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)



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，能够快速对重构后的模型进行再设计，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

0引言

逆向工程(Reverse Engineering，RE)是先进制造领域的一项关键技术手段，它是根据已经存在的产品实物模型，通过反向设计获取产品原始设计参数的过程。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便捷性和操作性[1-3]。参数化的逆向建模技术能够快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工程(CAE)，它包括产品设计、工程分析、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统，其中有限元分析法是运用最广泛的一种数值方法[4]。本文将参数化的逆向建模技术和CAE技术集成应用，能够提高产品设计水平和效率，加快产品创新步伐，提高企业的市场竞争力，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，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，建立初始的有限元模型，包括定义材料属性、网格划分、施加约束和载荷等，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，否则通过修改参数后再进行求解。在优化结束以后，还应该对选定的优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。

图1　基于逆向工程的参数化优化设计流程

2基于连杆的参数化逆向建模

2.1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ScanWorks V4i激光扫描头，测量精度为0.024mm[5]，扫描数据如图2所示，扫描并获得表面点云数据如图3所示，然后将点云数据导入到逆向软件Geomagic Design Direct中，为点云着色、采样、降噪、封装等一系列处理，最后得到连杆网格化后的模型如图4所示。

图2　扫描数据

图3　连杆的点云数据

图4　连杆表面网格化

2.2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和正向设计方法的长处，具有强大的基于三维网格面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。

图5　Geomagic Design Direct混合建模流程

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取特征、绘制草图、调节尺寸、新建2D绘图以及更多操作，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，通过提取二维截面轮廓线对其主要轮廓进行编辑，可完成参数化的设计，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，最后选择“组合”工具，对其进行布尔运算，完成连杆三维模型的重构，如图8所示。

（1）产业是国家经济发展的基石，城镇化又是产业发展到一定阶段的必然产物，随着信息技术已经成为社会发展的主要驱动力，信息产业在推动经济发展、调整产业结构中发挥越来越重要的作用。信息产业中的高新技术能够提升产业竞争力，信息产业的发展又能够促进城镇产业结构的优化，从而提高城镇劳动生产率、带动城市经济增长，所以在新型城镇化建设过程中，要注重加强信息产业的发展，充分利用信息产业带动地方区域经济发展的有力条件，加快城镇化建设的进程。

图6　编辑连杆的截面线

图7　拉动后的实体特征

图8　重构后的连杆模型

3连杆的有限元分析

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述[6]。一般情况下，CAD设计软件得到的零件需要通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，直接影响后续的CAE分析[7]。在逆向软件Geomagic Design Direct中将完成重建后的连杆模型保存为通用的格式，例如X_T、STL、IGES等，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。

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精度和效率[8-9]。将连杆重构后的CAD模型导入到Workbench中，随即在Workbench中会建立一个关于连杆仿真的文件，针对该零件选用的是六面体(Hex)单元，它相对与四面体单元具有更好的力学性能，在达到同一精度的情况下，六面体单元的数目远小于四面体。网格划分的效果如图9所示。

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位移函数在边界上的初始条件[10]。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

完成以上的步骤后，在solution中选择要计算的等效应力和形变云图。在结构静力学分析中，主要判断指标是零件受到的最大应力不大于其许用应力，求解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号钢的抗拉强度为250MPa[11]，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很小，满足使用的要求，整个重构后的零件满足结构静力学的要求，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10　连杆等效应力云图

图11　连杆形变云图

4连杆的结构优化设计

结构优化设计中的模型通常有多个设计参数可供调整，但是每个设计参数对结构性能的影响程度是不同的，结构优化之前首先要确定优化模型，而优化模型的建立主要包括设计变量、约束条件以及目标函数的确定[12-13]。设计变量的选择不仅对优化结果有一定的影响，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

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中进行参数化优化，需要将图8中重构出的连杆模型导入到Solidworks、Pro/e等正向软件中，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部分，可以添加连杆材料、划分网格、设置边界条件等。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。

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。

表1　优化参数变化范围

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。

表2　设计点对应的输入与输出参数值

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，按照以上的优化设置，计算得到A、B、C三组候选设计点如表3所示。

表3　候选优化设计点

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可知，A、B、C得到的目标值近似相等，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

取P5=6.5mm，P2=4050N，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。

图13　优化后的连杆应力云图

图14　优化后的连杆形变云图

5结论

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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(编辑李秀敏)

Parametric Optimization Design Based on Reverse Engineering

ZHOU Xiao-dong，CHENG Si-yuan，YANG Xue-rong，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 was proposed.Firstly, the point cloud data was obtained by scanning which was then imported into Geomagic Design Direct reverse software, and the model was reconstructed by using forward and reverse parametric modeling methods.Then the model was imported into Workbench, the finite element model was constructed for further optimization calculation . Examples show that the method of parametric optimization design based on reverse engineering was adopted, which the reconstructed model redesign was accelerated, the cost of product development was reduced and a new train of thought for innovation design of products was provided.

Key words：reverse engineering; parametric optimization; parametric modeling; finite element model

中图分类号：TH166;TG506

文献标识码：A

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,(E-mail)zhouxiaodong605@163.com。

*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)

收稿日期：2015-05-05；修回日期：2015-06-03

文章编号：1001-2265(2016)03-0037-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.010