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1、中国石油大学（华东）本科毕业设计中国石油大学（华东）毕业设计富康车门外板的数字化建模学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：2010年6月20日摘 要本文所研究的汽车覆盖件的数字化建模，在现代汽车制造业中起到了非常重要的作用。本文以富康牌小轿车左后门作为研究对象，进行了车门的曲面逆向重构及车门覆盖件模具设计。文章对车门外板利用三维激光扫描仪进行三维坐标测量得到点云数据，对所得点云数据使用逆向工程软件CATIA进行预处理。包括点云的抽稀、修剪、补洞、形成三角网格等；用CATIA软件对其进行逆向工程加工，即进行曲面重构，得到重构出的车门曲面；以重构出的曲面为基础，对车门外板的拉伸模具进行结构设计，在
2、SolidWorks软件中做出凸模、凹模和压料圈等结构；在此基础上，计算拉伸模具的冲压过程中模具的受力情况，利用SolidWorks软件中的Simulation对拉伸模具进行有限元分析。关键词：汽车覆盖件；逆向工程；拉伸模具；有限元分析ABSTRACTThis task is about the Digitized Modeling of the automobile panels, which plays an important role in the Automobile Manufacture in modern times. In this article, we select th
3、e left back door to carry on a series of investigation including surface reconstruction and drawing dies. In this thesis, we use the Three-dimensional to scan the car door panels, and we achieve the point cloud. Then we choose CATIA, which is a high-class software of Inverse Engineering, to process
4、the data. Next ，its the processing of the point cloud and surface reconstruction. As the surface finished, the drawing dies need to be modeled. To meet the challenge, we construct them by the software of SolidWorks. There are three parts in the drawing dies, which are punch, die and blank-holder. On
5、 the basic of the drawing dies, we need to analyze the load-carrying capability of the drawing dies. As a result, there is some CAE Analysis by SolidWorks Simulation.Keywords: Automobile Panels, Inverse Engineering, Drawing Dies, CAE Analysis目录第一章 概论11. 课题内容及意义12. 汽车覆盖件国内外研究现状12.1 国外研究现状与分析22.2 国内研究
6、现状与分析23. 逆向工程的发展状况34. 现代汽车模具工业发展趋势35. 课题研究技术路线4第二章 车门外板点云数据的预处理51. 车门外板点云的采集51.1 三维激光扫描仪介绍51.2 点云的获取62. 点云的抽稀63. 点云数据的修剪74.三角网格的建立75. 修补曲面8第三章 车门外板的曲面重构101. 曲面重构的方法102. 车门板面的重构103. 车门窗框的重构134. 车门连接的重构155. 车门把手的重构16第四章 车门外板的拉伸模具结构设计191. 拉伸模具介绍192. 拉伸模具结构设计203. 凸模和凹模的设计223.1 凸模和凹模介绍223.2 凸模和凹模的结构设计223
7、.3 凸模和凹模的圆角设计253.4 凸模和凹模的间隙设计254. 压料圈的设计265. 辅助装置的设计275.1 导向装置275.2 卸料装置28第五章 拉伸模具工艺计算及主要参数确定291. 毛坯尺寸的确定292. 模具相关重要尺寸的确定293. 计算拉伸工序的力294. 修边力、卸料力、推件力及顶件力的计算30第六章 车门外板拉伸模具的CAE分析341. 车门外板拉伸模具CAE分析的意义342. 软件对拉伸模具的有限元分析342.1 凹模的有限元分析352.2 凸模的有限元分析36第七章 结论39致 谢40参考文献41附录43概论第一章 概论1. 课题内容及意义我国的汽车制造工业虽然正以
8、前所未有的速度发展，但是目前产品的自主研发与创新能力明显不足，大多还是靠技术引进，而关键零部件和核心技术仍依赖国外公司。其中，汽车覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节，其产品的开发及模具设计与制造更是受制于其他国家。运用逆向工程，对汽车覆盖件的数字化建模不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，使产品的外观或局部性能更好地满足不同用户的需求，而且缩短了产品设计周期，降低了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合，即CAD/CAE/CAM以及RPM(快速成型制造)的综合运用将使我国汽车制造业产生前所未有的本质变化。为此，本课题以富康牌汽车的左后门外板为研究对象，对其进行三维测量并且进行逆向的曲面重
9、构，并创建拉伸模具，对其进行分析，完成CAD/CAE的综合应用。此次汽车覆盖件的数字化建模设计有助于我们进一步学习和研究有关逆向工程以及模具制造等方面的技术，培养我们的实践和自学能力。通过对该模型的曲面重构和拉伸模具设计，综合的运用了CAD/CAE知识和方法，培养善于运用计算机技能、工程图纸以及书面和口头表达工程技术的能力,同时也训练我们查阅应用中外科技文献，提高我们的综合能力，为研究生阶段打下一定的基础。2. 汽车覆盖件国内外研究现状汽车覆盖件的设计与开发，主要归结为汽车车身的开发。车身设计开发技术是汽车（尤其是轿车）自主开发能力的重要组成部分，我国与国外先进技术还是有很大的差距。2.1 国
10、外研究现状与分析目前，国外已经形成一套成熟的从概念设计到造型风格的理论与方法，并采用基于正向设计思路开发新产品，然后根据市场的需求变化，再进行车身改型或改装来改进产品。由于国外CAD/CAE/CAM技术应用较早，软硬件系统功能强大，各大汽车公司已普遍建立了完善的虚拟产品开发系统，已积累了大量的经验和品牌风格。因此，对汽车覆盖件的三维重构，国外更多的是着眼于研究二维图向三维模型转换的智能识别与自动重构系统123和对实物逆向的曲面重构技术45，并提出了许多有效的理论和方法。对汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，国外各汽车公司非常重视在产品批量生产之前对产品的工艺分析和可成形性与冲压工艺的研究与优化。当
11、产品结构设计与制造工艺发生矛盾时，通常采用修改产品结构的方法来达到既满足整车结构又满足制造工艺要求6。同时，国外从概念设计开始就大量采用有限元模拟技术7，实现对产品的动力学分析、虚拟装配等的有效分析和预防，大大节省了开发成本，缩短了产品开发周期。2.2 国内研究现状与分析与国外的发展现状相比，我国从严格意义上对车身开发还没有形成从概念设计到造型风格的系统工程8,新产品的开发能力很弱，更多的是通过引进国外技术或委托国外公司进行对汽车的开发。国内对由二维工程图纸重构出三维CAD模型的研究也比较广泛、深入，发表了大量的论文910，但对汽车覆盖件等特别复杂的零部件研究相对较少，尤其是没有形成成熟的系统
12、理论和行之有效的方法。对于逆向工程技术，我国在跟踪国外的研究理论、算法和方法进展的基础上进行了较多的应用研究，并取得了较大的理论成果，已成功应用于汽车车身的开发实践。对于汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，在国内，对整车性能及效果、冲压件的工艺性及经济性的重视还不够，导致产品制造成本高、质量差。同时，我国在有限元分析方面，大大落后于国外的发展应用水平，计算机辅助与虚拟产品开发基础薄弱。在实际的汽车覆盖件工艺分析中，大部分依靠专家的经验来分析。随着我国加入WTO，市场竞争的不断加剧，各大公司正逐渐建立起自己的信息系统平台，各种主流软件正逐渐被应用于汽车产品的开发中。我国在先进计算机技术、虚拟数字化技
13、术等方面的研究与应用水平正逐步向国外看齐。3. 逆向工程的发展状况逆向工程技术(Reverse Engineering，简称RE)是随着计算机技术的普及和进步，以及计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)的迅猛发展而发展起来的。它是一个多学科综合性的术语，是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创造思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计1112。在制造业，逆向技术是根据实物模型和样件测量数据，建立数学模型，得到其设计思想，从而进一步修改原有设计，然后将这些模型和表征用于产品分析、制造和加工生产的技术。随着数控测量技术的
14、发展，这种技术己被广泛应用于机械、轻工、航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造业的各个领域13。4. 现代汽车模具工业发展趋势随着汽车工业的迅速发展，新车型更新换代的速度不但加快，传统的覆盖件模具设计制造方法已不能适应产品开发的要求。汽车覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车产品的质量和新车型的开发。覆盖件模具因其设计制造难度大、周期长而常常成为制约汽车生产的主要因素。通用的二维CAD系统无法满足模具设计的一些特殊要求。为了提高模具设计的技术水平、缩短模具设计周期，应用针对汽车覆盖件模具结构设计的CAD系统进行设计是十分必要的。5. 课题研究技术路线汽车覆盖件的数字化建模，包
15、括了覆盖件的点云数据采集、数据处理、曲面重构、建立拉伸模具、CAE分析等方面，需要分步骤完成。本课题的研究步骤如下：（1）根据课题任务要求，阅读查阅国内外相关资料，了解逆向工程的相关知识，并学习CATIA软件。（2）用三维激光扫描仪对富康车左后门外板进行扫描，获得点云数据，并且用CATIA软件对获得的数据进行处理。（3）用CATIA软件将处理的点云数据进行曲面重构。（4）以重构的曲面为基础，用SolidWorks软件的模具设计模块进行拉伸模具设计。（5）用软件对拉伸模具进行CAE分析。1车门外板点云数据的预处理第二章 车门外板点云数据的预处理1. 车门外板点云的采集1.1 三维激光扫描仪介绍近年来，随着传感技术、控制技术等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面数字化方法。数据的采集方式主要有两种141516：一是传统的接触式测量法，如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等；二是非接触式测量法，如激光三角法、图像法、距离法等。三维激光扫描仪是指在三维可测的空间范围内，能够根据测头系统返回的点数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状
