CN112784450A - 一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法 - Google Patents

一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，首先利用有限元分析工具将零件三维模型转化为空间中点数量有限的点云；然后将点云文件导入至CATIA的模具三维模型中，并投影至模具型面；最后使用数字曲面编辑模块DSE对投影点集合进行网格面重建，重建得到的曲面的外缘线即为零件的最大外缘线。本发明利用有限元思想，借助CATIA提取了较高精度的模具最大零件外缘线，通过本方法得到的零件最大外缘线的精度取决于零件三维模型生成点云的数量，这一步由电脑自动完成，因此是一种拟合精度和效率都很高的拟合方法。本方法广泛适用于提取任何零件在各种模具型面上的最大外缘线，以满足材料成型、零件加工的需要。

Description

一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法
技术领域
本发明涉及三维CAD/CAM/CAE技术领域，具体涉及一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法。
背景技术
CATIA是由法国达索公司推出的一套功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，广泛应用于航空航天、汽车和工程机械等诸多领域，并且是航空航天工业上市场占有率最高的计算机辅助设计软件，可以用于模具和零件设计。
部分采用模具成型的零件在模具中成型时会涉及到切割工艺，因此在设计模具时需要在模具型面预留外刻线，即零件在模具型面上的最大外缘线，用以切割零件和检验零件外形。该最大外缘线实际上是零件在模具型面法向上的投影，但CATIA没有直接对实体按投影面法向投影的指令，无法直接提取零件在模具型面上的最大外缘线。
目前提取零件最大外缘线的方法是采用平面切层投影拟合的方法来近似地提取。该方法的基本过程是通过对零件三维模型用一定数量相同方向的平行平面进行切层并获得与模型的闭合交线，然后将这一系列交线投影至模具表面，再提取出这一系列交线的集合的外缘即可近似地提取零件在模具上的最大外缘线。但是该方法存在着以下问题：
1、精度不高：该方法提取的最大外缘线精度取决于切层平面的数量，切层平面的数量越多，投影得到的闭合交线越多，最大外缘线的拟合精度越高，但是仍然是一种近似拟合的方法，且难以控制最大外缘线的精度。
2、工作量巨大，可操作性差：因为零件最大外缘线的拟合精度取决于切层平面的数量，因此为了达到实际工程制造对拟合最大外缘线与实际最大外缘线的误差要求，需要用大量的平行平面进行切层，导致工作量巨大，效率低下，可操作性差。
发明内容
本发明旨在解决现有CATIA平面切层投影拟合法提取的零件最大外缘线精度低、可操作性差、效率低的问题，提出了一种精度高、效率高的基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于：
步骤A、利用有限元分析工具将零件三维模型转化为空间中点数量有限的点云；
步骤B、将点云文件导入至CATIA的模具三维模型中，并投影至模具型面；
步骤C、使用数字曲面编辑模块DSE对投影点集合进行网格面重建，重建得到的曲面的外缘线即为零件的最大外缘线。
所述有限元分析工具为可以对三维模型进行网格划分的工具，包括HyperWorks、ABAQUS和CATIA。
步骤A具体包括，
A1、使用网格划分工具对零件模型表面划分网格，选择划分步长并获得网格，此时网格节点即为构成点云的点；
A2、导出为.stl格式的点云文件；
A3、进入CATIA的DSE模块，导入.stl格式的点云文件，并导出为.asc格式的点云文件，该文件中保存了点云中所有点的空间坐标信息。
步骤B具体包括：
B1、利用脚本程序将.asc格式的点云文件导入至CATIA的模具三维模型中，轴系为绝对轴坐标系；
B2、进入创成式外形设计（Generative Shape Design）或者快速曲面重建（QuickSurface Reconstruction）模块将导入的点集合投影至模具型面；
B3、将投影得到的点集合导出为.igs格式的点云文件。
步骤C具体包括：
C1、进入CATIA的DSE模块，导入.igs格式的点云文件；
C2、利用Mesh Creation命令重建曲面；
C3、利用Free edges命令提取边界线；
C4、利用Curve from Scan命令，将Scan类型的边界线转换为普通曲线集合；
C5、将转换得到的曲线集合接合得到的曲线即为零件最大外缘线。
在步骤B2中，投影类型选择“法线”，投影对象选择“导入的点集合”，投影支持面选择“模具型面”。
在步骤C3中，边界线类型为扫描曲线（Scan）。
本技术方案的有益效果如下：
本发明利用有限元思想，借助CATIA提取了较高精度的模具最大零件外缘线，通过本方法得到的零件最大外缘线的精度取决于零件三维模型生成点云的数量，这一步由电脑自动完成，因此是一种拟合精度和效率都很高的拟合方法。本方法广泛适用于提取任何（规则或者不规则）零件在各种模具型面（平面、曲面或者混合面）上的最大外缘线，以满足材料成型、零件加工的需要。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为零件与模具的三维模型图；
图2为零件模型表面网格划分的示意图；
图3为点坐标集合投影至模具型面的示意图；
图4为对投影点集合重建曲面的示意图
图5为Free edges命令提取边界线的示意图；
图6为Curve from Scan命令将Scan类型的边界线转换为普通曲线集合的示意图；
图7为曲线集合接合得到的零件最大外缘线的示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施了公开了一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，该方法基于有限元思想，首先用可以对三维模型进行网格划分的工具（如HyperWorks、ABAQUS、CATIA等有限元分析工具）将零件三维模型转换为空间中点数量有限的点云（Cloud Points），然后将点云文件导入到CATIA的模具三维模型中，将点云投影到模具型面，再用DSE（数字曲面编辑）模块对投影点集合进行网格面重建（Mesh Creation），重建得到的曲面的外缘线即为零件的最大外缘线。该技术得到的零件最大外缘线的精度取决于零件三维模型生成点云的数量，这一步由电脑自动完成，因此是一种拟合精度和效率都很高的拟合方法。
具体操作过程介绍：
操作过程用到的工具为Altair HyperWorks 2017（64位）、CATIA V5 R18。
①对零件模型表面划分网格，并导出为.stl格式文件
如图2所示，首先用网格划分工具对零件模型表面划分网格，选择划分步长（划分步长越小，生成点云数量越多，拟合精度越高）并获得网格，此时网格节点即为构成点云的点。导出为.stl格式的点云文件。
②进入CATIA的DSE模块，导入.stl点云文件，并导出为.asc格式文件
进入CATIA的DSE模块，用Import命令导入.stl格式点云文件（此时的点云在CATIA中是不可参数化编辑的），导入后点击Export命令，选择导入的点云文件，导出为.asc（Ascii free）格式文件（可以.txt方式打开），该文件保存了点云中所有点的空间坐标信息。
③利用脚本程序将.asc文件导入至绝对轴坐标系
利用脚本程序将.asc格式文件中的点坐标集合导入至CATIA的模具三维模型中，轴系为绝对轴坐标系。此时在CATIA中生成了可参数化编辑的点集合。
脚本程序功能介绍：
脚本程序基于Visual Basic 6.0语言编写，主要功能是根据选择的参考轴系或者绝对轴，导入.txt类型的点坐标文件，免去手动输入点坐标过程，提高导入点坐标的效率。
④将导入的点坐标集合投影至模具型面
如图3所示，进入创成式外形设计（Generative Shape Design）或者快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction）模块对导入的点集合进行投影。投影定义中，投影类型选择“法线”，投影对象选择导入的点集合，投影支持面选择模具型面。完成后得到投影面的投影点集合，此时的集合中的点为可参数化编辑点。
⑤将投影得到的点集合导出为.igs格式点云文件，该文件包含了重建曲面前的点云。
⑥进入CATIA的DSE模块，用Import命令导入.igs格式点云文件，注意此时的点云在CATIA中是不可参数化编辑的，但可以进行曲面重建。
⑦如图4所示，点击Mesh Creation命令对导入的点云进行曲面重建。重建得到的曲面即为零件在模具型面法向上的投影。
⑧如图5所示，点击Free Edges命令，提取重建曲面的边界线，注意此时的边界线类型为扫描曲线（Scan）。
⑨如图6所示，点击Curve from Scan命令，将Scan类型的边界线转换为普通曲线集合，将该曲线集合通过接合命令得到的曲线即为零件在模具型面上的最大外缘线，如图7所示。

Claims (7)

1.一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于：
步骤A、利用有限元分析工具将零件三维模型转化为空间中点数量有限的点云；
步骤B、将点云文件导入至CATIA的模具三维模型中，并投影至模具型面；
步骤C、使用数字曲面编辑模块DSE对投影点集合进行网格面重建，重建得到的曲面的外缘线即为零件的最大外缘线。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，所述有限元分析工具为可以对三维模型进行网格划分的工具，包括HyperWorks、ABAQUS和CATIA。
3.根据权利要求2所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，步骤A具体包括，
A1、使用网格划分工具对零件模型表面划分网格，选择划分步长并获得网格，此时网格节点即为构成点云的点；
A2、导出为.stl格式的点云文件；
A3、进入CATIA的DSE模块，导入.stl格式的点云文件，并导出为.asc格式的点云文件，该文件中保存了点云中所有点的空间坐标信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，步骤B具体包括：
B1、利用脚本程序将.asc格式的点云文件导入至CATIA的模具三维模型中，轴系为绝对轴坐标系；
B2、进入创成式外形设计（Generative Shape Design）或者快速曲面重建（QuickSurface Reconstruction）模块将导入的点集合投影至模具型面；
B3、将投影得到的点集合导出为.igs格式的点云文件。
5.根据权利要求4所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，步骤C具体包括：
C1、进入CATIA的DSE模块，导入.igs格式的点云文件；
C2、利用Mesh Creation命令重建曲面；
C3、利用Free edges命令提取边界线；
C4、利用Curve from Scan命令，将Scan类型的边界线转换为普通曲线集合；
C5、将转换得到的曲线集合接合得到的曲线即为零件最大外缘线。
6.根据权利要求4所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，在步骤B2中，投影类型选择“法线”，投影对象选择“导入的点集合”，投影支持面选择“模具型面”。
7.根据权利要求5所述的一种基于有限元理论的模具最大零件外缘线提取方法，其特征在于，在步骤C3中，边界线类型为扫描曲线（Scan）。
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