摘 要

利用三维扫描仪扫描某自动变速器壳体的表面以获取壳体的点云数据，并对数据进行预处理。使用三维软件Rhinoceros对变速器壳体完成点云处理，特征线提取和曲面重建工作，获取变速器壳体的三维模型。将模型导入CATIA转化为实体。利用ABAQUS有限元分析软件对变速器壳体实体进行模态分析，判断其动态特性并以此为依据对壳体的改进和优化提供切实可行的依据。本次毕业设计利用强大的专业3D造型软件Rhinoceros进行快速曲面重建。在保证较高精度的情况下，快速获取壳体的三维模型以进行之后的仿真操作。为从实物物件获取产品CAD模型提供了一种比较有代表性的方法。

关键词： AT壳体；逆向设计；三维扫描；Rhinoceros；有限元分析

Abstract

A three-dimensional scanner scans the surface of an automatic transmission housing to obtain the point cloud data of the housing and preprocesses the data. The three-dimensional software Rhinoceros completes the point cloud processing, feature line extraction and surface reconstruction work on the transmission housing to obtain a three-dimensional model of the transmission housing. Import the model into CATIA into an entity. The ABAQUS finite element analysis software is used to perform modal analysis of the transmission housing entity to determine its dynamic characteristics and provide practical and feasible basis for the improvement and optimization of the housing. This graduation design uses powerful professional 3D modeling software Rhinoceros for fast surface reconstruction. In the case of ensuring higher accuracy, the three-dimensional model of the housing is quickly acquired for subsequent simulation operations. A more representative method is provided for obtaining product CAD models from physical objects.

Key words: AT shell; reverse design; 3D scanning; Rhinoceros; finite element analysis

目 录

第1章 绪论 - 1 -

1.1 课题的目的和意义 - 1 -

1.2 国内外研究现状 - 2 -

1.3 课题的总体方案 - 2 -

第2章 AT壳体的三维扫描 - 4 -

2.1 扫描前的准备工作 - 4 -

2.1.1三维扫描仪器的选择 - 4 -

2.1.2三维扫描前准备工作 - 5 -

2.2 壳体的三维扫描 - 6 -

2.2.1壳体扫描方案的制定 - 6 -

2.2.2壳体的三维扫描 - 6 -

2.2.3壳体表面数字化 - 7 -

第3章 AT壳体的逆向设计 - 8 -

3.1 逆向设计平台的选择 - 8 -

3.2 点云数据的预处理 - 9 -

3.2.1点云数据的导入与处理 - 9 -

3.3壳体三维模型的建立 - 10 -

3.3.1生成特征线 - 10 -

3.3.2曲面的创建与编辑 - 11 -

3.3.3壳体实体化 - 12 -

第4章 AT壳体的有限元分析 - 14 -

4.1壳体的有限元模型的建立 - 14 -

4.2壳体自由模态分析 - 15 -

4.2.1壳体材料属性定义 - 15 -

4.2.2定义分析步 - 15 -

4.3壳体模态分析结果 - 15 -

第5章 结论 - 17 -

附录 AT壳体自由模态前12阶振型 - 19 -

致谢 - 20 -

1. 绪论
   1. 课题的目的和意义

逆向工程，也称为反求工程，是一项新兴的产品设计技术。逆向工程设计技术是现代化设计中重要的设计手段之一。在飞速发展的21世纪，汽车工业面临新的挑战与机遇，为了适应新的变化，产品开发成为汽车工业技术的核心[1]。而逆向工程技术对提高我国汽车产品的设计水准，缩短设计周期，加速产品的换代更新，增强我国汽车产品在国际市场上的竞争力有着重要意义。

早在逆向设计之前，汽车产品开发采用的正向工程走过了两个发展阶段。一是20世纪70年代以前传统的正向开发，二是70年代末至今的计算机辅助正向设计。传统的正向设计以制作模型和绘制二维图来设计模具，夹具。开发实车来验证设计。这种方法开发周期长、制造精度低、开发成本高、劳动强度大。没有大批量的生产规模，漫长的开发周期，巨额的研发经费，无法开展设计。现代汽车的正向开发随着计算机辅助设计（CAD）和计算机图形学的迅速发展，在计算机里面构建三维模型，在计算机里面仿真分析，尽可能的在设计阶段发现问题。

逆向设计一般用于产品的公差检查以及质量检测，通过对三维数字模型进行对比进而改进产品。后来运用于对实物的数字模型重构及检验。面对激烈的市场竞争，对已有的产品进行一步一步反求的逆向工程不仅为CAD模型的重建提供了方便，也提高了CAE/CAM的效率。

逆向工程中对实物的三维模型重建工作依靠相应的软件支撑。目前所用于逆向设计的主要软件有CATIA、UG、GeoMagic、RapidForm、CopyCAD、QuickForm等。不同的软件各有所长，可根据测量数据的不同以及曲面结构的不同，选用不同的软件，以提高逆向设计的效率。在众多软件中，最常用的也是逆向设计功能最强大的CATIA。

CATIA是法国达索公司的产品，在逆向设计方面采用NURBS曲面重建，即通过编辑控制点来控制曲面形状，任意复杂曲面的生成，以及自由曲面（线）与初等解析曲面（线）统一描述，提高了造型能力。根据扫描得到的点云拟合出一个基础曲面，并利用其强大的曲面编辑功能对曲面进行编辑和光顺处理，实现多个曲面之间的匹配并且使其曲率连续，达到A级曲面要求。

NURBS方法曲面构造广泛用于各种三维造型软件，是两大主流的建模方法之一。CATIA的曲面重建过程实际上是.stl的网格文件或者Ascii free、Atos、Cgo等点云文件转化为曲面的过程 。

Rhinoceros是美国Robert McNeel amp;amp; Assoc.公司开发的专业3D造型软件。可以在Windows系统建立、编辑、分析和转化NUBRS曲线，曲面和实体。也支持多边形网格和点云。

不同软件尽管操作命令不同，但最后输出的文件格式是可以通用的。在保证精度的情况下，通过Rhinoceros可以更快速的完成曲面重建的工作，也可以转换为实体文件。本课题主要介绍了一种用Rhinoceros完成逆向设计获取AT变速器壳体CAD模型的过程，随后通过利用ABAQUS有限元分析软件对壳体进行仿真优化。

• 1. 国内外研究现状

广西大学的卢聪在其论文中介绍了逆向工程技术的发展以及国内外的研究水平，卢聪描述了模型重构过程中关于特征约束还原的方法。通过对光栅式三维扫描仪测量系统的原理分析阐述了实物表面数字化的方法。研究扫描仪扫描不同物体采用不同的贴点方式，实验对比不同的拼接方式，以取得最佳的扫描数据。对所取得的点云数据进行预处理以建立三角网格模型。使用Imageware的特征提取并用UG建模重构了变速箱箱体^[1]。

华泰汽车集团的陈晓峰等人讨论了自动变速器壳体总成的设计思路、步骤、技术路线，以及如何利用有限元仿真设计手段对其进行优化。通过壳体材料选择、设计边界条件、细节设计来完成变速器的结构设计^[9]。使用有限元分析对壳体设计进行合理优化。改善了壳体在高周疲劳和低周疲劳两种失效情况下强度。

美国福特汽车公司的Dropps, S.等人采用X射线扫描以及计算机断层扫描技术成功的应用于排气岐管的开发^[10]。介绍了这种可行的低成本逆向设计过程。尤其在缺少CAD数据库的条件下，X射线扫描以及计算机断层扫描实现了对实物外表面和内部结构的的点云数据的获取。

从文献中可以看出逆向工程技术可以节约开发成本，缩短开发周期，方便构建复杂的数字模型并用于CAE应力分析。本课题利用不同建模软件的优势，快速有效地获取变速器壳体的三维模型，并对其进行优化设计。常见的逆向设计多是对汽车车身等薄壁件的设计较多，对有厚度的实体的逆向设计较少。本课题获得的变速器壳体的三维模型为后续的优化提供了模型基础。

• 1. 课题的总体方案

已知某自动变速器壳体的实体为研究对象，利用三维激光扫描仪对其进行三维激光扫描，利用三维软件CATIA与Rhinoceros对变速器壳体完成点云预处理、创建特征线和曲面重建等工作，建立壳体的三维几何模型，并完成其总装配图等二维图纸；并利用有限元分析软件ABAQUS对该变速器壳体三维模型进行模态分析，判断其动态特性是否符合要求，为壳体的改进优化设计提供切实可行的依据。总体方案流程图见图1.1。

图1.1 自动变速器壳体逆向设计总体方案

利用ABAQUS对自动变速器壳体三维模型进行自由模态分析，主要内容包括自动变速器壳体的材料的选取、自动变速器壳体有限元模型的建立、网格划分、求解计算等步骤，分析其动态特性。

1. AT壳体的三维扫描

2.1 扫描前的准备工作

在对自动变速器壳体进行三维扫描前，首先应该做好充分的准备工作。如针对自动变速器壳体的结构特点以及实验室的现有条件选择合适的扫描仪器，对扫描对象（自动变速器壳体）进行必要的预处理等工作见图2.2。

图2.1 变速器的选择

图2.2 变速器壳体的拆解

2.1.1三维扫描仪器的选择

现有的三维扫描仪大体包括接触式测量三维扫描仪和非接触式三维扫描仪两种。非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪（也称拍照式三维扫描仪）以及激光扫描仪。光栅三维扫描包括白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。非接触式三维扫描仪测量特点在于在测量过程中测头不与被测表面接触，避免了接触式三维扫描仪在测量过程中测头与被测表面接触而产生损伤以及测头半径补偿。此外，非接触式三维扫描仪自动化程度高、测量速度快，适用于各种软、硬材料的复杂曲面实物的三维测量。

图2.3 HANDYSCAN 3D手持式三维激光扫描仪

实验中心配备的手持式三维激光扫描仪（见图2.3）HANDYSCAN 3D是Creaform公司的产品。Creaform成立于2002年，致力于便携式3D测量技术产品的创新、研发、制造以及销售。HANDYSCAN 3D新一代手持式三维激光扫描仪经过优化，比上一代产品速度提升25倍，测量精度提高了40%，同时充分改善了人体工程学设计：表面积缩小50%，重量减轻35%，具有更高的自由移动性，多功能按钮的设置使其可以与配套的VXmodel软件互动更便捷。VXmodel可以将3D扫描数据整合到CAD和3D打印过程的三维扫描软件，VXmodel操作简单，却功能强大，提供了与基于扫描的设计流程实现快速无缝集成所有必需的工具。VXmodel操作简单但功能强大，可以用于逆向工程或为3D打印提供3D扫描网格。在数据导出之前，VXmodel的对齐工具高度灵活，操作直观且没有限制性。从网格中提取基础实体或者生成不规则NURBS曲面的功能方便了在CAD软件中完成设计。使用标准格式（.iges,.step,.dxf）支持。

三维扫描以的用途是创建实物几何表面的点云（point cloud），这些点可以组合出物体的表面形状，点云越密集三维重建所获得的模型越精确。若扫描仪能够取得表面颜色，则还可以进一步在模型重建的表面上粘贴材质贴图，即所谓的材质映射（texture mapping）。