汽車研發：白車身逆向設計與開發方法解析！
一、逆向工程的意義
車身作為汽車的四大總成之一，具有非常重要的作用，車身占整車總成本的1/3左右，其更新頻度高，技術進步快，其外觀造型能夠吸引大眾的眼球，從而對汽車銷售量有極大影響。在復雜的車身產品開發《汽車研發：白車身結構及開發流程詳細解析！》（點擊閱讀）程序中，廣義的三維造型既是設計工作的起點，又是工程目標的最終體現。隨著新技術的廣泛應用，特別是“逆向工程”（Reverse Engineering簡稱RE）的迅猛發展，幾乎將傳統的汽車車身開發周期縮短了三分之一。將該技術應用于汽車車身造型階段，它可以快速地提供樣品的外形特征，從而能夠對其幾何外形進行修改，實現產品的快速改形，加快設計進程，使之滿足多樣化、個性化、系列化等方面的需求。
二、正向工程與逆向工程的比較
1、正向工程FE
正向工程英文名字叫Forward Engineering，，簡稱FE，是指從產品的功能與規格的指標確定開始，構思產品的零組件需求，再由各元件的設計、制造、檢驗、零件分裝、整機總裝、性能測試等程序來完成。
2、逆向工程
逆向工程又叫反求工程，它與傳統的設計開發過程存在質的不同。狹義上，它是指在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，利用3維數字化測量儀（3D Digital Scanner），測量出Sample（即零件原形或者塑造出的模型）表面的點云數據，傳至CAD/CAM系統，進行數據處理，生成所需要的CAD模型和設計圖紙，并由CAD/CAM系統計算出加工路徑，最后通過CNC（Computer Numerical Control計算機數字控制）機械加工設備制作模具生產成品。
三、逆向造型中的設計要點
逆向工程技術主要涉及以下幾個方面：
1、油泥模型數字化
目前，許多外形設計師還難以直接用計算機進行設計，而是更傾向于油泥或泡沫塑料造型。另外，盡管計算機具有越來越逼真的模型上光著色功能，但大型物體，如轎車，還是要做成1：1的實物模型才能鑒定其外觀效果。
2、產品的仿型和改型設計
在我國，許多生產制造商收到的是實物，沒有原始的數字模型，而要用于生產就必須去再現原產品的設計意圖，這就存在變實物為CAD模型的問題。另外，由于工藝、材料、美觀等方面的原因，人們經常要對相應的生產模具作局部修改，需要將掃描獲取的實物模型數據輸入到計算機，利用逆向工程構造出一個與實物相對應的CAD模型，然后對該CAD模型進行修改。
3、數字化模型得出后的檢測
例如檢驗生產模具、產品的變形分析以及與初始三維數據的比較。例如覆蓋件模具的形狀精度驗證，通過采集模具上的數據點，與幾何三維數據對比，可對模具質量做出評價。
四、車身逆向造型設計流程
1、參考車身局部改型
在對參考樣車與車身做局部選型修改時，必須考慮不能影響原車身結構的可靠性、結構工藝性。盡可能延用原車身的結構分塊思想與聯接方式，對于運動部件要延用，并做出必要分析，這樣就可以繼承原車身的可靠性與工藝性，不產生風險。
2、模型樣車的測量、掃描
數據采集是數據處理、模型重建的基礎。沒有高精度的數據采集技術和設備就不會逆向出高水平的模型。點云數據的測量方式主要有接觸式和非接觸式兩種。
1）測量步驟
A、車身模型坐標系的確定
為了方便測量及測量后的數據處理，首先要確定車身坐標系。對于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標原點，向后為X軸，向右為Y軸，向上為Z軸。具體的做法是將車身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機（三坐標測量機），如下圖所示。根據測量的結果，調整車身的前、后、左、右等位置，最后確定車身沒有發生大的扭曲變形，直到正確為止。
B、貼車身Mark點
對于汽車車身，現在通常的做法是采用非接觸測量方法，比較常用的是采用結構光的照相法。照相法的測量的核心就是點云片的拼接技術。首先在車身的表面噴灑乳白色顯像劑，然后在上面貼Mark標記點。Mark標記點實際上是后序測量的點云片的拼接所用的定位點，如下圖所示。
標志點不要貼成直線，貼標記點的原則是三維掃描的每幅幅面的范圍內應該擁有四個標記點，四個標記點盡量能夠分散，盡量不要在孤立位置和曲率變化較大處。分散的目的就是將將來依據標記點拼接的時候，可以將拼接誤差盡量地減小。標記點貼的質量直接影響測量的精度。隨著計算機技術和圖像處理技術的提高，單幅點云的精度一般都比較高，但是不同的掃描系統之所以出現比較大的質量差別就是因為點云片的拼接技術存在差別。同樣的掃描系統，標記點的貼的技巧如果沒有充分掌握，測量出來的結果可能也有比較大的差別。
C、測量車身Mark點
標記點是用于點云片的定位的。因此，標記點測量的準確與否對整個車身的測量精度至關重要。測量的方法一般是采用高精度的相機，在車身上一般還要放置一些測量基準桿件，作為圖像處理時標定。對車身上的所有標記點從不同角度進行大量的拍攝。然后進行圖像處理，獲得標記點的三維數據。
D、車身曲面片測量
采用三維掃描儀測量，當標記點測量之后，一般在進行這部分測量的時候，測量的順序就沒有過高的要求，因為測量的每一片點云是靠上面的標記點進行拼接的。也就是點云片之間沒有誤差累積的問題。測量的時候，要注意的是測量的每一片點云至少要包含三到四個標記點，包含的越多，拼接的精度越高。因為拼接時是點云片上標記點要與已經測量的標記點框架要匹配。因為兩次測量，就是對與同一個標記點也會存在測量誤差。所以在拼接的時候，點云片上的標記點都要參與標記點框架的匹配，這樣測量誤差就會減小。這部分的技術關鍵主要有：
a、測量的角度與距離要嚴格按照掃描儀器上所要求的操作規范；
b、測量環境，如環境光線的強弱要滿足測量要求;
c、測量的每一片點云范圍要包含盡量多的標記點;
d、相臨的點云片的重疊部分以30mm為基準即可。
2）掃描
一般的三維掃描系統，在測量的過程，點云就可以自動拼接到標記點框架子上了。也有測量系統要其他的軟件進行拼接。不管采用何種辦法拼接，關鍵是能否保證測量的精度和效率，這是關鍵。車身測量完成之后，可以獲得asc碼、stl碼等格式的數據文件，里面包含的就是車身的三維點數據（x、y、z）。
3、車身拆解及測量描繪
由于參考樣車車身是一個裝配總成，要獲得所有零部件全面三維信息，必須對樣車“進行拆解”，一方面獲得每一個零件的全面數據，另一方面取得裝配（焊接）工藝過程。
4、測量描繪數據處理
1）數據的預處理
在車身測量的過程中，由于光線的明暗、輔助工具的的介入、測量儀器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接觸式測量，測量時的震動等都會對測量出來的數據點都可能產生一定的影響，測到的點是錯誤的，我們可以認為是測量噪聲或壞點。不論采用什么方法測量都會產生壞點，一般是不可能全部避免的，關鍵是要掌握如何剔除的方法。
A、首先要反復觀察被測量的物體與已經測量的點云數據，壞點非常容易斷，比如測量車身，有些數據點跑到車身的外面或內部，這就是壞點，必須手工刪除或采用軟件刪除。如下圖：
B、軟件剔除，比如剔除遠離的分散點等，但是有時效果不太好。
C、有時直接觀察離散點，因為沒有消隱，分辨起來有一定的困難，這時可以將點云進行鋪面（做成三角面）渲染，使點云看起來比較像實體，就非常方便消除壞點了。
數據點過濾，在測量的過程中，特別是采用非接觸法測量車輛，數據點數量非常龐大。在做逆向過程中，點云是做參考使用的，因此，有些位置的數據點沒有必要太多，比如平面、平坦的曲面等。在不影響逆向設計的情況下，要將測量的數據點過濾掉一部分。可以大幅度地減少占用計算機的內存，處理的速度和效率都可以大幅度地提高。過濾主要采用等半徑區域過濾和定弦高方法兩種方法。等半徑區域過濾過濾方法主要適合，曲面比較平坦的場合。定弦高方法主要適合曲面變化比較大的場合，該方法處理的效果是曲面比較平坦的地方，點比較稀疏，曲面變化劇烈的地方，點的數量比較多一些。通常采用這種方法的時候，仍然要限制相臨點之間的距離，以方便以后的操作，過濾之后結果如圖
2）點云的渲染
對點云鋪面渲染，點云看起來比較像實體，如下圖所示。這樣操作的目的是便于后續在做曲面的時候，容易分析曲面的大小，方便曲面規劃設計等。
5、表面曲面光順處理及制作
經過掃描測量并處理后的文件是每一個零件的三維點文件，尚不能做為零件的全面數字化信息，尚存在很多缺陷，必須對其曲面進行光順處理，使得車身表面達到光滑、順暢。
6、車身零部件曲線、曲面重建
在表面光順及測量點的基礎上，根據原有零件特征，利用基于Bezier、B樣條、NURBS曲線、曲面理論設計而編制成的三維曲面建模軟件，對零件進行三維設計建模，從而獲得每一個零件全面的數字化信息，它可以作為零件加工的依據。
7、三維數學模型虛擬裝配與檢查
不同于正向工程，車身逆向工程中，很多零件可能由很多工程師同時進行曲面三維重新建模，為了保證這些零部件準確無誤地表達原參考樣車的裝配（焊）關系，必須在計算機中對各零部件數學模型進行虛擬裝配，以檢查協調各部件、零件之間的關系。
五、車身逆向工程中的關鍵技術
1、 測量技術
非接觸式三坐標測量方法，它是利用某種與物體表面發生相互作用的物理現象來獲取其三維信息，如聲、光、電磁等。其中應用物理光學原理發展起來的現代三維形狀測量方法應用最為廣泛，如三角法等由于具有測量過程非接觸和測量迅速等優點，越來越受到人們的重視。
1）接觸式測量方法
2）非接觸式測量方法
A、激光干涉法
激光干涉法是通過測量兩束相干光的光程差來計算物體的高度分布，測量精度相當高，但測量范圍小，抗干擾能力弱，不適合測量凹凸變化大的復雜曲面。
B、激光衍射法
激光衍射法的情況與干涉法基本相同，激光三角法原理是采用激光作為光源，照
射到被測物體上，利用CCD（Charge Coupled Device）接受漫射光成像點，根據光源物體表面反射點、成像點之間的三角關系計算出表面反射點的三維坐標。此方法已經相當成熟，目前已廣泛使用。如果采用線光源，激光掃描測量方法可以達到很高的測量速度。
C、結構光投影測量法
結構光投影測量法被認為是目前三維形狀測量中最好的方法，它的原理是將具有一定模式的光源，如柵狀條投射到物體表面，然后用兩個鏡頭獲取不同角度的圖像，通過圖像處理的方法得到整幅圖像上像素的三維坐標，這種方法具有速度快、無需運動平臺的優點。
2、車身表面光順處理
在車身逆向工程中由于汽車車身覆蓋件（或模型表面）的三坐標測量得到的是龐大的離散點數據，缺乏必要的特征信息，另外往往存在數字化誤差，對離散點數據進行表面光順處理，是逆向工程中重要的工作環節，是決定車身表面質量的好壞重要標準。
1）光順的概念
車身外形曲線曲面的設計既要保證良好的空氣動力學特征，又要符合汽車造型的藝術原則，總是要求生產出的汽車產品的外形是光順的。
光順是工程上的術語，包括光滑與順眼兩方面含義。光滑是指空間曲線和曲面的連續，數學上一階導數連續的曲線即為光滑的曲線。而順眼是人的主觀感覺評價，不同的外形設計人員按照同樣的設計要求，可能設計出不同的曲線曲面，看起來同樣光順。
對車身外表特征線，很多是空間曲線。對于空間曲線，目前尚沒有明確的光順性定義，我們只要把曲線投影到三個正交平面上（如車身的XY、YZ、XZ平面），用這三條投影曲線的光順性作為空間曲線光順性數據就可以了。
2）車身曲線的光順
在車身逆向工程中，我們對模型樣車的車身零件三坐標測量，得到是龐大的離散點數據，進行車身表面光順是必不可少的。上面已論述過，曲面光順是很復雜的。導致曲面不光順的主要原因在于組成曲面的曲線不合理、不光順。解決曲面光順的方法是選擇合理的曲面造型方案，保證組成曲面的曲線都是光順的。目前常用的光順方法有：能量法最小二乘法、圓率法、磨光法。
工程中，我們在粗光順采用圓率法，精光順采用能量法。
3）車身曲面光順
光順曲面的方法：先光順曲面的縱向曲線，在所有的縱向曲線光順完畢后，通過新的型值點生成橫向樣條曲線并光順。
因光順橫向樣條曲線時，改變了某些型值點的位置，這樣會引起縱向樣條曲線的波動。這樣就要重新生成縱向樣條的曲線并重新光順曲線。反復多次，直至所有的縱向、橫向樣條曲線都滿足曲線光順的準則，最后形成光順的車身曲面。
3、車身曲線、曲面間處理的方法
無論車身外表，還是車身內部結構件本身均不是單純的曲面。車身零部件的復雜性，決定了它不能用一塊或幾個單純曲面來構成，它一般都是由幾十塊大小不等、形狀各異的曲面，通過一定的曲面間技術處理而得到。
車身零部件曲面間常見的處理方法有：
1）曲面間拼接技術；
2）過渡面生成；
3）三角域曲面的生成；
4）法向等距曲面生成；
5）曲面間交線生成；
6）車身任意特征線生成；
7）車身曲線曲面的追加造型（含曲線寄生、曲面寄生、曲線的延拓、曲面的延拓、車身曲面加筋、車身曲面翻邊等）。
曲面的倒角處理是車身曲面構造的一個重要環節，同樣的幾個曲面，不同的倒角順序和方法獲得的效果是不一樣的。設計人員一定要根據曲面的成形性和美觀等方面的要求去考慮，采用不同的方法和步驟。
對于車身的內板件，也就是結構件，倒角的半徑一般要圓整，比如如果測量點云獲得的半徑數值比如是3.3，我們一定要將倒角半徑修改為3.5或4。其原因也是為了制造的工藝性。因為在加工沖壓模具的時候，圓整后的刀具我們容易買到，如果圓角半徑不是標準的數據，制造的時候就必須采用比較小的刀具來處理，這樣會造成加工效率的低下。另外車身曲面，特別是結構件，能夠是平面的，盡量采用平面設計，只要滿足剛度和強度的設計即可。也就是盡量結構簡化。車身的外覆蓋件也并不是各處都要求A級曲面，有的局部故意要求棱角分明，這要根據設計者的理念去分析，確定相應的方法。
車身曲面上的孔和洞的處理，一般要在車身曲面構造完成之后，再根據功能的要求去處理。對于曲面上的孔，盡量將孔開在平坦的曲面上，這樣車身零件的工藝性比較好。
4、曲面數學模型構建
目前行業內白車身逆向設計所應用軟件一般為CATIA,或者是UG與Imageware結合使用。在單件逆向設計過程中,要充分考慮到設計者的意圖,不能簡單地以點云為基準逆向,要充分考慮到沖壓工藝,要隨時修正由于車身鈑金變形而產生的點云錯誤,避免沖壓負角等低級錯誤;而在總成逆向設計過程中,要以最初確定的設計基準為輸入,充分考慮到焊接、涂裝及總裝工藝可行性,合理布置焊點位置以及焊接定位孔.面的修正,盡量提高焊接工藝性,同時也要保證涂裝滑橇安裝定位及總裝操作方便性。
綜上，要想高質量、快速地創建曲面數學模型,需要設計人員具有非常熟練的三維建模軟件應用能力,而且還應具有較豐富的沖壓、焊接、涂裝及總裝工藝知識。
六、應用舉例
1、 參考樣車的準備
參考樣車五臺：
一臺作為標準車，作為設計參考標本；
一臺拆解、作車身逆向工程測繪用；
一臺作為造型設計做1：1油土模型用,土模型允許對車身局部破壞，但不得使車身基準有變化；
一臺作為模具開發單位提前對車身進行解體，對車身鈑金件提前進行沖壓工藝分析；
一臺作為焊裝夾具設計制造單位解體、分析用。
2、車身掃描、測繪前定位、找正
1）定位、找正設備
2）車身初步找正
3）車身坐標系的精確再定位
3、車身焊接總成的拆解、掃描
1）拆解前工藝模型架的制作
2）大塊焊接總成工藝模型架的制作、車身總成拆解
3）大焊接總成及其零部件的補充掃描、測量
4、外表面掃描數據處理及光順
工作流程：對上述步驟掃描數據進行處理→拼合掃描點云→以點云產生初步的表面→進行表面光順→表面分線。（圖）
5、外表面表面光順的質量檢查
1）表面質量檢查
主要利用光順表面反射斑馬線、反射云圖、任意斷面線二階導數連續等。
2）銑削1：1樹脂外表模型評價
在用計算機軟件車身外表面光順的質量檢查合格后，為了更加詳細地評價表面光順處理的結果，確保表面光順處理以及表面分塊、縫線設計合理，一般須用光順后的三維數據NC加工1：1的外表面樹脂模型。
6、零部件曲面及結構三維重建
工作流程：對掃描數據進行處理→拼合掃描點云→以點云產生初步的表面→對雜訊點進行處理、刪除→根據處理后的點云以及零件特征，進行零件三維曲面、結構重建，得到零件的三維數學模型和線架構圖。
7、零件數模虛擬裝配檢查校核
在車身所有零部件完成三維數學建模后，為了確保零部件裝配狀態良好，可以通過在計算機中進行虛擬裝配。通過虛擬裝配，檢查零部件可能存在的干涉和不應有的間隙，同時檢查裝配孔位配合情況。只有經過虛擬裝配檢查并沒有問題的零部件，才能開始建立二維圖檔，并且正式發布3D、2D設計文件，作為模具、檢具、夾具設計制造的依據。
七、某白車身的強度分析
1、模型建立
在獲得白車身CAD模型的基礎上，通過HyperMesh軟件對白車身進行結構的離散網格劃分。在白車身劃分過程中所有網格均采用板殼單元（shell）進行劃分。
白車身的焊接工藝主要有點焊和二氧化碳保護焊等。點焊是白車身裝配時最重要的焊接方式，考慮到傳遞力的特性，對點焊采用CWELD單元進行點焊的模擬。
二氧化碳保護焊采用RBE2單元進行模擬，粘膠采用六面體單元模擬。網格劃分質量的好壞直接影響求解時間和求解精度，網格使用的不合理會導致求解過程的中斷和求解結果的不正確。所以劃分網格是一個重要環節，在劃分過程中對網格類型進行控制，在模型中使三角形單元的數量占單元總數量的3.5%以內，其余均采用四邊形殼單元。整個車身的有限元模型由417676個節點，367892個殼單元組成，如下圖所示。
2、載荷工況及邊界條件
強度分析模型按整車滿載質量1900kg 計算，計算白車身的強度必須把所有的車身部件的質量進行附加，只有這樣才貼近實際情況。附加質量用質量點單元CONM2模擬，發動機、變速箱、冷凝器、油箱、水箱、備胎、前門總成、中門總成、后背面總成、發動機罩總成和座椅及乘員質量使用RBE2剛性單元加載到相應總成的安裝處。
在客車滿載條件下（乘員人數為 9 名），應力最大值通常出現在右前輪左后輪均抬起150MM的情況下。該工況模擬的是汽車在右前輪和左后輪在遇到凸包時的工況。通過動力學仿真軟件Adams模擬了微型客車右前輪和左后輪同時抬起150mm工況下輸出與車身相連的6個硬點的力和力矩作為載荷輸入參數。
3、計算結果及分析
白車身強度通常用分析應力來衡量，并與其安全系數（即零部件材料的屈服強度除以零部件的最大分析應力）息息相關。應力越小，安全系數越大，強度也越高。通過后處理器Hyperview可以看到白車身絕大多數零部件應力較小，應力值都在允許范圍內，車身應力最大位置出現在右前輪殼位置最大應力值為 233MPa，同時后地板應力值也是較大的地方其最大應力值為211MPa。前輪殼和后地板所用材料均是寶鋼生產的通用低碳材料 BLC，依據寶鋼所給材料參數其屈服屈服強度為 140MPa 270MPa。顯然前輪殼和后地板的安全系數都已經超過 1，但是它們依舊是整個白車身強度最弱的地方，若想提高整車的強度性對該兩處進行加強能起到最大作用。
八、總結
在汽車車身設計上應用逆向工程技術是一項技術性、開拓性和綜合性很強的工作。在現階段，縮短研發周期、提高產品競爭力，結合迅猛發展各種科學技術，通過對逆向工程技術在汽車設計中的應用的分析，對逆向工程技術得到了深刻的認識，并且對于專業知識也了解到很多。逆向工程技術的應用，首先消化吸收引進的技術，然后建立其自己的模型，逐步修改完善，從而切實形成自己的產品。這正是迅速填補我國當前汽車工業與世界先進水平差距的有效手段。
然而通常情況下利用逆向技術設計出來的車身其性能不一定有很高的可靠性，在逆向出原來外觀的基礎上通過有限元技術對車身的強度進行分析，通過車身的有限元分析，獲取了車身有效的可靠的應力數據。分析結果得出該車身模型在極限工況下具有較高的承載能力，但是局部應力稍偏大可以進行局部改進，為車身的優化指明了方向。
