基于点云的轮胎花纹最优构型理论与关键技术

An optimal design method of the tire tread whose key technologies appropriate for the tread reconstruction, characteristic analysis and multi objective optimization has been put forward on the basis of the scanning point cloud data and the research of tire characteristics, Then establishes the computer-aided analysis theory and application method for pattern characteristic based on 3D tread hierarchy model systematically. .Firstly, The project studies the point cloud data segmentation and feature information extraction method which can restore the pattern design information on the basis of the research of tire structure characteristic,and constructs the 3D tread semantic model based on the acquired parameter information; Then, explore the function mechanism between the tread and tire noise, rolling resistance and water skiing characteristics as well as the physical interaction between the various characteristics of the model by establish the 3D tread noise model, the 3D tread rolling resistance model and the 3D tread water skiing model; Finally, establish the optimization model whose tread structure can synergy improve the tire noise, water skiing, rolling resistance performance, and then realize the tread reverse design system based on characteristic prediction with the help of experimental verification and feedback mechanisms..The research of this project not only improves the intelligent level of tire reverse modeling, as well as conquers the disadvantages of traditional reverse modeling method which cannot constructs a tread structure model that meet tire performance requirements, but also enhances the integrity and flexibility of optimal design method of the tire tread.

以轮胎花纹特性为研究对象，面向扫描点云寻求适用于花纹重构、特性分析、多目标优化等关键技术一体化的花纹最优构型设计方式，系统地建立基于3D花纹层次化模型的计算机辅助花纹特性分析理论与应用方法。项目首先基于轮胎结构特性，研究能够还原花纹结构设计信息的点云数据分割及特征信息提取方式，构建基于获取参数信息的轮胎3D花纹语义模型;然后通过建立轮胎花纹3D噪声模型、花纹3D滚动阻力模型、花纹3D滑水模型，探究花纹与轮胎噪声、滚动阻力，滑水特性之间的作用机理及各特性之间的物理作用模式;最后确立花纹结构对协同提升轮胎噪声、滑水、滚动阻力等性能的优化模型，进而借助实验验证与反馈机制，构建基于特性预测的花纹逆向设计系统。本项研究不仅提高了轮胎逆向建模的智能化水平，克服传统逆向建模难以构造符合轮胎性能要求的花纹结构模型，也增强了轮胎花纹最优构型设计的完整性与灵活性。

以轮胎点云逆向重构体系为研究对象，寻求适用于复杂花纹轮胎逆向重构建模过程与关键特征信息表征的关键技术，较为系统的建立融合层次化语义特征的点云数据逆向重构建模理论与应用方法。主要研究内容与结果：(1) 针对以几何特征为主导的建模方式在点云逆向重构中的局限性，提出融合层次化花纹语义特征的点云处理方法，将理论设计中的花纹沟、装饰品等结构抽象分解得到轮胎花纹语义单元，该方法根据轮胎胎面的双曲率特性及周向的回转特性，结合点云数据的特点，从而提出基于阈值的边面混合分割方式。通过3D胎面点云数据转化成点云映射阵的形式进行降维处理简化边界信息的提取过程。(2) 针对轮胎点云数据逆向重构过程中存在的操作繁琐且不规范的问题，提出一种面向逆向重构的轮胎点云数据层次化建模方法，该方法在轮胎结构特征研究的基础上，以花纹语义单元为主要载体，通过有效还原花纹语义单元的结构基元曲线并根据基元曲线重构花纹关键参数信息及语义特征间原始的几何约束关系，进而实现驱动特征点到知识元，并最终实现由知识元到模型的过程。(3) 为有效的提取花纹边界信息，在胎面花纹边界特点及逆向重构在数字化建模中的应用研究方法进行研究。提出连通性区域性增长的特征提取方式进行花纹沟边界的重构，自定义行链码与列链码的数据存储方式，分别进行纵向花纹边界与横向花纹边界信息的存储，并对交汇区域进行标记，在横纵花纹交汇区域实现更加准确的边界判断，并采用K-Means聚类法提高横向边界精度。(4) 基于轮胎2D图像，综合运用图像处理技术完成轮胎断面的成分检测及轮胎花纹图像相似度检测系统。面向三维轮胎模型采用直方图算法、模拟退火算法等对面相似性、结构单元离散相似性等进行相似度的判定。(5)通过ABAQUS中的CEL法实现复杂花纹的滑水及抓地力仿真分析，并采用python语言实现有限元仿真模型的快速创建。. 项目采用面向对象的设计方法，开发了基于融合层次化语义特征的点云逆向重构方法的轮胎点云逆向重构系统，研究成果被成功应用于轮胎花纹的设计与分析过程中。