一种基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法与流程

本发明属于逆向工程cad建模技术领域，具体涉及一种裂解连杆断裂面三维逆向重构以及几何模型构建方法，特别涉及一种基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法。

背景技术：

由于连杆工作条件恶劣，运动状态复杂，连杆的强度、疲劳寿命研究以及连杆优化设计均需要运用有限元分析、计算。而建立符合连杆真实外形和结构尺寸的三维模型是进行有限元分析的前提。

裂解加工技术是目前连杆生产的最新技术，在减少加工工序、降低生产成本方面具有传统连杆加工方法无可比拟的优越性。断裂剖分后获得的具有互锁特征三维凹凸结合面，实现了连杆体、盖的完美啮合。裂解连杆与传统机加工连杆的最大区别在于连杆结合面的形态，即断裂形成三维凹凸面代替了机加工平面。由于连杆断裂结合面呈犬牙交错的自然形态，属于异形曲面，很难对断裂面进行量化,因此建模成为难题。

目前，用于模拟计算的裂解连杆模型其断裂面是用平面代替，没有现成的物理模型。在进行连杆结构强度、疲劳寿命等性能分析时，基于平面构建的模型不能反映裂解加工连杆的真实承载状态。鉴于此，考虑利用逆向三维重建的方法重构断裂面，建立裂解连杆的三维模型并进行结构强度及疲劳寿命分析。

逆向工程是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，根据已经存在的产品模型的测量、数据处理，并在此基础上构造出产品的三维cad模型进行再设计的过程。曲面重构是逆向工程的关键技术，其中，nurbs在形状定义方面的强大功能，能比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。综上所示，如能利用nurbs曲面造型的优势，逆向重构裂解面并构建裂解连杆三维模型，这是一种新的尝试，具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

为解决裂解连杆结合面建模的难题，本发明提供一种基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法，通过逆向工程，利用nurbs曲面实现裂解连杆断裂面的三维重构，还原断裂面的真实形貌特征，在此基础上建立整个裂解连杆三维模型，用于裂解连杆结构强度、刚度、疲劳寿命分析及裂解连杆的优化设计等有限元模拟计算。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法，包括以下步骤：

a、获取裂解质量合格的连杆样件，利用高精度光学系统，获取连杆断裂面点云数据；

b、通过检测，去除孤点、重叠点和噪音点优化点云数据；

c、对点云进行封装三角形网格处理，优化三角网格质量；

d、进入多边形阶段，通过探测曲率，松弛边界，拟合轮廓线，构造曲面片，修复多边形网格缺陷；

e、将曲面参数化，运用nurbs拟合曲面，得到断裂面三维模型；

f、将重构的断裂面导入cad，以断裂面为基准，通过草图、拉伸和布尔运算，得到裂解连杆体、连杆盖的三维模型，并装配获得裂解连杆三维模型。

步骤a，所述连杆样件是利用高速光学跟踪仪扫描获得的点云数据，与现实中裂解面形貌特征实现完全匹配。

步骤b具体为：将偏离主点云的孤点、超出指定移动限制的点以及重叠点云删除，通过挤压扫描数据带减少噪音点。

步骤e，所述运用nurbs拟合曲面的步骤为：nurbs通过四边域参数调整曲面的节点矢量和权因子来控制形状，根据参数方向u和方向w，创建曲面的节点矢量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、本发明使用高精度光学测量系统获取裂解面点云数据，使得裂解面真实形貌特征得以保留。

2、本发明利用逆向工程技术，通过nurbs曲面拟合断裂面，有效的解决了裂解连杆断裂面三维重构这一工程问题。

3、相比平面结合面，逆向重构的断裂面更能反映裂解连杆结合面的真实形貌特征，在次基础上构建的连杆三维几何模型,可用于裂解连杆性能分析和结构优化等有限元模拟计算，更具应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法整体流程图；

图2是用于扫描的裂解连杆及断裂面样件图；

图3是经过扫描后获得的断裂面点云数据图；

图4是点云优化后数据图；

图5封装三角形网格图；

图6曲面与控制点之间的关系图；

图7是nurbs曲面拟合图；

图8a是连杆大头端盖的三维模型图；

图8b是裂解连杆体的三维模型图；

图8c是连杆体与盖的装配体图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于断裂面三维重构的裂解连杆建模方法，包括以下步骤：

a、获取裂解质量合格的连杆样件，利用高速光学跟踪仪扫描裂解面，获得裂解面点云数据，与现实中裂解面形貌特征实现完全匹配；

b、通过检测，删除孤点、重叠点和噪音点优化点云数据；

c、对点云进行封装三角形网格处理，优化三角网格质量；

d、进入多边形阶段，通过探测曲率，松弛边界，拟合轮廓线，构造曲面片，修复多边形网格缺陷；

e、将曲面参数化，运用nurbs拟合曲面，nurbs通过四边域参数调整曲面的节点矢量和权因子来控制形状，根据参数方向u和方向w，创建曲面的节点矢量，拟合成nurbs曲面；

f、将重构后的三维裂解面作为step文件输出，并导入cad，再通过草图、拉伸和布尔运算建立裂解连杆体、连杆盖的三维模型，并对连杆体、盖进行装配获得完整的裂解连杆三维模型。

本发明运用nurbs拟合曲面，重构裂解面后，将其导入cad,在裂解面的基础上建立整个裂解连杆的三维模型并用于裂解连杆强度、疲劳寿命分析和结构优化设计等有限元模拟计算。

上述方法具体包括以下步骤：

a、取裂解面点云数据

获取样件

在逆向工程中，获取物体表面的三维数据是关键的第一步，测量数据的质量及精度将会直接影响后期建模的品质。连杆裂解加工后，选取裂解质量合格的连杆样件，见图2。

获得点云数据

为了达到对断裂结合面定量描述的精度，要保证获取到高质量的点云数据。鉴于连杆断裂面形貌特征(尺寸较小，为极其复杂空间曲面)及重构精度要求，运用加拿大ndi公司的3500型procmm系统，对断裂面进行数据采集。扫描后的断裂面点云数据如图3。

b、优化点云数据

由于受到环境光、图像处理算法及被测零件自身的几何拓扑和光学遮挡效应等因素的影响，难免出现随机误差，产生噪音点、孤点等。这些异常点将影响后续接合面再现的真实程度。因此，需优化点云数据。将偏离主点云的孤点、超出指定移动限制的点以及重叠点云删除，通过挤压扫描数据带(上、下偏差)减少噪音点。优化后的点云如图4所示。

c、封装三角形网格

将点云中各点相连,对点云进行三角形网格封装处理。如图5所示，以三角形网格的形式铺满整个模型表面。修复三角网网格缺陷、填补网格漏洞，并在不影响曲面细节的情况下进行简化、松弛、光顺等操作。

d、多边形阶段

因为扫描点云的数据量过大导致三角面数据量较大且结构复杂,不利于进行理论参数化建模，需要进入多边形阶段，通过探测曲率对断裂面进行网格划分，在不影响曲面细节的情况下松弛曲面片，清除及修复相交区域，拟合轮廓线，构造多边形曲面片。

e、拟合nurbs曲面

构造多边形曲面片后，修复多边形网格缺陷，构造格栅，将曲面参数化，拟合成nurbs曲面。nurbs通过四边域参数拟合曲面，调整曲面的节点矢量和权因子来控制形状，根据参数方向u和方向w，创建曲面的节点矢量，拟合成nurbs曲面。nurbs曲面的数学定义为：

式中：ni,p(u)，nj,q(w)分别为u向和w向的基函数；pi,j为曲面控制顶点；wi,j为曲面权因子。曲面与控制点之间的关系如图6所示。拟合后的nurbs曲面如图7所示，即裂解结合面拟合完成。最后将得到的nurbs曲面能作为step文件输出，并输入cad系统中。

f、导入cad建模

将拟合好的裂解面导入cad,在此基础上经过草图、拉伸、布尔运算等建立连杆体、连杆盖的三维模型,并对连杆体、盖进行装配获得完整的裂解连杆三维模型，如图8a-图8c所示。