發(fā)動機氣道幾何曲面模型的重構(gòu)設計-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目 發(fā)動機氣道幾何曲面模型的重構(gòu)設計 </p><p>　　院 （系） </p><p>　　專業(yè)班級 <

2、/p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 教授級高工 </p><p>　　評閱教師 職稱 講師 </p><p>　　2014年 6 月 4 日</p

3、><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　逆向工程是對已有產(chǎn)品進行逆向再設計并使新產(chǎn)品更優(yōu)于原始產(chǎn)品的技術(shù)。逆向工程的設計步驟一般包括對產(chǎn)品的點云采集（可通過各種接觸式或非接觸式的測量方法），點云的處理（經(jīng)過數(shù)據(jù)處理才能滿足曲面重構(gòu)的要求），點線面的重構(gòu)（曲面構(gòu)建過程中的光順性分析對模型的質(zhì)量有很大影響），對實體進行加工設計（曲面必須轉(zhuǎn)換成實體才能進行有

4、限元分析）。</p><p>　　在本文中，使用Imegaware以及UG兩款設計軟件對CB150摩托發(fā)動機進氣道點云數(shù)據(jù)進行以上的處理，在UG NX8.0軟件中完成進排氣氣道三維幾何曲面模型重構(gòu)并輸出CFD網(wǎng)格圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 逆向工程 曲面重構(gòu) 光順性分析 實體建模 </p><p><b>　　ABSTRACT</b&g

5、t;</p><p>　　Reverse engineering is one advantage technology that the new product is reversal design and it’s perference is better than old type. The design steps of reverse engineering generally include the

6、point cloud acquisition that can be obtained through the measurement of touthing and non-touching, dealing with the point cloud that meets the requirements of surface reconstruction through data process, reconstruction o

7、f point, line and side and during the process the smoothness analysis has a great inf</p><p>　　In this paper, the point cloud data of CB150 motorcycle engine inlet part is dealed with Imegaware and UG softwa

8、re. The reconstruction of 3D surface model is finished with UG NX8.0 software and CFD grid graph is outputted.</p><p>　　Keywords: reverse engineering；surface reconstruction；smoothing analysis;</p><

9、;p>　　solid modeling.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>

10、　　2 發(fā)動機氣道曲面重構(gòu)過程理論分析2</p><p>　　1.1發(fā)動機氣道表面數(shù)據(jù)的測量2</p><p>　　1.2 基于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建發(fā)動機進排氣氣道三維幾何曲面3</p><p>　　1.2.1原始點云數(shù)據(jù)的處理3</p><p>　　1.2.2 曲面的劃分與曲線的擬合4</p><p>　　1.2

11、.3曲面重構(gòu)5</p><p>　　1.2.4重構(gòu)曲面光順性準則及分析6</p><p>　　1.2.5曲面光順性準則6</p><p><b>　　1.3實體造型7</b></p><p>　　2 發(fā)動機氣道曲面及三維模型的重構(gòu)8</p><p>　　2.1 軟件簡介8</

12、p><p>　　2.1.1 Imageware簡介8</p><p>　　2.1.2 UG NX8 簡介8</p><p>　　2.2 CB150摩托車發(fā)動機氣道片體的重構(gòu)9</p><p>　　2.3 CB150摩托車發(fā)動機氣道實體的構(gòu)建16</p><p>　　3 CFD系統(tǒng)網(wǎng)格劃分19</p>

13、;<p><b>　　4 結(jié)論20</b></p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　近十年來，發(fā)動機設計及制造工藝技術(shù)突飛猛進，對發(fā)動機性能，燃油消耗等一系列性能指標提升越來越迅速。而消費者也將眼光著重于

14、發(fā)動機的油耗、煙度、功率等各項工作指標。因此對發(fā)動機的優(yōu)化是設計者們不斷努力的目標。而發(fā)動機進氣道作為發(fā)動機的咽喉部位對發(fā)動機效率等工作指標有著關(guān)鍵的作用，因此對發(fā)動機進氣道的優(yōu)化可以使發(fā)動機獲得良好的動力性、經(jīng)濟性和改善發(fā)動機的排放性能。因此，發(fā)動機進排氣道的設計也是發(fā)動機設計的一個重點環(huán)節(jié)。</p><p>　　但是，在發(fā)動機的傳統(tǒng)設計過程中，與其他零件設備設計過程不同的是，由于發(fā)動機進氣道的幾何曲面特征較為

15、復雜，設計人員無法準確的給出進氣道的具體參數(shù)，以及準確的工程圖，只能通過設計人員憑借草圖以及經(jīng)驗對進氣道進行模擬試湊出符合條件的進氣道模型。當然這種方法有很大的缺點，由于伴隨著較大的不確定因素，導致不僅設計開發(fā)周期長，耗費大，而且所要的理想結(jié)果與通過上述方法所的設計產(chǎn)物有很大的差距。為了解決這種傳統(tǒng)設計方法的不足，在進排氣道的設計和改進中，我們提出了先進的現(xiàn)代設計方法（逆向造型技術(shù)）。</p><p>　　二十世

16、紀八十年代左右，歐美等一些發(fā)達國家的高校和工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始涉足于逆向工程領(lǐng)域。在早些時期，由于當時設備的不先進和整體技術(shù)發(fā)展不完善，導致所制作出的產(chǎn)品做工粗糙品質(zhì)得不到保證。隨著技術(shù)的日臻完善，出現(xiàn)了以探頭獲取目標產(chǎn)品外部的掃描設備，而后進一步開發(fā)出非接觸式設備，通過激光，聲波等技術(shù)，計算反射時間得出距離并以此得到點云數(shù)據(jù)。運用逆向工程軟件對采集到的點云數(shù)據(jù)進行處理制作，然后將重構(gòu)出的曲面輸入三維軟件（CATIA、UG、Solidwor

17、ks、Pro/E等）進行實體造型，最后將構(gòu)造出的曲面三維模型輸出CFD圖。伴隨著現(xiàn)代工程的需求，該系統(tǒng)在內(nèi)燃機進排氣道設計上的應用已成為發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　本次設計內(nèi)容為CB150摩托車發(fā)動機（風冷、單缸、兩氣門）的進排氣道曲面重構(gòu)、實體造型、CFD網(wǎng)格輸出。因為對氣道進行優(yōu)化可以進一步提高發(fā)動機的各項性能指標，所以本論文具有工程實際意義。</p><p>　　2 發(fā)動

18、機氣道曲面重構(gòu)過程理論分析</p><p>　　1.1發(fā)動機氣道表面數(shù)據(jù)的測量</p><p>　　逆向工程技術(shù)中點云數(shù)據(jù)的采集是指通過其特定的測量設備以及測量方法來獲取產(chǎn)品表面離散點的三維幾何坐標數(shù)據(jù)。能否高效、準確地采集到產(chǎn)品表面的三維幾何坐標數(shù)據(jù)，而完美實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一就是能否準確快速高效地獲取目標產(chǎn)品表面的三維立體幾何坐標數(shù)據(jù)。根據(jù)測量的方式不同，可以將點云數(shù)據(jù)測量

19、設備分為接觸式和非接觸式兩大類型。</p><p>　　(1).接觸式：在逆向工程領(lǐng)域，接觸式數(shù)字化測量設備以CMM為代表，利用探頭上的傳感器與被測的工程表面接觸來獲取信息。 CMM由于利用編程規(guī)劃掃描路徑，需要一次一次的獲取被測形面上一點的（x，y，x），因此在數(shù)字化速度上比較低。與非接觸式測量設備相比，它具有更高的精度以及受周圍環(huán)境的光照等因素的影響較小，而且對與目標產(chǎn)品的邊界也能較為準確的得出我們想要的測量

20、結(jié)果。由于探測頭的幾何條件限制，可能丟失某些探測頭由于不可抗拒因素而無法到達的細節(jié)數(shù)據(jù)，并且可能由于材料的原因也會導致探測頭無法獲取表面數(shù)據(jù)。因此，可以對一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，特征幾何結(jié)構(gòu)簡單的被測目標面進行很好的測量以及采集數(shù)據(jù)。當被測表面滿足以上條件時，CMM是一種非?？煽康挠行У娜S數(shù)字化手段。但是它所具有的缺點也是非常明顯的：價格昂貴，對使用環(huán)境的要求過高，測量速度過慢，對目標面的測量密度較低，而且在測量過程中需要人為干預。對于CM

21、M來說，對測量結(jié)果還要進行補償計算，包括探頭損傷及探頭半徑補償。</p><p>　　(2).非接觸式：非接觸式測量方法主要是利用光學，聲學，磁性等一些基本原理，將其特定的物理模擬量經(jīng)過合理的算法進而轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)品的三維幾何坐標。非接觸式測量方法很多，如逐層掃描測量、激光掃描測量等，其中，逐層掃描測量法主要用于復雜內(nèi)輪廓的高速測量，在產(chǎn)品制造過程中，我們經(jīng)常使用到的有逐層切削照相測量以及工業(yè)CT。</p&g

22、t;<p>　　工業(yè)CT雖然造價昂貴，成本相對逐層切削測量較高，而且測量準確度擁有較大偏差，但它可以在測量產(chǎn)品是對產(chǎn)品進行妥善的保護，因此可以對沒有復件的產(chǎn)品進行掃描。逐層切削照相測量是以非常小的測量厚度去對目標產(chǎn)品進行逐層測量，從而可以得到各個斷面的輪廓測量數(shù)據(jù)，這樣使得測量精度相比于其他測量方式得到提高，雖然一定程度上看來成本叫工業(yè)CT下降了不少，但是由于損壞的測量產(chǎn)品，因此在選擇時也應慎重考慮。在如今的逆向工程領(lǐng)域的

23、點云獲取技術(shù)中，工業(yè)CT和逐層切削照相測量占了很大部分比重。</p><p>　　另一方面，激光測距法就是利用激光在傳感器與測量產(chǎn)品表面的飛行時間計算出被測產(chǎn)品表面的三維幾何數(shù)據(jù)。非接觸式測量設備的測量速度得到了質(zhì)的飛躍，一些激光點云獲取設備的工作效率可以達到在很短時間內(nèi)獲得百萬計的點云數(shù)據(jù)，因而在整個測量過程中可以極大程度上減少人力資源的浪費，將多余的人力資源投入到別的工作步驟中去。不過，由于利用非基礎(chǔ)測量方法

24、獲得的點云數(shù)據(jù)數(shù)量極為龐大，因此必須以高性能計算機和輔助設計軟件進行輔助設計才能進行。</p><p>　　由于所要求的三維曲面模型與原實物樣件的幾何誤差要求控制在１mm（不高），所以我們采用非接觸式激光掃描法測量進排氣氣道零件表面數(shù)據(jù)。當運用非接觸式激光掃描測量法時，產(chǎn)品內(nèi)部無法得到掃描，為此，必須采用復模技術(shù)，澆出氣道陽模，即氣道模型，進而用激光三坐標測量儀測出該陽模的表面三維坐標。再者就是，由于激光測量方法

25、有測量焦距和景深的限制，一次就可以得到完整的點云數(shù)據(jù)是不可實現(xiàn)的，因此多次測量是完成數(shù)據(jù)測量的唯一方法，然后運用軟件對測量數(shù)據(jù)進行三維空間的修補與拼接。由此得到描述零件表面的點云數(shù)據(jù)。</p><p>　　1.2 基于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建發(fā)動機進排氣氣道三維幾何曲面</p><p>　　在反求過程中，我們都會采用正向設計，即為由點成線，再由線到面，最后由面做成實體。以產(chǎn)品為原型，在不知設計意圖的情

26、況下，通過表面點云數(shù)據(jù)進行曲面的重構(gòu)。在這個過程中，基于點云構(gòu)建幾何曲面的流程主要包括：點云數(shù)據(jù)處理，點云提取，特征線重構(gòu)，曲線擬合，曲面重構(gòu)，曲面質(zhì)量分析和編輯。</p><p>　　1.2.1原始點云數(shù)據(jù)的處理</p><p>　　由于激光掃描所獲得的數(shù)據(jù)量龐大的點云數(shù)據(jù)中往往含有許多的雜點，噪聲點等我們不需要的點云數(shù)據(jù)，影響到了我們后續(xù)所要進行的重構(gòu)設計。因此為了整個反求設計的工作的

27、順利完成，我們需要對點云進行處理，常用的方法包括：濾波去噪，數(shù)據(jù)精簡以及數(shù)據(jù)差插補等一系列內(nèi)容。</p><p><b>　　1)濾波去噪</b></p><p>　　對于獲取的三維幾何數(shù)據(jù)，我們在進行曲面重構(gòu)等中后期處理及制作時，由于很多客觀因素，例如被測產(chǎn)品的實體表面的波紋、粗糙度以及一些其它存在于其表面的物理缺陷等，另外，還有來自測量系統(tǒng)機器本身的不可忽略的影響

28、，比如由于激光散射斑紋所造成的非線性誤差、系統(tǒng)分辨率和采樣誤差等等，以及人為操作等客觀影響，在目標產(chǎn)品表面的三維幾何數(shù)據(jù)的采集過程中，使影響采集結(jié)果的噪聲點混入采集數(shù)據(jù)中，這樣會導致我們在進行曲線曲面重構(gòu)時產(chǎn)生光順性評估較差，影響重構(gòu)結(jié)果。因此，要像獲得滿意的采集數(shù)據(jù)，就必須要對所得結(jié)果進行處理。</p><p>　　噪聲在采集數(shù)據(jù)中明顯的表現(xiàn)就是其中含有較多的雜項點以及噪音點，曲率法，距離值法以及弦高法是我們比

29、較常用去噪方法。這些去噪方法具有一些相同的去噪思路：在閥值給定的條件下，如果采樣數(shù)據(jù)大于規(guī)定閥值就會被判定為異常點；但這幾種去噪方法有所不同的方面是在選擇的閥值時，曲率法的度量閥值是相鄰點之間的矢量夾角，而相鄰點之間建立的連線的距離則是弦高法的判斷閥值，距離法則是將相鄰點之間直線或平面距離來作為度量閥值。</p><p><b>　　2)數(shù)據(jù)精簡</b></p><p&g

30、t;　　對點云的數(shù)據(jù)精簡方法有很多，比較常用的就是先確定一個最小距離當做比較值，使相鄰點間距離與這個值進行比較，如果點間距離小于比較值那這兩個點就保留下來，反之則刪除。還有一些別的方法，比如斜率法等可以用于數(shù)據(jù)的精簡和篩選從而達到我們所預期的數(shù)據(jù)結(jié)果。</p><p><b>　　3)數(shù)據(jù)插補</b></p><p>　　由于激光反射原理所和被測產(chǎn)品所具有的復雜幾何特

31、征，導致在被測產(chǎn)品的復雜幾何特征出出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等。在后期數(shù)據(jù)處理中，不能缺少必要點云數(shù)據(jù)，因此我們要對未得到的數(shù)據(jù)進行處理。比如，在測量過程中我們一定會使用到夾具或者支撐道具，這樣就會導致我們無法獲得夾具或支撐道具與目標樣件所接觸的部分的點云數(shù)據(jù)丟失。</p><p>　　數(shù)據(jù)插補就是根據(jù)缺失數(shù)據(jù)周圍的三維坐標信息插補出缺失的坐標信息，這樣就可以讓我們最大限度的使實體模型的信息更為全面可靠，方便我們進行后續(xù)處理與

32、重做。在進行數(shù)據(jù)插補時，可以采用以下兩種發(fā)發(fā)進行：第一種就是將數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，然后講空缺的孔洞進行多邊形話，再將多邊形做成多個三角形網(wǎng)格，調(diào)整三角形網(wǎng)格化頂點進行插補；第二種是，利用插補的方法補缺遺失的點。另外，當我們在對目標樣件進行數(shù)去獲取，可能由于復雜的表面導致激光散射，從而造成壞點和缺失點，這是我們要先刪除壞點再進行插補缺失點。</p><p>　　1.2.2 曲面的劃分與曲線的擬合</p>

33、<p>　　在逆向工程中，數(shù)據(jù)處理是重要的一步，而后對數(shù)據(jù)的加工更為重要。通過對點云制作（包括曲線曲面擬合）才能滿足對產(chǎn)品逆向設計的條件。</p><p>　　（1）曲面的劃分：當使用處理后的點云數(shù)據(jù)進行重構(gòu)設計時，劃分零件的曲面部分是非常重要的，其原因只要是曲面的劃分直接影響到重構(gòu)曲面的構(gòu)造方式，拼接，縫合以及三維實體模型的建立。對自由曲面來說，曲面片劃分的好壞，不僅影響數(shù)據(jù)處理變的難易，而且影響曲面

34、的最終精度。曲面劃分的方式主要有自動劃分和手工劃分兩種。在此我選用手工劃分方式。</p><p>　?。?）曲線的擬合及修改：插值方法通常用于精確點的測量。逼近法表達了對數(shù)據(jù)點總體最優(yōu)逼近的程度。曲線插值和逼近可推廣到曲面的插值和逼近。插值和逼近統(tǒng)稱擬合。反求設計時要求曲線通過給定的數(shù)據(jù)點，由于數(shù)據(jù)點的數(shù)量往往超過曲線的次數(shù)，這就不能保證生成的曲線插值于給定點，而只能逼近，即曲線擬合。找出組成零件各個曲面片的特征

35、點，并對這些特征點進行擬合成為決定該曲面形狀的特征線。對這些初始擬合曲線的修改、編輯使曲線獲得理想的形狀。</p><p><b>　　1.2.3曲面重構(gòu)</b></p><p>　　曲面重構(gòu)是通過數(shù)學模型等一系列方法將采集到的點云數(shù)據(jù)進行實體化，經(jīng)初步實體化的點云數(shù)據(jù)進行加工、形狀修改、有限元分析和模具制造。其中曲面重構(gòu)大致分為兩種，一類是通過測量的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過提取

36、直接進行曲面擬合，另一了類是由前面擬合得到的曲線進行曲面重構(gòu)。</p><p>　　目前，Imageware軟件提供的曲面擬合方法有：三邊Bezier曲面法、多項式插值法、Nurbs曲面法。</p><p>　?。?）三邊Bezier曲面法：這種構(gòu)面方式要求工作面是基于曲面網(wǎng)格三角形上，曲面的三邊結(jié)構(gòu)在造型幾何錯亂的條件下會有非常良好的穩(wěn)定性，并且該方法方便靈活，實用性強，可以對散亂點云數(shù)

37、據(jù)進行曲面擬合。</p><p>　?。?）多項式插值法：多項式函數(shù)表達式形式簡單，并且無窮次可微，所以足夠光滑。當需要滿足的插值條件增多時，多項式插值曲線的次數(shù)就會隨著升高，曲線的擺動幅度也會隨著變大。這將造成計算上的不穩(wěn)定，局部修改能力差。一般不用在較復雜的空間曲線曲面上。</p><p>　?。?）Nurbs法：Nurbs法是建立在的B-spline和Bezier基礎(chǔ)上的，它較好地實

38、現(xiàn)了解析幾何與自由曲線曲面的統(tǒng)一，在逆向工程軟件中有著舉足輕重的作用。Nurbs法對幾何體的局部參數(shù)有很好的固定作用，減少誤差變動，在產(chǎn)品的空間幾何三維數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)，透視等變換時，有非常好的穩(wěn)定性，并且在使用時會有良好的配合方式對幾何體的各個參數(shù)進行分析計算。</p><p>　　對于由擬合得到的曲線重構(gòu)曲面，這種方法主要是利用樣條曲線通過四邊界面、掃掠（Sweep）、混合面（Blend）、直紋面、N邊曲面等方法

39、實現(xiàn)。</p><p>　　針對本次設計，我們選用Imageware三維逆向軟件處理點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件交互，提取出曲面，從而構(gòu)造出曲面。曲面的構(gòu)造方法主要有：放樣法、旋轉(zhuǎn)法和我包絡曲面法。一般情況下，選擇放樣法居多。</p><p>　　1.2.4重構(gòu)曲面光順性準則及分析</p><p><b>　　曲線光順性準則</b></p>

40、<p><b>　　曲線光順準則如下：</b></p><p>　　(1)二階光滑性：1)曲線的二階導矢連續(xù)，從而曲率連續(xù)；2)低次樣條曲線一次（在節(jié)點處的曲率可能有一個跳越，此時要求曲率躍度節(jié)點處左右曲率差）之和盡可能??；</p><p>　　(2)不存在多余拐點，即不允許出現(xiàn)下述情況：1)曲線應出現(xiàn)N個拐點，而擬合時卻多于N個拐點；2)不應該出現(xiàn)拐點的

41、地方出現(xiàn)了拐點；</p><p>　　(3)曲率變化比較均勻；</p><p>　　(4)不存在多余的變撓點m撓點指撓率為零的點，通常與撓率變號點相關(guān))，即不允許出現(xiàn)下述情況：1)曲線應出現(xiàn)N個變撓點，而擬合時卻出現(xiàn)多于N個變撓點；2)不應該出現(xiàn)變撓點的地方出現(xiàn)了變撓點； </p><p>　　(5)撓率變化比較均勻：1)撓率不連續(xù)櫛點處左、右撓率差)躍度和足夠小。

42、2)撓率的變化比較均勻，無連續(xù)變號。</p><p>　　1.2.5曲面光順性準則</p><p>　　曲面的光順性在逆向工程中起著評判重構(gòu)設計的結(jié)果是否合格的標準，但是，對于光順性準則沒有準確的規(guī)定，規(guī)則只是相對與產(chǎn)物是否滿足該產(chǎn)品所需要的工作條件或者說是符合重構(gòu)完成后的主觀條件是否合格。</p><p>　　曲面光順性準則的大致內(nèi)容可以分為以下幾點：</p

43、><p>　?。?） 曲面的各個參數(shù)線是否達到光滑。</p><p>　?。?） 曲面的三角形網(wǎng)格線不應存在多余的拐點和變撓點；</p><p>　?。?）曲面的高斯曲率變化是否均勻；</p><p>　?。?）所構(gòu)曲面與某一組等間隔并且與之平行的相交截面的線條是否光順。</p><p>　　雖然曲面的光順性評價非量化指標

44、，但是目前已有許多種檢查重構(gòu)曲面光順性的方法，在此可以大致分為三類：</p><p>　　（1）基于曲率的方法：眼下，成熟的商業(yè)化逆向工程軟件都具有完整的曲面光順性分析功能，同時一款軟件會包含集中乃至更多的分析方法。常用的如截面曲率、切矢、法向矢量等。當軟件對曲面光順性進行分析師，大多采用的是對曲面進行光照渲染，通過不同的著色來反應曲面的光順程度，從而對曲面的質(zhì)量進行評估。其中大致可以包含以下幾種方式：繪制曲率云

45、圖來反映曲率變化過程，對曲率線等進行分析制作以及曲曲面聚合處分析圖。</p><p>　?。?）基于光照模型的方法：在如今的機器零件制造業(yè)，對其產(chǎn)品的外部輪廓甚至于細微局部的光順性有很嚴格的要求，但是由于某些限制，比如計算機屏幕分率等一些客觀原因?qū)е潞茈y對其光順性有著正確的判斷。而且對于一些例如汽車，飛機，輪船等產(chǎn)品的大型覆蓋零件，不僅尺寸巨大而且要求也很高，因此導致使用曲率云圖等曲率方法已經(jīng)很難符合曲面光順性的

46、要求。因此，對所制作出的幾何體進行光照模擬，然后對渲染的光照著色進行分析對比從而得出其光順性評估。這個中方保大致包含含了這幾種方式：反射線法，高光線法，等照度線法以及真實感圖形法。</p><p>　?。?）等高線法：曲面S1與一組與之平行的平面S2的交線稱為曲面S1的等高線。通常是S2是平行于坐標平面的等距平面。我們可以通過分析S1的等高線疏密程度變化是否均勻或者等高線是否光順來判斷S1是否光順。</p&

47、gt;<p><b>　　1.3實體造型</b></p><p>　　實體造型技術(shù)是在計算機領(lǐng)域中通過其各種功能建立三維實體模型的核心技術(shù)。實體造型技術(shù)是指描述幾何模型的形狀和屬性的信息并存于計算機內(nèi)，由計算機生成具有真實感的可視的三維圖形的技術(shù)。從形體的構(gòu)成中，我們知道，實體是由空間封閉面組成的，面是由封閉的環(huán)組成的，環(huán)是由一組相鄰的邊組成的，邊又是由兩點確定的。所以，點是最

48、基本的信息(拓撲信息)。幾何模型的所有拓撲信息構(gòu)成了拓撲結(jié)構(gòu)，它反映了模型幾何信息之間的連接關(guān)系。</p><p>　　由點云數(shù)據(jù)擬合得到的曲面是一種表面模型，表面厚度為0，缺少面邊相鄰的實體拓撲信息，需要進行實體建模。實體建模是指在選定的CAD/CAM軟件中將數(shù)據(jù)擬合得到的曲線、曲面轉(zhuǎn)化為實體。</p><p>　　對于由多個曲面表示的零件（殼體），只需要進一步確定零件表面的面、邊、頂點

49、信息，就可以構(gòu)成實體模型。在CAD/CAM系統(tǒng)中只要曲面間的間隙不超過規(guī)定的誤差范圍，就可以用包封實體的方法生成相應的實體；也將曲面沿一定的方向延伸一定的距離來生成實體。</p><p>　　本次設計采用先在逆向軟件Imageware中構(gòu)建出面之后導入UG NX8.0中生成實體，并在UG NX8.0軟件中進行有限元網(wǎng)格劃分的先后順序。</p><p>　　2 發(fā)動機氣道曲面及三維模型的重

50、構(gòu)</p><p><b>　　2.1 軟件簡介</b></p><p>　　2.1.1 Imageware簡介</p><p>　　Imageware 由美國 EDS 公司出品，后被德國Siemens PLM Software所收購，現(xiàn)在并入旗下的NX產(chǎn)品線，是最著名的逆向工程軟件，Imageware因其強大的點云處理能力、曲面編

51、輯能力和A級曲面的構(gòu)建能力而被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領(lǐng)域。</p><p>　　2.1.2 UG NX8 簡介</p><p>　　UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產(chǎn)品設

52、計和工藝設計的需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案。其曲面建模完全集成在實體建模之中，采用了Nurbs、B樣條、Bezier等數(shù)學算法，支持雕塑曲面、掃描曲面、直紋面、列表柱面、等半徑和不等半徑倒圓曲面等多種曲面類型，提供了較完備的曲面編輯修改工具。UG軟件實現(xiàn)了面與體的完美集成，可將無厚度殼體縫合成實體。</p><p>　　2.2 CB150摩托車發(fā)動機氣道片體的重構(gòu)</p><p>

53、　　利用Imageware13.2軟件對已有點云CB150.imw進行處理并進行A級曲面構(gòu)造，要求所構(gòu)造的發(fā)動機進排氣氣道的三維曲面模型，與原實物樣件的幾何誤差控制在1mm程度，三維曲面各子曲面塊的連接一般要求有幾何一階連續(xù)，且不應存在面積過小的子曲面面塊。</p><p>　　為了獲得氣道片體，則需要將氣道模型點云數(shù)據(jù)導入到Imageware軟件中進行操作。</p><p>　　圖2-1

54、. 氣道原始點云數(shù)據(jù)</p><p>　　由于導入的點云數(shù)據(jù)為三角網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。在此，我先將點云去除三角網(wǎng)格化并剔除噪音點云，然后切到F3視角進行B-Spline曲線的繪制和調(diào)整。其中，繪制樣條曲線是為了對點云進行切片處理。</p><p>　　圖2-2. 圈選點云去除噪音點</p><p>　　點云的降噪處理需要分為兩步，先用圈選命令去除大量的點再用點刪除命令去掉散

55、亂的單個點。</p><p>　　圖2-3. 點云處理后的點云文件</p><p>　　圖2-4. 曲線定位截面截取點云</p><p>　　對于處理得到后的點云數(shù)據(jù)，進行觀察后發(fā)現(xiàn)需要利用曲線方法進行曲線定位截面截取所需要的點云數(shù)據(jù)，因此創(chuàng)建圖2-4所示的紅色曲線，再進行曲線定位截取截面點云。</p><p>　　圖2-5. 繪制B樣條曲線

56、并由繪制的曲線截面定位點云得到點云切片</p><p>　　從上面的點云數(shù)據(jù)可以看出所得到的截面并不理想，因為截面曲線中有些我們并不需要，還有就是有些位置需要密集的截面采集，我需要利用點云圈選工具對紅色的點云進行優(yōu)化處理，然后利用點云互動方式進行交互式（如圖2-6所示）的點云切片操作。</p><p>　　經(jīng)過上面的處理得到理想的截面點云數(shù)據(jù)之后，此時，我們需要將得到的截面點云數(shù)據(jù)擬合成封

57、閉曲線（此處給予所要生成的曲線20個跨度）并利用曲</p><p>　　圖2-6. 交互式點云提取</p><p>　　率梳狀圖分析所擬合出的曲線的誤差（由圖看出最大誤差為0.08mm<1mm，滿足題目的要求）由于通過這樣操作得到的曲線并不滿足光順性要求，我們還需要交所擬合出的曲線進行光順處理（如圖2-8所示）。</p><p>　　圖2-7. 曲率梳狀圖&l

58、t;/p><p>　　有時候通過擬合得到的曲線不能直接擬合生成曲面，因為它們的曲線方向不一致，如果強行生成曲面則會出現(xiàn)一定程度上和扭曲，往往得不到理想的結(jié)果，此時就需要將曲線的方向和起點協(xié)調(diào)為一致（曲線方向改為一致的前后的效果如圖2-7和圖2-8所示）。Imageware軟件為此提供了強大的功能，在此，我們先改變曲線方向為一致，然后再改變曲線的起始點位置。</p><p>　　圖2-8.光順處

59、理得到的曲線曲率圖</p><p>　　圖2-9. 方向和起始點位置協(xié)調(diào)為一致的曲線</p><p>　　經(jīng)過上面的處理完成后，現(xiàn)在可以進行Loft曲面了。由于這里做的是曲面片，所以，Loft曲面時不會對曲面進行封閉。對于構(gòu)造出的曲面往往不能滿足設計者的意圖，所以我們需要對曲面進行適當?shù)男薷?。其中，曲面的修改主要?lt;/p><p>　　圖2-10. Loft命令生成

60、的部分曲面</p><p>　　曲面的延伸、橋接、修剪。橋接過程中要保證曲面為幾何一階連續(xù)。</p><p>　　圖2-11. 氣門位置處曲面修改前后對照（左下為修改前，右下為修改后）</p><p>　　截取燃燒室的頂部點云數(shù)據(jù)，通過點云逼近方法測量出點云最接近的形狀，從測量結(jié)果可知，燃燒室頂部為半球形。為此，我選擇簡易平面擬合中的球形（從圖2-12中可以看到，采

61、用四點球形擬合出的球與頂部點云的最大誤差為0.9，滿足要求），然后再截取球形邊緣的四塊平面點云，通過擬合成平面再延伸，然后利用平面再對擬合得到的球形進行修改。</p><p>　　圖2-12. 燃燒室擬合構(gòu)建</p><p>　　圖2-13. 球形燃燒室修剪圖</p><p>　　通過交叉曲面進行修剪的過程為圖2-13中的左圖到右圖的修剪過程。然而從右圖中我們還可以

62、看到燃燒室里面還有延伸的氣道曲面未修剪完成，所以這里我們繼續(xù)利用交叉曲線進行雙面修剪得到圖2-14，最后對曲面各個邊界進行倒角和封閉，得到完整的片體如圖2-15所示。</p><p>　　圖2-14. 內(nèi)部曲面修剪圖</p><p>　　圖2-15. 所構(gòu)建出的完整的片體模型</p><p>　　通過反求得到的氣道曲面殼體模型中大部分為復雜的自由曲面，且是非參數(shù)化的

63、，故需要對曲面采取定性分析。在此我選用反射光分析方法（反射光分析方法的主要原則為：只要曲面反射光線沒有明顯的成片現(xiàn)象，就認為是滿足光滑要求（曲面片的連接要求幾何一階連續(xù)）；如果反射光線不成片集中，則意味著曲面連接的非常好）。通過觀察，氣道滿足光滑要求。最后我們將文件導出存為CB150OK.imw</p><p>　　圖2-16. 曲面光照分析圖</p><p>　　2.3 CB150摩托車

64、發(fā)動機氣道實體的構(gòu)建</p><p>　　UG軟件對曲面的縫合能力較強，它可以利用封閉的曲面片直接將曲面片縫成實體。</p><p>　　將CB150OK.IMW轉(zhuǎn)化為CB150OK.IGS，打開UG NX8.0軟件，新建模型并導入CB150OK.IGS文件，新建一截面，從新建截面可以看出，這并不是實體，因此，我們需要用UG中的縫合（Sew）功</p><p>　　

65、圖2-14. UG軟件中片體的截面</p><p>　　圖2-15. UG軟件中實體的截面</p><p>　　能將進氣道端面、進氣道曲面、燃燒室頂面、進氣閥外輪廓面、氣缸頂面、氣缸壁曲面、底面縫合封閉成為實體模型。為進行有限元網(wǎng)格的劃分做鋪墊。</p><p>　　圖2-16. 氣道實體模型</p><p>　　將UG軟件切換到裝配界面，將

66、氣道定位為WCS的中點，創(chuàng)建輔助截面將氣門和燃燒室按約束導入UG中將4個部件組裝成一個整體，以便于做CFD網(wǎng)格的劃分工作。</p><p>　　裝配過程中，氣門閥一定要裝配到位，進氣門間隙控制在0.2～0.25mm，排氣門間隙控制在0.29～0.35mm。</p><p>　　圖2-17. 包含氣缸壁、進氣閥的氣道實體模型</p><p>　　3 CFD系統(tǒng)網(wǎng)格劃

67、分</p><p>　　氣道CFD的任務是：計算氣道內(nèi)的三維流動、分析流動特性，提供給缸內(nèi)研究。通過對氣道內(nèi)氣體流動的模擬計算，不僅可以獲得氣道－氣閥－氣缸之間的相對位置對流動宏觀特性的影響，而且可以獲得氣道內(nèi)壓力、流速、湍動能等參數(shù)的分布規(guī)律，并建立氣道形狀與其流動特性的關(guān)系，為設計和改進提供依據(jù)。氣道三維流動分析的目標是首先要保證氣道曲面光順，使氣流沿程流動阻力最小，獲得高的充氣系數(shù)，同時必須能形成合適的渦流

68、比。</p><p>　　對CFD網(wǎng)格的劃分我選在UG NX8.0中進行，首先在裝配完成圖中將UG界面切換到高級仿真界面，在仿真導航中選中實體建立FEM和仿真，建立理想模型設置實體網(wǎng)格為2mm，由于自動網(wǎng)格劃分對于此類實體而言更為精準，所以這里我選擇自動網(wǎng)格劃分。最終得到97588個單元格，20591個節(jié)點。</p><p>　　圖3-1. 網(wǎng)格劃分后的模型圖以及網(wǎng)格匯總</p>

69、;<p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　本文提出了對進排氣道的復雜曲面特征進行重構(gòu)設計的方法。首先，通過激光掃描設備對進排氣管道進行數(shù)據(jù)獲取，然后對獲得的點云數(shù)據(jù)進行處理加工，包括插補等一系列方法使其滿足而后所要進行的工作；進一步按塊進行基于曲面幾何特征的曲面構(gòu)造，再將各塊曲面模型編輯處理后進行拼接，形成一個整體曲面，其對曲面的光順對重構(gòu)曲面模型的質(zhì)量有很

70、大影響。</p><p>　　目前，世界范圍內(nèi)的企業(yè)對逆向工程的研究還在發(fā)展，但是由于該項技術(shù)發(fā)展時間的原因，發(fā)展程度不完善，因此各類逆向工程加工軟件都會有瑕疵，不能達到理想的要求。</p><p>　　本次設計用Imageware和Siemens/UG軟件進行了CB150摩托車發(fā)動機進排氣氣道（含燃燒室、氣閥外輪廓部分）三維模型的重構(gòu)，重構(gòu)的模型可滿足有限元分析的要求。重構(gòu)過程中得出如下

71、結(jié)論：</p><p>　　1、對氣道用激光無接觸三維掃描儀進行測量前，須首先用復模技術(shù)造出氣道陽模，才能進行下一步測量。</p><p>　　2、對于氣道這種幾何曲面較為復雜的弓箭，一次測量不足以得到需要的所有數(shù)據(jù)，因此要進行多次采集，并且通過插補等方法加工數(shù)據(jù)。</p><p>　　3、在對點云處理時，一定要將關(guān)鍵位置的噪音點去除，否則對后面的曲線曲面重構(gòu)會有很

72、大影響。</p><p>　　4、進行曲面重構(gòu)前對零件曲面的劃分的好壞將直接影響到曲面重構(gòu)的難易繁簡。如排氣道曲面片劃分的過多，有些小面重構(gòu)時難以進行合理的約束。</p><p>　　5、曲面的重構(gòu)過程中，為了提高精度，應盡可能多地抽取結(jié)構(gòu)線。</p><p>　　6、交互式點云截面的截取對于整個過程很有必要。</p><p>　　7、點云軟

73、件的定位不夠自由（不能按照自己的意愿進行自創(chuàng)平面的定位），有待進一步進行優(yōu)化設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1].黃俊明主編．UnigraphicsII模型設計[M].中國鐵道出版社.2002.</p><p>　　[2] Unigraphics Solutions Inc.著．李開林，何芳譯．UG工

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