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摘 要：逆向設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)過程中比較常用的方法,通常應(yīng)用于整車及零部件外觀設(shè)計(jì)中,文章首先介紹逆向設(shè)計(jì)在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要性,同時(shí)指出逆向設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)的不同之處,其次詳細(xì)描述CATIA軟件通過點(diǎn)云預(yù)處理、網(wǎng)格化、模型重構(gòu)等工作流程,完成實(shí)體零部件到三維數(shù)據(jù)的逆向設(shè)計(jì)工作,最后針對三維數(shù)模進(jìn)行工藝可行性分析,發(fā)掘現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量問題改進(jìn)點(diǎn),提升產(chǎn)品品質(zhì)。

完成約65萬網(wǎng)格生成后，通過Mesh Quality檢查模塊驗(yàn)證正交質(zhì)量（Orthogonal Quality>0.15）、面網(wǎng)格增長率（<1.5）等指標(biāo)，對診斷出的0.05%負(fù)體積單元采用Smooth工具進(jìn)行局部重構(gòu)。

結(jié)果部件被用來創(chuàng)建一個(gè)與物理連續(xù)體相關(guān)聯(lián)的體網(wǎng)格，其方式與典型的導(dǎo)入部分相同。STAR-CCM+處理得特別好的另一個(gè)過程是網(wǎng)格生成。通常情況下，零件表面首先網(wǎng)格重構(gòu)，以提高最終體積網(wǎng)格的質(zhì)量，并指定需要更高網(wǎng)格密度的幾何形狀。體網(wǎng)格可以應(yīng)用大量的控制和特性，并且可以以串行或并行方式執(zhí)行，前提是用戶可以訪問并行的硬件和軟件許可資源。三種主要的網(wǎng)格模型類型是四面體、多面體和裁剪(六面體)。

重疊網(wǎng)格連接性重疊網(wǎng)格的計(jì)算精度與重疊區(qū)域的插值精度密切相關(guān)，由于齒輪嚙合間隙極小，在使用重疊網(wǎng)格功能時(shí)，需要特別注意間隙處網(wǎng)格的處理，保證齒輪在旋轉(zhuǎn)的每個(gè)時(shí)刻都沒有孤立單元出現(xiàn)。本例中，使用ANSYS Meshing模塊劃分，對于背景網(wǎng)格使用了局部影響體加密和膨脹層方法細(xì)化了重疊區(qū)域的網(wǎng)格，如圖8；而對于部件網(wǎng)格，添加了膨脹層方法并設(shè)置重疊區(qū)域的尺寸與背景網(wǎng)格相同。

網(wǎng)格工具和類型的選擇ANSYS Fluent有兩種處理齒輪運(yùn)動(dòng)的方式：重疊網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格，對網(wǎng)格的要求有所不同。1）重疊網(wǎng)格重疊網(wǎng)格的優(yōu)勢在于可以使復(fù)雜幾何的網(wǎng)格劃分簡化；對于包含運(yùn)動(dòng)域的問題，可以不使用網(wǎng)格光順和網(wǎng)格重構(gòu)方法，避免了可能會(huì)出現(xiàn)的負(fù)體積問題。

大多數(shù)工程師認(rèn)為采用自適應(yīng)網(wǎng)格是確保應(yīng)力收斂和精度的唯一途徑。無論H-method，還是P-method的自適應(yīng)網(wǎng)格都廣泛應(yīng)用。H-method網(wǎng)格應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)，P-method可以通過增加多項(xiàng)式階數(shù)，更好的描述單元的形函數(shù)。 采用P-element，可以簡單但非常明顯的提高四面體和六面體網(wǎng)格的精度。如果使用了合理的初始網(wǎng)格，網(wǎng)格重構(gòu)就沒有意義了。

大多數(shù)工程師認(rèn)為采用自適應(yīng)網(wǎng)格是確保應(yīng)力收斂和精度的唯一途徑。無論H-method，還是P-method的自適應(yīng)網(wǎng)格都廣泛應(yīng)用。H-method網(wǎng)格應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)，P-method可以通過增加多項(xiàng)式階數(shù)，更好的描述單元的形函數(shù)。 采用P-element，可以簡單但非常明顯的提高四面體和六面體網(wǎng)格的精度。如果使用了合理的初始網(wǎng)格，網(wǎng)格重構(gòu)就沒有意義了。

網(wǎng)格工具和類型的選擇ANSYS Fluent有兩種處理齒輪運(yùn)動(dòng)的方式：重疊網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格，對網(wǎng)格的要求有所不同。1）重疊網(wǎng)格重疊網(wǎng)格的優(yōu)勢在于可以使復(fù)雜幾何的網(wǎng)格劃分簡化；對于包含運(yùn)動(dòng)域的問題，可以不使用網(wǎng)格光順和網(wǎng)格重構(gòu)方法，避免了可能會(huì)出現(xiàn)的負(fù)體積問題。

大多數(shù)工程師認(rèn)為所有網(wǎng)格生成器都使用本質(zhì)上離散的基礎(chǔ)幾何體，但事實(shí)上，F(xiàn)idelity Pointwise 可以導(dǎo)入解析幾何體和離散幾何體并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。解析幾何用數(shù)學(xué)函數(shù)定義曲線和曲面。這些功能允許用戶檢索空間中的特定點(diǎn)。非均勻有理基樣條 (NURBS) 曲線和曲面構(gòu)成了最常見的解析幾何表示的基礎(chǔ)。相反，離散幾何（也稱為多面幾何）將形狀描述為網(wǎng)格，離散點(diǎn)通常連接形成三角形。

選中選項(xiàng) Stitch，點(diǎn)擊選項(xiàng) Apply for All 選擇模型樹中的兩個(gè)擋板，點(diǎn)擊菜單項(xiàng) Remesh… 打開重構(gòu)對話框 如下圖所示設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊 OK 按鈕重構(gòu)網(wǎng)格 重構(gòu)后擋板網(wǎng)格如圖所示

空間閱讀器 一種新的幾何體閱讀器，稱為空間閱讀器，支持 CATIA V5 和 V6 文件。可以從 設(shè)置 > 幾何體導(dǎo)入設(shè)置 > CAD 閱讀器中選擇閱讀器。

通常，變形過程必須在沒有負(fù)網(wǎng)格的情況下至少在2-3個(gè)時(shí)間步內(nèi)成功，否則網(wǎng)格重構(gòu)求解器將激活恒定重構(gòu)，而不會(huì)改善網(wǎng)格質(zhì)量。建議對沒有銳邊的曲面使用約束方法。否則在旋轉(zhuǎn)期間將無法正確表示曲面。

面網(wǎng)格重構(gòu) 最后一步，我們需要對粗糙的表面網(wǎng)格進(jìn)行重構(gòu)，這一步將幫助我們解決剩下的問題，具體步驟如下： 右擊 Geometry→ Operations，然后選擇 New>→Mesh → Automated Mesh，在彈出的對話框中設(shè)置如下； 編輯 Automated

在這種方法中，概念設(shè)計(jì)參數(shù)空間將用于以穩(wěn)健且可重復(fù)的方式構(gòu)建網(wǎng)格拓?fù)洌?em>網(wǎng)格點(diǎn)和面將位于幾何精確的 MCAD 模型上。 B. 獲取幾何圖形 訪問幾何體一直是網(wǎng)格生成過程中的一個(gè)要求。許多商業(yè)網(wǎng)格生成工具都能夠從本地 CAD 文件或常見格式（例如 IGES 和 STEP）導(dǎo)入幾何圖形。通常，最終網(wǎng)格會(huì)輸出為 CFD 文件格式，并且與幾何模型的鏈接會(huì)被丟棄。

在進(jìn)行切削仿真時(shí)，對坯件建模的常用方式有表面網(wǎng)格法和體素填充。體素是描述三維物體的最小單元，每個(gè)體素都可設(shè)置位置、質(zhì)量、顏色等屬性，加工仿真研究中常用點(diǎn)云形式、八叉樹結(jié)構(gòu)等表示及處理體素模型，有利于快速進(jìn)行質(zhì)量體積等幾何運(yùn)算。刀具經(jīng)過工件體素模型時(shí)，進(jìn)行碰撞檢測、反饋力計(jì)算等，進(jìn)而刪除刀具與工件干涉的點(diǎn)，模擬切削加工過程，在精度要求較高時(shí)需要消耗大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存[2,3,4,5,6]。

MSC Apex可以引入一個(gè)沒有幾何圖形的孤立網(wǎng)格，從現(xiàn)有網(wǎng)格中逆向生成幾何圖形，然后允許使用所有相同的工具對模型進(jìn)行修改（例如：使用分割面工具來創(chuàng)建DOCAN客戶想要的甲板穿透），整個(gè)工作流就像CAD幾何圖形最初就存在一樣。不需要新的工具，DOCAN工程師就能夠熟悉和快速地完成結(jié)構(gòu)工作，從而節(jié)省時(shí)間。

圖：MSC Apex中的“從網(wǎng)格生成幾何”工具。它只需導(dǎo)入一個(gè)孤立的FE模型，就可根據(jù)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)和單元重新創(chuàng)建幾何圖形。 MSC Apex可以引入一個(gè)沒有幾何圖形的孤立網(wǎng)格，從現(xiàn)有網(wǎng)格中逆向生成幾何圖形，然后允許使用所有相同的工具對模型進(jìn)行修改（例如：使用分割面工具來創(chuàng)建DOCAN客戶想要的甲板穿透），整個(gè)工作流就像CAD幾何圖形最初就存在一樣。

棱柱體網(wǎng)格另外一個(gè)重要的用途便是流場計(jì)算的壁面邊界層網(wǎng)格，因?yàn)榱鲌霰诿娣ㄏ蚋浇兞孔兓浅×遥虼送笱胤ㄏ?em>網(wǎng)格具有結(jié)構(gòu)化特征，利于數(shù)值離散插值，提高計(jì)算精度，而如果該區(qū)域是非結(jié)構(gòu)四面體單元，要形成結(jié)構(gòu)化排序是非常困難的。因此，一個(gè)折中的方案便是對壁面附近四面體網(wǎng)格進(jìn)行層狀化劈分處理（涉及劈層以后的局部網(wǎng)格重構(gòu)，技術(shù)難度很大），經(jīng)劈分處理得到表層網(wǎng)格便是棱柱體網(wǎng)格。

圖：MSC Apex中的“從網(wǎng)格生成幾何”工具。它只需導(dǎo)入一個(gè)孤立的FE模型，就可根據(jù)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)和單元重新創(chuàng)建幾何圖形。 MSC Apex可以引入一個(gè)沒有幾何圖形的孤立網(wǎng)格，從現(xiàn)有網(wǎng)格中逆向生成幾何圖形，然后允許使用所有相同的工具對模型進(jìn)行修改（例如：使用分割面工具來創(chuàng)建DOCAN客戶想要的甲板穿透），整個(gè)工作流就像CAD幾何圖形最初就存在一樣。