摘    要：逆向設計是汽車設計過程中比較常用的方法,通常應用于整車及零部件外觀設計中,文章首先介紹逆向設計在汽車產品開發過程中的重要性,同時指出逆向設計與正向設計的不同之處,其次詳細描述CATIA軟件通過點云預處理、網格化、模型重構等工作流程,完成實體零部件到三維數據的逆向設計工作,最后針對三維數模進行工藝可行性分析,發掘現有產品質量問題改進點,提升產品品質。

關鍵詞：汽車造型;點云數據;模型重構;逆向設計;正向設計;

引言

當前人們生活節奏日新月異，汽車作為人們一個重要的消費品，汽車廠家的競爭愈加劇烈，各大主機廠為了短周期、低成本生產出各具特色且有競爭力的產品，常規的正向開發方法很難滿足復雜產品的更新迭代，逆向設計由此產生。逆向設計是產品設計技術的再現過程，通過對現有目標產品實物進行分析研究，得出該產品的外形和結構數據、工作原理、工藝流程、功能特性及技術規格等設計要素。初級的應用是直接利用逆向設計的結果，單純仿制或在仿制的基礎上做少量改動而開發相似的產品。高水平的應用在于對同類產品進行技術分析和借鑒，用于新產品開發，或者為加快新產品開發進度，以逆向設計結果為基礎進行創新，開發出新產品。

汽車開發過程中經常要對競爭車型進行分析研究，包含外觀造型、結構設計、性能設計等方面，以確定新產品開發的目標值，選擇性進行技術借鑒，有時為研究和技術積累設計經驗，或者規避自身車型設計質量問題，對代表性的車型進行技術分析，在這些工作中逆向設計技術均得到廣泛應用。

1 正向設計與逆向設計

在國內，一款全新的車型外觀正向設計周期一般在2-5年時間。

首先，設計師們從各處吸取靈感：收集當下潮流信息、了解競爭對手、思考其他設計領域、注重與消費者的交流與溝通等。經過無數次的思維碰撞，最終得到30-50張設計草圖。這一部分工作需要設計師對汽車潮流趨勢有足夠的認識，以及必不可少的審美和美術水平。

第二，將精選的設計草圖結合在一起，繪制成全尺寸的設計草圖后，設計師運用二維和三維設計軟件完成虛擬模型的數據搭建。這一部分工作需要設計師具有軟件運用水平，當前應用較多的軟件有PS、Alias、CATIA、ICEM Surf等，同時對車的結構分布要有相當高的要求。

第三，通過可塑性的油泥完成實物汽車模型制作，即汽車油泥模。這一部分工作主要是模型師根據設計師的定義將虛擬數據模型手工完成實體展示。

最后，公司決策層根據完成的油泥模型進行評審決策，確定是否進行投產。

目前，大部分主機廠及設計公司，一般是在自身成熟車型或者國內外熱銷車型的基礎上針對局部造型進行修改，逆向設計就在這個過程被大量運用。逆向設計有著技術難度低、開發周期短、設計成本低等優點，同時對設計師的審美、美術水平要求較低，尤其在快速解決量產車型質量問題中發揮著至關重要的作用。

2 基于CATIA的逆向設計方法

逆向設計一般流程：產品樣件→數據采集→數據處理→模型重構→新產品，其中數據采集、數據處理、模型重構是逆向設計的三大關鍵環節。

數據采集，即樣件的表面數字化，是逆向設計的第一步。一般而言，數據采集有接觸式和非接觸式兩種測量方法。當前使用較多的是非接觸式測量，根據原理不同，可以分為三角形法、結構光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MR測量法、超聲波法和層析法。當下以三維激光掃描儀使用最為廣泛，逐漸取代了其他測量方式，它有著采集速度快，易操作，點云數據成型快等優點，通過對零部件進行3D掃描，獲得精度可達0.02mm的完整三維點云數據，如圖1。

圖1 點云數據 

測量完成的數據一般為asc碼或者stl碼等格式的數據文件，里面包含掃描部件的三維點云數據。

數據處理，在三維掃描過程中，由于光線的明暗、輔助工具的介入、測量儀器的偶然因素、測量環境的震動干擾、操作者的操作水平等因素，就會產生測量噪聲和壞點，一般是不可能全部避免的，這樣就需要使用方法進行剔除。

首先反復觀察測量的物體與已經測量的點云數據，壞點非常容易判斷，比如跑到測量物體外面的游離點云就是壞點，必須手工刪除，有時直接觀察離散點，因為沒有消隱，分辨起來有點困難，可以將點云進行三角面渲染，點云實體化，就可以完成壞點刪除。數據處理的結果將影響模型重構的質量，通過CATIA軟件下“形狀”菜單“Digitized shape editor”及“Quick Surface reconstruction”模塊中各個工具進行數據分塊、數據光順、噪點濾波、特征提取、坐標重置等，完成點云數據處理工作，方便下一步逆向設計工作。

模型重構，是最重要的逆向造型過程，重構方案目前主要有三種：

1）以B-Spline或NURBS曲面為基礎的構造法;

2)以三角Bezier曲面片為基礎的曲面構造法；

3）以多面體面為基礎的曲面構造法。

圖2 網格化數據 

NURBS曲面基礎的構造法，以上文所述零部件為例，使用CATIA軟件進行逆向設計，分別在Digitized shape editor模塊下進行坐標切割網格化操作，如圖2。

圖3 NURBS曲面 

經網格化的點云數據可以進行點線面編輯，分別在CATIA創成式外形設計和Free Style兩個模塊進行NURBS成面設計，如圖3。

圖4 實體結構數據 

根據逆向設計所需，本零部件主要用于質量分析，曲面貼合要求滿足點云誤差≤0.5mm即可，通過點→線→面→體，最終完成點云三維結構數據，如圖4。

成面過程中要注意的原則：

(1）分析被測量物體的部位與功能。

這點非常重要，上述物體是個地板覆蓋件，由于外部還有裝飾地板墊，要求成面質量不高，達到CAS水平即可,成面數據重點考慮點云貼合，次要考慮造型流暢，假如所掃點云物品為車身外表面，成面要求就要達到A級曲面標準，既要保證面的質量，又要滿足沖壓、焊接等工藝要求。這時做出的面可能就有比較大的差距。

(2）分析是否變形。

這個部件是否變形，掃描的環境是否達到裝車標準，如果按照點云來做，就會將原來部件的設計問題和安裝問題暴露出來，這也是逆向設計想看到的一種結果，同時也是可以提前規避的一種設計思路。

(3）整體考慮。

對于一些車身覆蓋件，在逆向設計的時候不要考慮車身的分片因素，要把車身作為一個整體考慮，這樣才能使做出來的三維模型數據與周邊環境件相匹配。

(4）軟件選擇

在進行逆向設計過程中，盡量使用一種軟件進行設計，如果采用兩種或者兩種以上的軟件來處理的話，可能會因為格式轉化帶來曲面邊界的偏差，給曲面設計帶來不必要的麻煩。

3 工藝可行性分析

根據逆向設計完成的部件結構實體數據，通過CAE工藝分析軟件完成工藝沖壓可行性分析，發現實物出現褶皺質量問題區域與逆向設計三維結構數據相符，褶皺區域大小為：270mm×200mm，高度約3mm，如圖5。

圖5 工藝可行性分析 

通過分析，得出本部件沖壓過程局部起皺，是結構形式導致，結合CAE分析過程，提出整改建議：模具通過增大壓邊力、補焊拉延筋，減小壓料面閉合間隙，增大材料流動阻力，減緩過渡區起皺現象。

4 結論

本文通過對逆向設計在汽車行業重要性的介紹，以及通過CATIA軟件對某汽車部件逆向設計過程的詳細闡述，從數據采集、數據處理、模型重構、新產品、工藝可行性分析等過程進行具體描述，對于發現現有產品質量問題點并解決有著重要的意義。同時闡述了逆向設計與正向設計的優缺點，對后期開展產品開發工作具有重要的指導意義。

參考文獻

[1] 楊春雨.曲面魔術師-ICEM Surf軟件學習指南[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2015.11.

文章來源：重型汽車