基于逆向设计的外形曲面重构

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1、基于逆向设计的外形曲面重构方斌摘要：简要阐述了逆向工程的基本概念、方法以及一般步骤，并结合某型号飞机的进气道外形曲面重构建模，完成了对以模拟量为协调依据的飞机实施数字化技术的设计过程。关键词：逆向工程曲面重构建模1引言逆向工程（ReverseEngineering）设计是现代飞机外形CAD设计的重要组成部分，也是计算机辅助几何造型设计CAGD（ComputerAidedGeometricalDesign）的主要方法和手段之一。所谓CAGD，即主要研究工程中的几何造型问题，它是对各种几何外形信息的计算机表示、分析

2、和综合，可分为曲面造型和实体造型，其中曲面造型主要研究曲线曲面的表示方法和分析综合，在飞机外形几何设计中，就是要建立全机几何外形的数学模型，并通过计算机对其进行描述和控制。逆向工程设计就是通过对已有的产品零件、模线、样板进行测量，得到一系列描述其型面的型值点，再根据不同的数学方法，使用软件中的曲面生成模块拟合出零件或主模型的型面，并进行必要的光顺处理。逆向工程设计主要有以下作用：①精确地逼近实物型面，为下一步的曲面重构和计算机辅助制造（CAM）作准备；②对已有零件的复制，再现原产品的设计意图；③可作为进行气动力

3、分析、强度计算及建立电子样机的数据基础；由于这种逆向工程设计一般是在先有零件或模型的基础上进行的，是利用先进的计算机软件对零件表面参数化和数字化的处理，使之由实物转化为数据的反向过程，因此被称为逆向工程设计。在本文中，针对飞机的改进改型工作，充分利用逆向工程技术将图纸数据化，使之符合现有的模线图样，以完成下一步的优化设计及分析计算和校核。2逆向工程的一般步骤6数据的预处理构造曲面曲面光顺性、可用性检查曲面重构的依据数据来源及分析数据的提取建立、优化曲线曲线光顺性检查数字模型的整理、发放是否满足要求是否满足要求外

4、形曲面重构是逆向工程的核心和主要目的，是依据得到的数据利用相关软件恢复曲面形状建立CAD数学模型的过程。在取得零件外形的数据后，以逆向工程软件进行数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面生成、曲面误差的对比后，再重新构建曲面模型，重新构建的数字模型可以作为下游设计的依据、制造和CAM(Computer-aidedmanufacturing)加工。2.1逆向工程流程图由于飞机外形曲面是由许多大小不等、形状各异的曲面拼接而成，从而导致其复杂性及曲率变化的不规则性，因此在构造这些曲面之前，就应先生成由型值点控制拟合

5、、逼近和优化而成的高级曲线，然后根据不同的控制条件由曲线生成最终的理想曲面。逆向工程设计的流程图如图1所示：图1逆向工程设计流程图2.2曲面重构的数据来源及依据飞机外形曲面重构的数据来源主要有两方面：飞机外形理论图中的数据和公式；通过实物或模线样板获得的测量数据。6在飞机设计制造过程中，首先根据飞机外形理论图绘制理论模线，而模线的绘制往往需要反复修改，且在很多情况下修改的结果未真实反映到理论图纸中，因此，当出现理论模线与外形理论图不一致时，应以理论模线为准；当理论模线与外形理论图一致时，可以根据外形理论图提取曲

6、面重构所需的数据。理论模线是制造的原始依据，同时，也是逆向设计的协调依据。2.3曲面重构数据的提取及处理如图2所示，为位于任一截面的外形曲线，和为已提取的数据点，为待提取的下一个数据点。为保证数据点的近似均匀分布，预先确定一个弧长间隔的点，即。将的横坐标取为，即，再由确定其纵坐标。这样获得的各相邻数据点间的弧长接近定值，取点越密则数据点的分布越均匀。图2根据外形理论图提取数据信息通过对原始数据的预处理，可以为下一步的曲线、曲面构造做好准备。一般预处理的过程如图3所示：排除异常数据遗漏点补齐数据平滑数据精简数据归

7、类数据均匀化图3原始数据预处理过程2.4曲线的创建及质量控制曲线是构成曲面的基础，曲线的创建原则应满足连续性要求，包括位置连续（G0）、切失连续（G1）和曲率连续（G2），必要时可对数据点进行插值或拟合来改善曲线的光顺性。在修改和调整曲线时要注意保持曲线端点的控制条件,这样才能保证曲面之间的光顺连接；通过分析曲线的曲率分布、曲线的光顺处理过程后，可以使曲线具有一致的保凸性，没有多余的拐点，即满足曲线变化均匀的要求。62.5曲面的创建及质量控制曲面的重建是逆向设计过程中最为关键的一步。目前，逆向工程中主要有三种构

8、造曲面的方法：①以B-Spline样条曲线或非均匀有理B样条曲线（NURBS曲线）为基础的曲面构造方法；②以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法；③以多面体方式来描述曲面物体。其中，NURBS曲面构造方法有着突出的优点：可以精确地表示二次规则曲线曲面，能用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面；曲面的形状宜于修改和控制；可以准确表达多块曲面连接而成的复合曲面；相邻曲面之间可以达到G2