分析的意义 ............................ 34 2. 软件对拉伸模具的有限元分析 ................................ 34 2.1 凹模的有限元分析 ....................................... 35 2.2 凸模的有限元分析 ....................................... 36 第七章 结论 .................................................. 39 致 谢 ........................................ 错误！未定义书签。

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参考文献 ...................................................... 40 附录 .......................................... 错误！未定义书签。

概论

第一章 概论

1. 课题内容及意义

我国的汽车制造工业虽然正以前所未有的速度发展，但是目前产品的自主研发与创新能力明显不足，大多还是靠技术引进，而关键零部件和核心技术仍依赖国外公司。其中，汽车覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节，其产品的开发及模具设计与制造更是受制于其他国家。

运用逆向工程，对汽车覆盖件的数字化建模不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，使产品的外观或局部性能更好地满足不同用户的需求，而且缩短了产品设计周期，降低了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合，即CAD/CAE/CAM以及RPM(快速成型制造)的综合运用将使我国汽车制造业产生前所未有的本质变化。

为此，本课题以富康牌汽车的左后门外板为研究对象，对其进行三维测量并且进行逆向的曲面重构，并创建拉伸模具，对其进行分析，完成CAD/CAE的综合应用。此次汽车覆盖件的数字化建模设计有助于我们进一步学习和研究有关逆向工程以及模具制造等方面的技术，培养我们的实践和自学能力。通过对该模型的曲面重构和拉伸模具设计，综合的运用了CAD/CAE知识和方法，培养善于运用计算机技能、工程图纸以及书面和口头表达工程技术的能力,同时也训练我们查阅应用中外科技文献，提高我们的综合能力，为研究生阶段打下一定的基础。

2. 汽车覆盖件国内外研究现状

汽车覆盖件的设计与开发，主要归结为汽车车身的开发。车身设计开发技术是汽车（尤其是轿车）自主开发能力的重要组成部分，我国与国外先进技术还是有很大的差距。

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概论

2.1 国外研究现状与分析

目前，国外已经形成一套成熟的从概念设计到造型风格的理论与方法，并采用基于正向设计思路开发新产品，然后根据市场的需求变化，再进行车身改型或改装来改进产品。

由于国外CAD/CAE/CAM技术应用较早，软硬件系统功能强大，各大汽车公司已普遍建立了完善的虚拟产品开发系统，已积累了大量的经验和品牌风格。因此，对汽车覆盖件的三维重构，国外更多的是着眼于研究二维图向三维模型转换的智能识别与自动重构系统[1][2][3]和对实物逆向的曲面重构技术

[4][5]

，并提出了许多有效的理论和方法。对汽车覆盖件的工艺分析与成形仿

真，国外各汽车公司非常重视在产品批量生产之前对产品的工艺分析和可成形性与冲压工艺的研究与优化。当产品结构设计与制造工艺发生矛盾时，通常采用修改产品结构的方法来达到既满足整车结构又满足制造工艺要求[6]。同时，国外从概念设计开始就大量采用有限元模拟技术，实现对产品的动力学分析、虚拟装配等的有效分析和预防，大大节省了开发成本，缩短了产品开发周期。

2.2 国内研究现状与分析

与国外的发展现状相比，我国从严格意义上对车身开发还没有形成从概念设计到造型风格的系统工程[8],新产品的开发能力很弱，更多的是通过引进国外技术或委托国外公司进行对汽车的开发。

国内对由二维工程图纸重构出三维CAD模型的研究也比较广泛、深入，发表了大量的论文[9][10]，但对汽车覆盖件等特别复杂的零部件研究相对较少，尤其是没有形成成熟的系统理论和行之有效的方法。对于逆向工程技术，我国在跟踪国外的研究理论、算法和方法进展的基础上进行了较多的应用研究，并取得了较大的理论成果，已成功应用于汽车车身的开发实践。对于汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，在国内，对整车性能及效果、冲压件的工艺性及经济性的重视还不够，导致产品制造成本高、质量差。同时，我国在

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[7]

概论

有限元分析方面，大大落后于国外的发展应用水平，计算机辅助与虚拟产品开发基础薄弱。在实际的汽车覆盖件工艺分析中，大部分依靠专家的经验来分析。

随着我国加入WTO，市场竞争的不断加剧，各大公司正逐渐建立起自己的信息系统平台，各种主流软件正逐渐被应用于汽车产品的开发中。我国在先进计算机技术、虚拟数字化技术等方面的研究与应用水平正逐步向国外看齐。

3. 逆向工程的发展状况

逆向工程技术(Reverse Engineering，简称RE)是随着计算机技术的普及和进步，以及计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)的迅猛发展而发展起来的。它是一个多学科综合性的术语，是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创造思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计

[11][12]

。

在制造业，逆向技术是根据实物模型和样件测量数据，建立数学模型，得到其设计思想，从而进一步修改原有设计，然后将这些模型和表征用于产品分析、制造和加工生产的技术。随着数控测量技术的发展，这种技术己被广泛应用于机械、轻工、航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造业的各个领域[13]。

4. 现代汽车模具工业发展趋势

随着汽车工业的迅速发展，新车型更新换代的速度不但加快，传统的覆盖件模具设计制造方法已不能适应产品开发的要求。汽车覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车产品的质量和新车型的开发。覆盖件模具因其设计制造难度大、周期长而常常成为制约汽车生产的主要因素。通用的二维CAD系统无法满足模具设计的一些特殊要求。为了提高模具设计的技术水平、缩短模具设计周期，应用针对汽车覆盖件模具结构设计的CAD系统进行设计是十分必要的。

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概论

5. 课题研究技术路线

汽车覆盖件的数字化建模，包括了覆盖件的点云数据采集、数据处理、曲面重构、建立拉伸模具、CAE分析等方面，需要分步骤完成。本课题的研究步骤如下：

（1）根据课题任务要求，阅读查阅国内外相关资料，了解逆向工程的相关知识，并学习CATIA软件。

（2）用三维激光扫描仪对富康车左后门外板进行扫描，获得点云数据，并且用CATIA软件对获得的数据进行处理。

（3）用CATIA软件将处理的点云数据进行曲面重构。

（4）以重构的曲面为基础，用SolidWorks软件的模具设计模块进行拉伸模具设计。

（5）用软件对拉伸模具进行CAE分析。

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车门外板点云数据的预处理

第二章 车门外板点云数据的预处理

1. 车门外板点云的采集

1.1 三维激光扫描仪介绍

近年来，随着传感技术、控制技术等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面数字化方法。数据的采集方式主要有两种[14][15][16]：一是传统的接触式测量法，如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等；二是非接触式测量法，如激光三角法、图像法、距离法等。

三维激光扫描仪是指在三维可测的空间范围内，能够根据测头系统返回的点数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状、尺寸等测量能力的仪器。其工作原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测量出被测零表面的点在空间三个坐标位置的数值。本次数据测量采用STINGER柔性臂三维激光扫描仪，轻便易操作，它具有测头自动识别和补偿功能，并且主轴可以无限旋转，能够检测到不容易达到的位置，并且避免臂身在旋转过程中突然停止带来的伤害。三维激光扫描仪见图2-1。

图2-1 三维激光扫描仪

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车门外板点云数据的预处理

1.2 点云的获取

测量时，首先选择适当的位置放置三维激光扫描仪，保证车门外板在测量范围之内。然后旋转测头，将车门外板均匀扫描。在扫描过程中，应当注意以下方面：三维激光扫描仪和车门相对位置不可移动，测头与车门之间的距离要适当，以减少或避免出现不必要的噪声。

2. 点云的抽稀

三维激光扫描仪对车门外板进行扫描，由于人为的操作，往往会获得很大的点云数据，而其中包括大量冗余数据，这样会对后面的曲面重构带来困难。因此，对扫描出的文件，需要在逆向工程软件中按照一定的要求去除重复数据；同时一些对重构结果影响不大的数据点，也要相应地去除。

选用CATIA这一软件完成点云处理以及后续的曲面重构。CATIA软件是逆向工程的软件之一，其各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维、有限元分析、模具和数控加工的程序中。同时，它还有强大的曲面、结构设计功能。现在，CATIA软件比较广泛地用于汽车、航空航天、轮船、军工、仪器仪表、建筑工程、电气管道、通信等方面。因此在汽车制造行业，许多国内外知名公司都采用了CATIA这一成熟的软件。

在CATIA软件的Digitized Shape Editor（DSE）模块中，首先Import（导入）点云文件，选择Filter

选项，对点云数据进行稀释，稀释后

的点云数据如图2-2。过滤多少必须适当，过滤过多的点云数据将使点云数据过少，无法表现原始点云数据的外形，如果过滤太少将使点云数据过多，浪费计算机资源。

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车门外板点云数据的预处理

图2-2 抽稀后的点云数据

3. 点云数据的修剪

稀释后的点云数据，由于在扫描中的各种原因，有一些多余的不必要的点云，与所需点云数据不在同一曲面上，如图2-3。这时需要进行修剪，将不需要的点云数据删除，才可以进行后续的曲面重构任务。因此，使用QSR模块中的Remove（删除点）

功能对其进行处理。

图2-3 多余的点数据

4.三角网格的建立

修剪后的点云数据，由于点云的曲面可能不够平滑或者有孔洞，需要用

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车门外板点云数据的预处理

Mesh Creation（建立网格）功能，建立适当的三角网格。完成后，将点

云隐藏。形成的三角网格如图2-4。

图2-4 三角网格

5. 修补曲面

在扫描过程中有时会遇到一些无法扫描到的部分，或者点云抽稀时，抽稀过度，局部点云被删除，形成了孔洞。此时就必须利用Fill Holes（孔填充）

功能将残缺的地方填补起来，以便进行后续的曲面重构。孔填充

时，首先设定补洞的间距规格，然后选择孔洞的边缘，此时将会出现绿色边线，点击确定，形成了边线范围内的多个连续的三角面片。完成孔洞的填充。如图2-5,2-6,2-7。

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车门外板点云数据的预处理

图2-5 孔洞

图2-6 孔填充编辑

图2-7 曲面修补完成

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参考文献

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