一種三維模型輕量化技術(shù)研究

王云龍，朱明清，韓 剛，劉彤軍

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090； 2.哈爾濱通聯(lián)客車有限公司，哈爾濱 150000)

1 研究背景

汽車排量要求和尾氣排放要求逐漸提高，故而汽車制造業(yè)對結(jié)構(gòu)輕量化的需求越來越大，以提高車輛燃燒效率并滿足排放規(guī)定。在制造過程中融入大量輕量化理念，最常用的是使用鋁材來取代鋼鐵。鋁的關(guān)鍵特性是低密度，僅是鋼的1/3。鋁可以通過冷加工或熱處理進行合金化和強化，以獲得高強度，從而實現(xiàn)高強度重量比。2006年，鋁超過鑄鐵成為北美汽車第二大常用材料，僅次于鋼。

汽車設(shè)計和生產(chǎn)過程中輕量化技術(shù)無處不在，不僅限于鋁材的使用，還涉及設(shè)計過程中的三維模型輕量化。在車身的各項模擬仿真中，三維模型起到了基礎(chǔ)性作用，三維模型的準確與否，直接影響模擬仿真結(jié)果。三維模型文件的體積大小，直接影響模擬仿真的運行速度。過大的三維模型文件，會直接導(dǎo)致模擬仿真運行速度過緩，從而影響工程進度。在很多場景下，對模型的精度要求不是十分苛刻，所以沒有必要使用動輒數(shù)百M的三維模型文件[1-2]。

2 三維模型精簡

項目提出一種三角面片精簡方法，其基本思路如圖1所示。

圖1 三角面片精簡流程Fig.1 Simplification process of triangular patch

在得到三維模型后，其格式為三角面片，將其轉(zhuǎn)換為三維點云格式，對點云進行精簡處理，再將精簡后的點云進行二次封裝，得到新的三維模型。點云精簡方式可以理解為與曲率負相關(guān)：在曲率較低的部分，精簡比例閾值可設(shè)為90%；隨著曲率增高，精簡比例會隨之降低；在曲率很高的部分，精簡比例閾值可設(shè)為5%，以保證模型復(fù)雜部分的準確性[3-6]。通過這種精簡方式，可以在最大程度保持模型表面特征的基礎(chǔ)上，通過逐級簡化來減少三角面片數(shù)量[7]。

3 實驗和討論

以小客車車門為樣本進行討論。進行三維掃描，使用的設(shè)備是Creaform Handyscan700手持式三維激光掃描儀，最高精度可達0.05 mm，完全滿足車身設(shè)計的需求，掃描過程如圖2所示。掃描后得到的三維模型如圖3所示，其三角面片數(shù)量約為6 200萬個，其文件體積約500 M。

通過使用三維模型輕量化方法，可以將原本6 200萬個三角面片縮減至110萬個，文件體積約60 M，縮減率可達85%以上。輕量化處理后的車門模型如圖4所示。

圖2 對車門三維掃描Fig.2 Three dimension scanning of face-to-face car door

圖3 車門三維掃描模型Fig.3 Three dimension scanning module of the car door

圖4 輕量化處理后車門模型Fig.4 Door model after lightweight treatment

使用Geomagic Control X計量軟件進行對比分析，可知輕量化處理前后的車門模型之間差距很小(如圖5所示)，偏差基本在0.02 mm以下，具體偏差分析見表1。通過實驗可證明，這種簡化方法可以滿足模擬仿真對三維模型的需求。

圖5 輕量化處理前后的模型對比分析Fig.5 Comparative analysis of the modules before and after light weight handling

表1 輕量化處理后模型偏差分析Tab.1 Variance analysis of the module after lightweight handling

4 結(jié)論

提出一種三維模型輕量化處理方法，將三維模型轉(zhuǎn)換為點云數(shù)據(jù)，通過按曲率負相關(guān)處理原則進行處理，刪減部分點云數(shù)據(jù)后，再重新封裝成三維模型，已達到三維模型輕量化處理的目的，并通過實驗進行處理前后的模型對比分析，顯示了本方法的有效性和可靠性。下一步將結(jié)合車身部件的受力情況進行優(yōu)化和改進，以提高輕量化處理后的整體剛性。