有限元技术在产品逆向设计中应用研究

1、基金项目：国家建设部科技项目（2007K615）安徽建筑工业学院硕士科研启动项目（2006120133）3333333333333333有限元技术在产品逆向设计中应用研究陈雪辉，袁根福（安徽建筑工业学院机械与电气工程系，合肥230601）1引言反求工程（RE ）是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。在产品设计领域，逆向工程就是通过各种手段对产品实物进行三维测量，根据测量数据制造出同类新产品的过程，主要应用于新产品的设计与开发、已有产品的剖析和再设计等。而有限元（FEM ）技术是计算机辅助工程领域应用最为活跃的一种现代计算方法，它能够有效地预测、模拟产品成型

2、过程中的受力、变形、缺陷等产生的情况，当前已成为产品的优化设计、创新设计最重要的工具和手段。本文在产品传统设计模式的不足和RE 、FEM 技术各自优点的基础之上，将FEM 技术引入到产品的逆向设计过程中，介绍了联合利用RE 和FEM 技术进行产品设计的应用步骤和一般思路，并以某款电脑鼠标的开发设计为例进行了详细说明。2产品设计模式分析2.1产品传统的设计模式工业产品的传统开发流程是一种预定的顺序模式，即从市场需求抽象出产品的功能描述（规格及预期指标），然后进行概念设计，在此基础上进行总体及详细的零部件设计，制定工艺流程，通过初步审查，设计工夹具，完成加工及装配，在绝大多数情况下还需制作产品原型

3、或物理样机，对其检验及性能测试符合要求后再进行批量生产。这种开发模式的前提是已经完成了产品的蓝图设计或CAD 造型，其开发设计过程参见图1。由图可见，这种设计模式至少有以下不足：（1）产品的设计、改型困难。在许多情况下，产品并非来自概念设计，而是起源于已有的产品、实物或模型，如果要进行仿制或再设计，则必须获得样机原型的数字模型，而在传统设计模式中对于复杂产品若没有原始设计图纸，仅靠手工测绘几乎是无法实现的。（2）产品的设计制造周期长、生产成本高。工业产品的工艺设计和结构设计一直采用传统的凭经验、试验方法，这种设计方法往往难以满足制造工艺的要求，并且需要试制物理样机进行多次试验，从而使得设计周期

4、长、生产成本高。2.2产品逆向设计模式实践证明，作为先进制造技术的重要组成部分，逆向工程技术在汽车、家电、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵器等众多行业中得到广泛的应用和推广，取得了重大的经济效益，与传统的正向设计相比，逆向设计具有设计精度高、设计周期短的明显优点，因此得到了广泛的应用，其用于产品开发的过程见图2。由图可见，逆向工程技术的最终目的不是复制出摘要：逆向工程（）和有限元（）技术是近年来较多用于新产品开发过程中的两种现代设计方法，分别在产品的仿制、改型和分析、优化领域获得广泛应用。文中将二者有机结合进行新产品的设计开发，介绍了有限元技术在产品逆向设计中的应用步骤和一般思路，并通过

5、一个具体事例进行了详细说明，同传统的产品设计模式相比，该模式显著地提高了工作效率，缩短了新产品的开发周期。关键词：有限元技术；逆向工程；产品设计中图分类号：P391.7文献标识码：文章编号：（8）10102Application Research of Finite Element Technology in Product Reverse DesignCHEN Xue-hui,YUAN Gen-fu（Department of Mechanical and Electric Engineering ，Anhui Institute of Architecture &Industry

6、，Hefei 230601，China ）：In recent years, Reverse Engineering （RE ）and Finite Element （FEM ）technology is considered to be two modern design methods in new products development, they are given extensive application in product copy, improvement, analysis and optimization. In this paper, the two technolo

7、gies are used to develop new product, the application steps and general idea of FEM technology in product reverse design is introduced, and through a practical example explains the idea in detail. In comparison with the conventional method, the design pattern improves work efficiency significantly a

8、nd shortens the development cycle of new products.：finite element technology; reverse engineering; product design概念设计CAD 设计图纸产品原型或物理样机审查不合格合格试验测试合格新产品仿真建模CAD CAM CAPP制造业信息化NUFACTURING INFORMATIZATION机械工程师8年第10期102原型产品，必须要根据实际需要加以适当改型，在“形似”的基础上达到“神似”，甚至于超出原型才是其精髓之所在。但是怎么保证修改重构的CAD 模型能够符合设计要求并且具有良好的可加

9、工性？在产品逆向设计模式中仍然需要制作产品样机进行性能试验检测是否符合设计要求才可以进行实际生产。显然这种设计模式虽然较好地解决了传统模式的第一个不足，但是却不能避免“必需试制物理样机进行多次试验”的缺陷。2.3基于RE&FEM的产品设计模式本文拟采用的设计模式流程图如图3所示。由图可知，在产品的逆向设计过程中引入有限元技术具有以下几点主要优势：（1）缩短了再设计和复制品分析的循环周期；（2）验证逆向建模的准确性；（3）通过分析更好地理解原型产品的设计思路，发现其优点及不足；（4）增加逆向产品和工程的可靠性；（5）对反求得到的CAD 模型进行优化设计，以期达到或超过原型的设计水平；（6

10、）模拟各种试验方案，与原型产品进行功能对比，减少试验时间、次数和经费；（7）在逆向产品制造前预先发现潜在的问题。可见，RE 技术解决了产品传统开发模式设计改型的困难，而FEM 技术则恰恰满足了需要大量试验测试的要求，因此，如果在产品的开发设计过程中综合利用逆向工程和有限元技术，实现强强联合，必然会又快又好、保质保量地实现产品快速开发设计。在这种设计模式中，有限元分析实质上起到是一种“模拟仿真”或“虚拟试验”的作用，很多时候，它的结果是作为一个定性的参考，用于指导再设计的进行或改进，尽最大可能将实际试验次数减少到最少，从而缩短产品的开发周期、降低设计成本，但不能完全代替物理样机试验。3应用实例3

11、.1实际设计流程针对市面上某款热销的鼠标为原型，首先采用专业逆向设备获取点云数据，然后借助 “ Imageware +UG ”进行适当的改进造型，获得鼠标的三维数字模型；在获得鼠标的CAD 模型后只有据其设计出相应的加工模具才算得上真正完成整个逆向设计；为了设计出这个加工模具，借助专业有限元工具Moldflow 进行各种分析，预测鼠标注塑制造过程中的最佳浇口位置、填充（Fill ）分析、流道平衡分析及Flow 分析的相关数据，从而得到模具的最优设计方案。采用的设计流程图如图4所示。3.2鼠标造型的逆向设计数据测量采用三维激光抄数机，扫描所得到的原始点云如图5所示。由于装夹位置等原因，鼠标顶部部

12、分所测量效果略差，但因为曲面为光滑过渡，有一定的规律性，所以并不影响最终的曲面造型。目前能对点云曲面进行处理的软件有很多，本文采用Imageware 12，经过点云的补齐、删减、去冗等适当处理后，对点云数据进行划分，遵循点-线-面的原则依次构出各个表面，得到鼠标逆向造型如图6所示。通过Imageware 软件处理后所得到的只是物体的各个表面，并不能进行直接加工或分析，还需要将处理后获得的数据导入到正向软件中进行实体化，根据实际需求对产品的外形、结构进行适当的改型设计，获得物体的三维实体模型，这里用的正向软件为UG NX ，经过UG NX 实体处理后最终所得产品效果图如图7所示。3.3鼠标模具的

13、有限元分析由于鼠标一般为注塑件，获得了鼠标的三维数字模型后，需要由其设计出相应的加工模具，通过分析，整个鼠标外形构造包括上盖、左右前盖和下盖等几部份，这里以鼠标的上下盖及其组合型腔模具的设计为例进行分析。将模型文件的导入进行网格划分，定义好适当的边界条件后及求解控制条件后进行求解计算。考虑到模具设计的合理性、熔体在型腔内流动的平衡性以及后续组合型腔模具设计的可行性，将浇口的实际位置设定在图8中所示的圈选区域内。在此基础上设置适当参数建立浇注系统如图9所示。经过Fill （填充）分析计算后，发产品样件数字化测量数据处理修改重构CAD 模型审查不合格新产品产品样件数字化测量数据处理修改重构CAD

14、模型数值计算模拟仿真合格不合格合格不合格试验测试新产品优化设计鼠标原型扫描方案确定进行扫描点云处理点云分割点云数据过滤曲线建立曲面建立鼠标逆向部分Imageware 实体建模（UG ）有限元分析（Moldflow ）鼠标模具设计图5电脑鼠标原始点云图6电脑鼠标逆向完成图图7电脑鼠标最终效果图实际最佳浇口位置进料装置主流道分流道潜伏式浇口图8上、下盖实际最佳浇口位置分析图9组合型腔的浇注系统图103机械工程师8年第10期制造业信息化仿真建模CAD CAM CAPPNUFACTURING INFORMATIZATION合格!现分流道直径设置不尽合理，造成了很大的流动不平衡度，因此对流道的平衡性进行

15、分析，优化了浇注方案；在平衡约束条件下计算得到的优化浇注方案如图10所示，从结果整体来看，流道的平衡优化是比较理想的。为了验证优化后方案的可行性，又对其进行流动保压分析。图11为优化后的组合型腔的流动（Flow ）分析结果图。从图中可以明显看出，填充时间分布、两个型腔的压力分布以及进料口的压力变化都是比较均匀的，从而表明组合型腔调整后熔体流动是平衡的。从有限元分析可以看出，模具优化后的设计方案合理有效，利用上述分析结果得到的模具的浇口合理位置、流道的优化尺寸和浇口的直径等关键设计参数，继而再采用专业模具设计软件UG/MoldWizard等就可以很容易地设计出电脑鼠标的制造模具了。4结语本文将有

16、限元数值模拟技术和产品逆向设计技术两种现代设计方法进行有机结合，介绍了有限元数值模拟技术在产品逆向设计中的应用步骤和一般思路，并以某款鼠标的开发设计为具体应用实例进行了详细说明。同传统的产品设计方法相比，该方法可以显著提高工作效率，在最短的时间内获得最优加工方案，最大限度地缩短产品的生产周期和节约制造成本，其实际应用具有较强的实践指导意义。参考文献Ferreira J C, Mateus A S, Alves N F Rapid tooling aided byreverse engineering to manufacture EDM electrodes J International J

17、ournal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 34（）：1133-11432曾翰通，李明，顾佳明. 逆向工程应用中的技术集成及优化再设计J . 机械工程师，2002（7）：29-31.（编辑立明）作者简介：陈雪辉（1977-），男，讲师，硕士，研究方向为CAD/CAE。收稿日期：2008-08-13分流道体积变化百分比填充时间分析图10上、下盖体组合型腔的流道优化平衡分析填充时间V/P转换点压力.028s s 1.0290.000019.00MPa 80.0070.00浇口位置压力曲线Pressure at injection locat

18、ion:XY Plat时间/s图11优化后组合型腔的Flow 分析72.2-75.85-81.43-86.01-90.600.0000基金项目：内蒙古自治区自然科学资金资助项目（20040820814）!曲面模型精度区域精准化方法研究侯国华，胡志勇，范文学（内蒙古工业大学，呼和浩特010051）在复杂曲面反求工程中，要将实体模型转换成STL 曲面模型1。STL 文件在当今的反求工程技术中已经成为数据交换的事实标准。STL 曲面模型就是将实体模型的摘要：针对曲面模型中关键区域的曲面表示精准化问题，提出了相关的精度区域精准化方法。利用这一方法不但确保了曲面各部分在不同精度要求的情况下，达到良好的光顺效果，而且缩短了文件尺寸，减少了计算机对文件数据的处理量，加快了计算机对该文件的运行速度。关键词：曲面模型；精度；特征提取；区域精准化法中图分类号：P391.7文献标识码：文章编号：（8）101042Study on the Area Accurateness Method for STL Curved Surface Model PrecisionHOU Guo-hua,HU Zhi-yong,FAN Wen-xue（Inner Mongolia Polytechnic University, Huhhot 010051, China ）：This paper proposed th