大连理：Ｉ』大学专业学何硕士学位论文摘．要发动机曲柄连杆机构是发动机中最重要的部件之一，它承受复杂、交变的冲击载荷，是发动机设计的重点和难点。传统设计、分析方法的简化难以满足实际的需要，而逆行工程造型软件的发展使得精确地分析曲柄连杆机构动力学响应问题成为可能。本文探讨用虚拟样机技术，通过多体动力学仿真手段对发动机曲柄连杆机构动力学性能进行了研究。作为一个新思路、新方法，应用逆向工程造型软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ和多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ，构造了一个发动机曲柄连杆机构系的虚拟样机模型。基于这个虚拟样机模型，选用ＡＤＡＭＳ软件对曲柄连杆机构进行了运动学、动力学分析，得到了曲柄连杆机构各构件在任意时刻、任意位置的运动规律（位移，速度，加速度等）和构件间的作用力。在几何建模的过程中，简化能够减少计算量，但却不会影响求解精度的细小特征。采用ＵＧ格式作为Ｉｍａｇｅｗａｒｅ和ＡＤＡＭＳ软件信息传递标准。并给出了动态仿真过程，在整个工作行程中的响应。从而得以进行发动机曲柄连杆机构优化设计。研究结果表明，利用虚拟样机技术，结合逆向工程造型软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ进行三维造型手段，可以完成发动机曲柄连杆机构的动力学响应分析工作，获得了很好的仿真结果，同时对于发动机曲柄连杆机构的改进设计，提高发动机设计水平及提高发动机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化手段。关键词：曲柄连杆机构；多体动力学；逆向工程发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真３－ＤＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｒａｎｋＬｉｎｋａｇｅｉｎｔｈｅＥｎｇｉｎｅＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅｉｓｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｅｎｇｉｎｅ．ＩｔｅｎｄｕｒｅｓｖａｒｉｏｕｓｉｍｐａｃｔｌｏａｄｓａｎｄｉｔｉｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔａｎｄａｒｅｓｏＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｍｅｔｈｏｄｓｓｉｍｐｌｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｄｅｓｉｇｎ．ｔｈａｔｔｈｅｙＣａｎｎｏｔｂｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｍａｎｄｓ，ｂｕｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｋｅｐｏｓｓｉｂｌｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｃｒａｎｋＡｎｅｗｗａｙｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｌｉｎｋａｇｅＣａｎｂｅａｎａｌｙｚｅｄｐｒｅｃｉｓｅｌｙ．ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏａｂｏｕｔｕｓｉｎｇｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｍｕｌｔｉ·ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｎｇｉｎｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｙｎａｍｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｖｅｒｓｅｏｆａｔａｎｋｅｎｇｉｎｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＩｍａｇｅｗａｒｅａｎｄｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｅｎｇｉｎｅｃｒａｎｋｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳｌｉｎｋａｇｅｃａｎｏｆｔｈｅＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌ．Ｉｎｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌ，ｐｒｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎａｆｆｅｃｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｍａｌｌｆｅａｔｕｒｅｓ．ＵＧｉｓｕｓｅｄａｓｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｎｏｔｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆＩｍａｇｅｗａｒｅａｎｄｍｅｓｓａｇｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳ．ＴｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＡＤＡＭＳｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｃｒａｎｋｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｎｋａｇｅｆｏｒｔｈｅｍｏｄａｌａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ．Ｂａｓｅｄｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｄｅｌ，ｓｏｆｔｗａｒｅＡＤＡＭＳｉｓｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｔａｎｙｄｙｎａｍｉｃｓｔｉｍｅ，ａｎｙｗｈｅｒｅｌｏａｄｔｈｅｃｒａｎｋｉｎｏｎｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｔｈｅ（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．）ａｎｄｅｎｇｉｎｅｗａｓｗｏｒｋｉｎｇｉｎｔｈｅｔｈｅｃｏｕｒｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｏｎｉｎｔｅｒ．ｆｏｒｃｅ，ａｎｄｌｉｎｋａｇｅ，ａｎｄｏｆｔｈｅｒｏｌｅｏｆｄｙｎａｍｉｃｇｉｖｅｎｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｎｔｈｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｔｒｉｐｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｄｇｅｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ．ｒｅｖｅｒｓｅＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｕｓｉｎｇｔｈｅＩｍａｇｅｗａｒｅ，ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅａｓｃａｎｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｒｅｓｕｌｔｓａｌ＇ｅｂｅｄｏｎｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｉＳａｌｌｓａｔｉｓｆｉｅｄ．Ｉｔｈａｓｇｒｅａｔｍｅａｎｉｎｇｓ，ｓｕｃｈａｍｅｎｄｉｎｇｔｈｅｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｌｅｖｅｌ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｅｎｇｉｎｅ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ，ｉｔｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｍｅｔｈｏｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ；Ｍｕｌｔｉ·ｂｏｄｙＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓ；ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ—ＩＩ—大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：作者签名：发边扭些栖董拄扭抱三维建搓生性鱼＆笾真巫囡塞日期：！ＱＱ！年旦月鱼日大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：发边扭些捆连盘扭植三维建搓生性能笾裹日期：作者签名：壅翅墓导师签名：丞垄羞日期：竺生年—Ｌ月—生日！ＱＱ§年』二月！！日大连理ＪＴ大学专业学位硕士学位论文１绪论课题研究的目的和意义问题的提出１．１１．１．１发动机曲柄连杆机构在运动过程中会产生往复惯性力和离心惯性力。这些力对机座产生的周期性作用力和力矩将传给基础或动力装置，并引起振动。使发动机的零件磨损增加、寿命降低、噪声升高。因此，曲柄连杆机构的惯性力必须平衡。但是，目前的惯性力平衡通常采用设计修改、样机反复试验的方法。消耗大量的人力和物力。在产品研制周期中，包括样机概念设计、设计细化、设计验证、试验规划和工作状态重演几个过程阶段。ＡＤＡＭＳ软件是美国ＭＤＩ公司开发的虚拟样机软件，具有强大的大位移和非线性分析求解功能。运用其对机械系统进行运动学或动力学分析，可以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度。以及引起系统及其各构件运动所需的作用力和反作用力。是实现虚拟样机技术的一个强有力开发工具。以往的曲柄连杆机构的动力学分析都是建立在静力学等效原则的基础上，进行理论计算。由于曲柄连杆机构的受力分析非常复杂，通常在计算的过程中对机构进行了简化，尤其是将连杆质量简化为集中在连杆大头和连杆小头中心的集中质量。而这种简化究竟有没有误差？这种误差有多大？对机构有没有影响？通过对机构建立三维实体模型，并运用多刚体动力学分析软件进行分析，可以从中找到答案。１．１．２研究目的和意义本文以桑塔纳轿车中曲柄连杆机构为例，通过三坐标激光测量机，获得曲柄连杆机构的三维点云数据，利用三维点云数据在Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件中的三维重建建模，并对Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件与ＡＤＡＭＳ软件接口文件进行选择。以机械系统自动动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉＳｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）为平台，对曲柄连杆机构进行动力学分析的计算机模拟研究，以便提高工作效率，更好地研究机构在工作过程中的运动规律、机构运动过程中的惯性力对机体产生的干扰力以及惯性力的平衡问题。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，由连杆用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动【１－３１。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。发动机工作时，发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。故其意义：（１）传统的机械设计一次成功率很低，其主要原因之一就是设计方案的优劣基本上要等到产品样机试制完成并经考核后才能确认，如果这时发现设计方案不符合要求，就必须改动设计重新试制，会造成很大的浪费和拖延产品开发时间。通过应用机构运动学、动力学模拟以及产品的性能模拟就有可能从根本上改变这一状况，从而提高设计效率、缩短产品开发周期、提高市场竞争力。（２）在模拟的过程中可以观察机构的运动规律、分析机构的惯性力平衡问题等，并借鉴国内现有的该领域分析方法的计算结果与本文的模拟结果相比较，验证该分析方法的先进性。（３）在产品设计阶段，利用参数改变来实现工作机构性能改善，使机构惯性力平衡达到最优化，从而提高效率、降低成本。１．２国内外研究现状１．２．１机构动力学分析方法的研究现状目前，国内外对发动机工作机构的动力学分析方法很多，而且已经较完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度和加速度随时间变化的关系。动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括对气体力、惯性力、轴承力和曲轴扭矩等的分析。传统的发动机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法、解析法和复数向量法。（１）图解法形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺点是精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂ｌＺＪ。（２）解析法解析法是对逐个构件列出平衡方程，通过各个构件间的联系立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。（３）复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式对时间求导后，可以得到机构的运动性能。该法是工作机构运动分析的较好方法Ｉｒ２Ｊ。大连理工大学专业学位硕士学位论文通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解发动机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了力学性能分析和产品设计的现代理论和方法。１．２．２现代设计理论和方法在发动机开发中的应用近年来随着市场竞争的加剧，产品的开发周期不断缩短以增强市场竞争力。但同时，为了提高质量、降低成本，需做大量实验、分析和数据处理，需要增加设计工作量。解决这对矛盾的办法便是采用先进技术和工具，将重点放在先期设计阶段，大量应用现代设计理论和方法【５Ｊ。现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义来说是为设计而建立的各种数学模型及求解这些模型的技术１６Ｊ。它在发动机产品设计中应用的范围十分广泛，主要有优化设计、有限元分析、计算机辅助设计、多刚体动力学分析、计算机辅助工程热力学分析等。（１）优化设计应用优化设计技术的目的在于改善发动机产品的性能，减轻零件质量、降低应力、延长寿命、提高可靠性、降低成本。通过目标函数和约束条件对这些要求做数学描述，最后化为约束条件限定的可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷【７】。通常采用较多的是有约束非线性规划法，国内已有不少单位对发动机零件，如气门弹簧、活塞、连杆、曲轴等进行优化设计或从多方案中选优埔Ｊ。擘。（２）有限元分析有限元素法是利用变分原理将力学、热力学中的微分方程边值问题归结于泛函求极值问题，并利用计算机求解。从７０年代起我国就在发动机产品设计中应用有限元技术，应用Ｓｙｓｔｕｓ、ＡＤＩＮＡ等大型有限元程序系统计算与分析连杆、曲轴及增压器叶轮等发动机零部件的静、动态应力和应变一一结构强度与刚度问题，其成果己在中小型发动机产品设计上推广应用。（３）计算机辅助设计（ＣＡＤ）计算机辅助设计（ＣＡＤ）是从６０年代发展起来的现代设计方法的重要分支，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起工程设计领域的深刻变革。同时它又综合性的应用了现代设计理论和方法，并将其有机地集成在ＣＡＤ系统中。１９９３年由上海内燃机研究所负责、１２所高校和研究所参加，开发成功中小功率内燃机辅助设计系（ＩＣＥＣＡＤ）。该系统汇集了当前许多内燃机设计的新成果，采用该系统对内燃机产品（从零部件到整机）既可进行改进设计，又可进行全新设计，它是我国内燃机行业第一个完整的ＣＡＤ系统【９Ｊ。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真（４）多刚体动力学模拟（ＭＢＳ）多刚体动力学模拟（ＭｕｌｔｉｂｏｄｉｅｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）是近十年发展起来的机械计算机模拟技术。ＭＢＳ提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验【ｌ０１。日前的ＭＢＳ软件主要有Ｐｒｏ／Ｍａｃｈａｎｉｃａ、Ｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｌ３Ｄ、ＡＤＡＭＳ等Ｉｌｌ，１２１。ＭＢＳ软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对发动机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。目前国内大学和企业已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现发动机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据ＩＩ引。ｌ。２．３国内外对发动机机构平衡的研究现状为解决发动机的平衡和振动问题，设计人员对机构进行了不断的改进和创新，如目前存在的双曲轴机构、无连杆机构、两角转子机构、无曲轴机构等【Ｉ４１。单缸双曲轴内燃机是９０年代初期由洛阳工学院的钱程等人设计的，其结构要点是双连杆与双曲轴要相对于活塞轴线对称布置【１５１。采用双曲轴机构的优点是：发动机无需复杂的平衡机构即可消除活塞对气缸套的侧向力产生的摩擦损失与磨损，克服往复惯性力引起的振动与噪声，实现节能、节材、低振动的目的。早在３０年代，前苏联对无连杆发动机就有比较全面的论述与专著，并在蒸汽机和航空发动机上使用过。我国无连杆发动机的研究始于５０年代，吉林工业大学将无连杆机构用于小型压缩机取得成功。山东、湖南等省有关专家先后试制过齿轮滑块式小型单缸无连杆汽油机及压缩机。安徽工学院于８０年代末期研制的偏心轮滑块式无连杆内燃机具有结构简单紧凑、零部件少、运转平稳等优点【ｌ４１。两角转子机构是在三角转子的基础上发展起来的，它取消了曲柄连杆机构，也不用三角转子内燃机中的行星齿轮机构，所以结构更紧凑、重量体积更小、零部件更少，特别适用于轻型内燃机及一些特殊场合，有很高的应用价值。试验设计（ＤＯＥ）提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实大连理Ｌ＝大学专业学位硕士学位论文验，充分利用己有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。１．３本文主要研究内容和技术路线本课题主要运用理论分析、实验研究和计算机模拟相结合的方法，对桑塔纳发动机曲柄连杆机构进行瞬态动力学分析仿真，其主要研究内容为：通过三坐标激光测量机，获得曲柄连杆机构的三维点云数据，利用三维点云数据在Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件中的三维重建建模，并对Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件与ＡＤＡＭＳ软件接口文件进行开发，建立曲柄连杼机构在ＡＤＡＭＳ中的运动学动力学仿真分析及优化设计。其主要技术路线如下：（１）搭建简化的曲柄连杆系系统运动学模型和动力学模型。如活塞的位移、速度和加速度模型，体现理论指导仿真的重要地位。（２）应用三坐标激光测量机，获得曲柄连杆机构的三维点云数据，利用三维点云数据在Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件中重建三维模型。（３）借助第三方软件ＵＧ实现Ｉｍａｇｅｗａｒｅ与ＡＤＡＭＳ的数据传输，把三维重建的曲柄连杆机构导入到ＡＤＡＭＳ软件中。（４）采用三维重建的曲柄连杆机构，用ＡＤＡＭＳ软件进行了运动学、动力学分析，给出各构件在任意时刻、任意位置的运动规律（位移，速度，加速度等）和构件间的作用力，得到了发动机工作过程中作用在曲轴上的动态载荷，并给出了动态仿真过程。对仿真结果进行分析，提出优化措施，体现仿真是验证理论的重要技术手段。发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真２发动机曲柄连杆机构动力学本章运用力学的基本理论进行单缸发动机曲柄连杆机构的运动学、动力学分析，为课题的研究奠定理论基础。２．１曲柄连杆机构运动学分析单缸发动机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的旋转中心，结构简图如图２．１所示：Ｉ一∞｝／，图２．１Ｆｉｇ．２．１曲柄连杆机构结构简图Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ图中：ｌ一一连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离；ｒ一一曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离；Ｑ一一曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度：Ｂ一一连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度；∞一一曲轴旋转角速度；Ｘ一一活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点分别指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置Ｉｌ６。。活塞在气体压力的作用下作往复运动，对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析时，通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转运动，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角Ｑ的函数。活塞位移Ｘ一６一大连理工大学专业学位硕七学位论文Ｘ＝（，．＋，）一（ｒｃｏｓａ＋ｌｃｏｓｆｌ）式中：（２．１）∥＝ａｒｃｓｉｎ（２．ｓｉｎｃｚ）活塞速度ｖ其中入为连杆比ｒ／１。～…ｓｉｎ（ａ＋∥）１，＝，缈——————ｏＣＯＳ（２．２）０活塞加速度ａａ－－ｔｏ）２Ｉ！竺．堕塑＋Ａ—ｃｏｓ２ｏ！Ｉｃｏｓ∥（２．３）ＣＯＳ’∥Ｉ式中ＣＯＳＢ可按牛顿二项式定理展开成如下级数：ｃｏｓ∥：１一！五２ｓｉｎ２ａ＿！见４ｓｉｎ４口一土力６在实际计算中，为简便起见．一般只取前两项：ｓｉｎ６口一…（２．４）ｃ。ｓ夕≈ｌ一三２力２ａ２ｓｉｎ２口（２．５）（２．６）称为活塞的一级加速度；称为活塞的二级加速度。ｑ＋ａｌｌ式中：ａＩ２ｒ国２ＣＯＳＯｆ口ｌｌ２２ｒｃ０２ＣＯＳ２口连杆的角速度∞。叩彩见嵩０／Ｊ钏力（１一见２ｓｉｎ２口户ＣＳ（２．７）连杆的角加速度ｅ。毛５一国２五（１＿２．２、ｋｓｖｉｎ》ｇ万２一缈２；｝兰！：ｉ专三％２．２曲柄连杆机构动力学分析的强度、刚度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据【１４】。ｃ２·８，曲柄连杆机构的动力学分析是发动机结构设计的基础，它是分析曲柄连杆机构中力的作用情况，并从中找出影响发动机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度和动力不平衡的根本原因，从而确定改善发动机动力性能的措施。动力学分析还为发动机主要零件发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真运转着的发动机，其曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或旋转运动质量的自重和惯性力、外部负荷对发动机的反作用力、运动副间的摩擦阻力等。在动力学分析中，一般将各运动部件的自重和运动副之间的摩擦阻力忽略不计，主要分析气体压力和惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。本章研究的重点是曲柄连杆机构不平衡惯性力对机体的影响，因此只考虑惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。曲柄连杆机构的惯性力有：活塞组作往复运动产生的惯性力、曲轴的不平衡质量作旋转运动产生的惯性力和连杆组作复合平面运动产生的惯性力。活塞组件往复惯性力Ｐ７的方向沿气缸中心线且与活塞加速度方向相反。Ｐ’＝一ｍ’口（２．９）式中：ｉｎ’一一活塞组的质量。连杆的运动为随活塞平移的牵连运动和绕活塞销转动的相对运动的复合，这两种运动都是变速运动，因此连杆的惯性力有四种（如图２．２示）。图２．２连杆惯性力Ｆｉｇ．２．２Ｌｉｎｋ·ｐｏｌｅｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅ（１）连杆组随活塞作往复运动而产生的往复惯性力ＰⅢ其方向平行于气缸中心线，且与活塞加速度方向相反。￡ｌ＝－ｍ。ａ式中：ｍ。一一连杆组的质量。（２．１０）（２）连杆组绕活塞销中心转动的向心加速度而产生的离心惯性力Ｐ。：，它通过连杆组质心Ｃ且总顺着由连杆小头中一１３，Ａ至ｆＪ质心Ｃ的离心方向。Ｐｃ２＝－ｍｃｌａＯ）１２＝＿ｍｃｌ。ｌ２Ｃ０２彘一８一（２·１１）式中：ｌ。一一连杆小头中心到连杆质心的距离。大连理工大学专业学位硕士学位论文（３）连杆组绕活塞销中心转动的切相加速度产生的惯性力Ｐｃ。，它作用于连杆质心且垂直于连杆轴线。耻一豫乞毛：华坐型警（２．１２）ｆ１一无２ｓｉｎ２口１力（４）连杆变速旋转的角加速度产生的惯性力矩Ｍ。兄ｆ１一见２１ｓｉｎ口蛉‘铲ｔ高蒜了（２．１３）式中：Ｉ。一一连杆组绕其质心的转动惯量。曲轴离心惯性力Ｐ。的方向始终沿着曲柄半径而背离旋转中心。乞＝一，，ｚｇ％缈２（２．１４）式中：ｍ。一一曲轴的质量；ｒ。一一曲轴的质心到曲轴旋转中心的距离。２．３简化后的机构受力分析由以上分析可以看出，曲柄连杆机构的惯性力分析，特别是连杆惯性力的计算非常繁琐，在以往的理论设计和计算中往往加以简化，即用几个适当配置的集中质量来代替分布的质量，曲柄连杆机构复杂的惯性力系简化为曲轴的离心惯性力和活塞的往复惯性力。２．３．１机构运动件的质量换算曲柄连杆机构的所有运动零件按运动性质可分为三组：（１）活塞组活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其附属零件，其沿气缸轴线作往复直线运动，每点的运动状态一样，认为其质量集中在活塞销中心，并以ｍ７表示：聊’＝∑％（２．１５）（２）连杆组连杆组由连杆及附件（连杆轴瓦、连杆螺栓等）组成，它作复合平面运动。连杆组质量换算的原则是保持系统的动力学等效性‘２１，实际计算中为了简化起见，通常用静力等效原则将连杆组件的质量换算为连杆大头和连杆小头质量。／／Ｉｃ＝铂＋聊２（２．１６）％乞＝搠２‘（２．１７）联立解得：发动机曲柄迮杆机构二维建模与性能仿真％：华ｆ（２．１８）（２．１９）ｍ２：盟，式中：ｍ。一一连杆小头的换算质量；ｍ：一一连杆大头的换算质量；ｌ。一一连杆大头中心到连杆质心的距离。（３）曲轴曲轴包括曲柄销、曲柄臂、主轴颈等，其绕曲轴轴线作旋转运动。一般将曲轴质量换算到曲柄销的质心上，换算原则是离心惯性力相等，即换算质量的离心惯性力与实际不平衡质量的离一ｔｌ，惯性力应该相等。曲柄销的换算质量ｍ’。即为曲柄销的实际质量ｍ。：ｍ：＝％曲柄臂的换算质量ｍ７。：（２．２０）式中：ｍ。一个曲柄臂的实际质量；ｍ耐＝ｍｂｐ／ｒ（２．２１）７。一一换算到曲柄销中心的一个曲柄臂质量；ｐ一一曲柄臂的中心与曲轴旋转中心的距离。主轴颈的换算质量为零。因此，单曲柄的换算质量ｍ。为：ｍｔ＝ｍ。’＋２ｍ＾７＝ｍｏ＋２ｍ６ｐ／ｒ（２．２２）其中单个曲柄由两个曲柄臂组成。（４）曲柄连杆机构的当量质量经过以上换算，曲柄连杆机构简化为无质量的连杆和集中在活塞销中心和曲柄销中心的两个集中质量，连杆质量分为两部分，小头质量ｍ，集中在活塞中心，大头质量ｍ：集中在曲柄销中心。如图２．３所示：其中：往复运动质量肌，＝，ｎｏ＋％（２．２３）旋转运动质量ｍ．２ｍｋ＋ｍ２（２．２４）大连理：】＝大学专业学位硕士学位论文≮＿拶：图２．３Ｆｉｇ．２．３曲柄连杆机构的换算系统Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ２．３．２简化后机构受力分析把曲柄连杆机构运动件的质量简化为两个集中质量ｍ。和ｍ，后，机构的惯性力简化为两个力，往复惯性力和旋转惯性力。受力简图见图２．３。（１）往复惯性力ｌａ。往复惯性力Ｐ。的方向始终沿着气缸中心线，与活塞加速度ａ的方向相反，正向指向曲轴旋转中心。ｅ—ｍ，口根据活塞加速度ａ的级数表达式通常把Ｐ。分解成若干级的三角函数之和：（２·２５）￡＝ＰｊＩ＋乃ＪＩ＋岛ＩＩＩ…在实际计算中一般只取前两项：巴≈Ｐ，Ｉ＋ｐ，１Ｉ式中：一级往复惯性力（２·２６）（２．２７）弓ｌ－－－ｍ』ａＩ－－－ｍ』，．缈２ＣＯＳＯ！二级往复惯性力（２．２８）ｅＩＩ＝一肌，ｑｌ＝一ｍｊｒｃａ２ＣＯＳａ＇（２）旋转惯性力Ｐ，（离心惯性力）曲轴旋转中心。Ｐ＝一ｍ，／－ｃ０２（２．２９）旋转惯性力Ｐ，的方向始终沿着曲柄半径且背离（２．３０）发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真２．４曲柄连杆机构对机体的作用力就单缸机的曲柄连杆机构来说，如果不考虑气体压力的作用，它对发动机机体的作用力主要有：（１）活塞对机体（气缸壁）的侧推力Ｆ。：（２）曲轴对机体的作用力，可分解为沿Ｙ方向的作用力Ｆ。和沿Ｚ方向的作用力Ｆｚ，其受力简图如图２．４所示：图２．４Ｆｉｇ．２．４曲柄连杆机构对机架的作用力Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ其中，侧推力Ｆ。可认为垂直于气缸中心线并通过活塞质心，它也可以用一个通过Ｏ点的相等的平行力Ｆ’。和力矩Ｍ来代替，力矩Ｍ叫做“翻倒力矩＂。所以，单个曲柄连杆机构对机体的作用结果是使机体受到一个沿着气缸中心线方向的力Ｆ：，引起机体的纵向振动，称为纵向干扰力；一个垂直于气缸中心线的力Ｆ，，引起机体的横向振动，称为横向干扰力和一个翻倒力矩Ｍ。其中：ＦＹ＝Ｆｖ—ＦｏＦｚ＝Ｆｚ（２．３１）（２．３２）（２．３３）Ｍ＝ＦｏＬ式中：Ｌ一一Ｆ。的作用点到曲轴旋转中心的距离。（２．３４）俐＝厮大连理工大学专业学位硕十学位论文２．５发动机的平衡分析与平衡方法综上所述，发动机曲柄连杆机构的惯性力可以简化为离心惯性力和往复惯性力，针对不同的惯性力一般采取不同的平衡方法。２．５．１离心惯性力的平衡曲柄连杆机构的离心惯性力Ｐ，，通过在两个曲柄臂上分别敷设质量为ｍ。的平衡块加以平衡（见图２．５）。其完全平衡的条件是：１ｍｂ＝÷竹二上ｐ（２．３５）其中：Ｐ一一平衡块的质心至曲轴旋转中心线的距离。Ｔ骨图２，５离心惯性力的平衡方法Ｆｉｇ．２．５Ｔｈｅｂａｌａｎｃｅｍｅｔｈｏｄｏｆｏｆｆ－ｃｅｎｔｅｒｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅ２．５．２往复惯性力的平衡往复惯性力的平衡方法主要有：（１）转移法（过量平衡法）转移法也是采用在曲柄臂上附加平衡块的方法，使平衡块除了能完全平衡离心惯性力外，还能转移一部分一级往复惯性力到与气缸中心线相垂直的方向，从而达到减轻沿着气缸中心线方向振动的目的【ｌ４１。（２）平衡轴装置平衡轴装置是根据一个往复运动的矢量可以化成一对正、反转运动矢量的原理，把往复惯性力变成如同离心惯性力的力系，再用与之大小相等、方向相反的另一组离心惯性力来平衡的装置【ｇ】。利用平衡轴装置完全平衡一级往复惯性力的条件是：掰；ｄ＝互１％，（２．３６）发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真完全平衡二级往复惯性力的条件是：’１聊；以２虿饥，．量；Ｐ。’、Ｐ：７一一平衡质量ｍ。’、ｍ：７的旋转半径。（２·３７）式中：ｍ，７、ｍ：’一一为了平衡一、二级往复惯性力而敷设在每根平衡轴上的平衡质２．６本章小结本章运用力学的基本理论进行发动机曲柄连杆机构的运动学、动力学分析及简化后的机构受力分析、单缸发动机的平衡分析与平衡方法，为论文的后续研究奠定理论基础。大连理工大学专业学位硕十学位论文３逆向工程及其测量方法研究为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为ＣＡＤ数据，以便利用快速成型系统（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ）、计算机辅助制造（ｃｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ＣＡＭ）系统、产品数据管理系统（ＰｒｏｄｕｃｔＤａｔａＭａｎａｇｅｎｅｍｔ，ＰＤＭ）等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步修改和再优化设计。此时就需要一个一体化的解决方案：样品一数据一产品。逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实物物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制造的一种手段，在２０世纪９０年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视。从此以后，有关逆性工程技术的研究和应用就一直受到、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已经成为ＣＡＤ／ＣＡＭ领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。３．１逆向工程概述“逆向工程”（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ），也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路【ｌ７｜。广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程。它包括影响逆向、软件逆向和实物逆向等三方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实物的ＣＡＤ模型重构和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程＂【ｌ引。在某种意义上说，“实物逆向工程”，（简称逆向工程）可定义为：逆向工程是将实物转变为ＣＡＤ模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将己有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对己有产品进行解剖、深化和再创造的工程ＩＩ引。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，最后通过检测和性能测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或ＣＡＤ造型，称为预定模式（ｐｒｅａｒｒａｎｇｅＭｏｄｅｌ），我们也称之为正向工程（或顺向工程）。正向工程流程如图３．１所示。随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用以及ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向工程设计首先通过测量扫描仪以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利用成熟的ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术，快速准确的建立实体几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品。实现从产品或模型～设计一产品的整个生产流程，具体流程如图３．２所示。发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真时困图３．１正向工程开发流程图Ｆｉｇ．３．１Ｆｏｒｗａｒｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ３．１．１逆向工程在引进技术中的应用市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制己渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常途径就是通过逆向工程。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对己有科学、技术的继承、应用和借鉴【２…。Ｉ仿制曲制产品Ｉ·－口ｌ…维图样，技术文挡－。＊－ｔＣＡＤ／ＣＡＥ系统Ｉ·至系统－＇１￥１Ｊ㈣ＣＡ．Ｍ士Ｉ上ＩＩ．ｃＡＤ模型重建工快速成型ｌ·Ｉ数据预处理ｔ形状数据采集上１１十Ｉｌｌ模具…一产品样件实物样件上新产品图３．２逆向ｊＩ：程开发流程图Ｆｉｇ．３．２Ｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ大连理工大学专业学位硕士学位论文３．１．２逆向工程在实际中的应用逆向工程的应用一方面是产品快速升级换代的一种有效手段，另一方面，逆向工程在某些方面的应用是正向工程难以完成的。目前，随着测量技术、材料技术、先进制造技术、曲线曲面理论技术以及各种计算机及其相关技术的迅速发展，逆向工程已经在制造业得到了广泛的应用，尤其是在航空、航天、汽车、家电、模具等行业中表现出越来越大的应用潜力和前景。逆向工程的具体应用目前主要体现在以下几个方面【２１１：（１）在模具制造过程中，经常需要通过反复试冲和修改模具型面才能得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其三维模型，在再次制造该模具时就可以运用这一模型直接生成加工程序，大大减少修模量，可提高模具产品生产效率，降低模具制造成本。（２）在飞机和汽车行业的产品外形设计中，很多情况下使用的是经过空气动力学验证的比例模型，如油泥或粘土模型。当设计好的模型需要转化为产品时，就需要对原来的模型进行局部修改和逆向设计，根据实物重新得到产品的数学模型。（３）目前，实物模型仿形加工是普遍采用的加工手段之一。这种方法加工精度由于受到仿形头直径和机械传动精度的影响，加工精度低，对实物模型的一些细节部分容易丢失，不能满足高精度加工的需要。如果利用逆向工程技术将实物样件首先转换为三维模型，再利用数控机床进行加工，则可以极大地提高加工精度和速度。（４）在医学领域，尤其是人工骨骼的研究中，对人工骨骼的构造需要高精度的模型才能保证重构出来的骨骼在植入人体后无不良影响。利用逆向工程技术将骨骼数据转化为骨骼模型，使人工骨骼的制造摆脱原来以手工或按照标准定制为主的落后制造方法。（５）在快速原型制造（ＲＰＭ）中，通过逆向工程技术可以方便地对原型产品进行快速准确的测量造型，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品得到完善‘２２１。（６）艺术品、考古文物的复制。（７）借助于层析Ｘ射线摄像法（ＣＴ技术），逆向工程不仅可以产生物体的外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段【２３１。从逆向工程的应用领域可以看出，逆向工程三维建模主要可以分为两种：一种是以复杂型面为对象的表面建模，进而再进行下一步的实体造型；另一种是以实物的整个形体为研究对象（包括其内腔等的复杂结构）的整体建模。目前大多数研究都集中在前者，研究技术也比较成熟，各个关键的问题正在突破；后者主要集中在医学图像、人体器官及零件的复杂型腔等方面，研究比较分散，还没有形成较为全面和系统的研究体系。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真３．２逆向工程测量方法数据测量，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度的实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计师与逆向工程及ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ／ＲＰ／ＣＮＣ之间扮演着桥梁的作用。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测得数据的质量事关最终模型的质量，直接影响到整个工程的效率和质量。实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题而影响重构模型的精度。因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程的一个主要研究内容。目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大类，即接触式与非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式根据原理不同，又可分为光学式和分非光学式。其中光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等，而非光学式则包括ＣＴ测量法、ＭＲＩ测量法、超声波法和层析法等。各种测量方法的具体分类如图３．３所示。３．２．１接触式数据采集方法及优缺点接触式测量一般采用三坐标测量仪，沿着样件截面线进行测量，将复杂的三维曲面测量转化为二维测量，按曲面曲率的变化不均匀的布点。接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等１２４１。（１）触发式数据采集方法触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到样件的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖（测球中心点）的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。（２）连续式数据采集方法连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。大迮理１”：大学专业学位硕十学位论文图３．３实物数字化方法Ｆｉｇ．３．３Ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙｄｉｇｉｔｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄ（３）磁场法该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。接触式测量有以下优点：（１）接触式探头发展已经有几十年，其机械结构及电子系统已经相当成熟，有较高的准确性和可靠性；（２）接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大：（３）被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确的测量出物体的基本几何形状，迅速建立起被测物体的三维模型。如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量有以下缺点：（１）为确定测量基准点而使用特殊的央具，会导致较高的测量费用，不同形状的产品会要求不同的央具，而使成本大幅度增加；（２）球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定的精度，需要校正探头的直径；发动机曲柄迮杆机构二维建模与性能仿真（３）不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏；（４）接触式探头是以逐点的方式进行测量的，所以测量速度慢；（５）检测一些内部元件有先天的，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆直径；（６）对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是探头的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致误差修正的问题；（７）接触探头在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形，而影响测量值的实际读数；（８）测量系统的支撑结构存在静态及动态的误差；（９）由于探头触发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差；（１０）测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。３．２．２非接触式数据采集方法及优缺点随着测量技术的发展，由于接触式测量的不足和测量市场的需要，产生了非接触式扫描测量。非接触式测量设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如声、光、电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中，以应用光学原理发展起来的测量方法应用最为广泛如激光三角法、结构光法等。由于其测量迅速，且不与工件接触，因而对于质地柔软的零件也能测量等优点，越来越受到人们的重视。非接触式测量方法主要有以下几种：（１）激光三角法激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原理是：利用具有规则几何形状的激光投影到被测量表面上，形成的漫反射光点的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸收，根据光点（光带）在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。（２）结构光法把一定模式的光源（如光栅）投影到被测件表面，受被测物体表面高度的，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的整幅图像上像素的三维坐标。它的优点是测量范围大、稳大连理一１：大学专业学位硕十学佗论文定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低，而且只能测量表面曲率变化不大的、较平坦的物体。（３）工业ＣＴ法是一种射线成像检验技术，它对被测物体进行断层截面扫描，以Ｘ射线的衰减系数为依据，用数学方法经过电子计算机处理而重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。ＣＴ测量法可以在不破坏零件的情况下，准确地对物体的内部形状、壁厚，尤其是内部结构进行测量，这是其他测量方式所难以做到的，而且对零件的材料没有。但是，ＣＴ法存在着测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长、重建图像计算量大、设备造价高的缺点。（４）核磁共振法（ＭＲＩ）其基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动到静态场的平衡时，把吸收的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号，信号输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。它的不足之处在于造价极为昂贵，空间分辨率不及ＣＴ，且目前对非生物材料不适用，一般只适用于医学三维测量。（５）超声波法是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，计算出各面到零点距离的方法。这种方法结构较为简单，但测速较慢，而且测量易受物体材料及表面特性的影响，精度也较低。这种方法与工业ＣＴ、核磁共振ＭＲＩ相比，设备简单，成本较低，但测量速度较慢，且测量精度不稳定，目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。（６）层析法是一种直接从样件到模型的实用、可靠的方法，它在美国首先研制成功，用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。层析法可对有孔及内膛的物体进行测量，测量精度高，得到完整的数据，不足之处是这种测量是破坏性的。在国内，海信技术中心工业设计所和西安交通大学合作，研制成功具有国际领先水平的层析式三维数字化测量机。在国外，美国ＣＧＩ公司己生产出层析扫描测量仪。与接触式测量相比非接触式，非接触式测量主要有以下优点：（１）不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置；（２）测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量；（３）软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。非接触式测量的主要缺点如下：（１）测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测ｇ２ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒ）来检测光点位置，目前的ＰＳＤ的精度仍然不够，约为２０Ｐｍ以上；（２）因非接触式探头大多是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等，从而导致测量精度误差，产生大量不规则的散乱点；发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真（３）ＰＳＤ易受环境光线及散杂光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难；（４）非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较为困难；（５）工件表面粗糙度会影响测量结果。非接触式激光三角形法由于同时拥有采样精度高和采集速度快的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。３．３逆向工程测量设备三坐标测量机（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，ＣＭＭ）是２０世纪６０年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器国。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。起初是作为一种检测仪器，对零件和部件的尺寸、形状及相互位置进行检测。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此一开始就被选为逆向工程的主要数字化设备并一直使用至今。图３．４二坐标测量机的组成Ｆｉｇ．３．４ＴｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓｏｆＣＭＭ大连理工大学专业学位硕士学位论文作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量和标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器，利用导轨实现沿相应方向运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图３．４所示。三坐标测量机的原理：将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测得几何尺寸、形状和位置。三坐标测量机按精度可分为低精度、中精度和高精度的测量机，三种精度的三坐标测量及大体上可以这样划分：低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体１．１０。４Ｌ左右，而空间最大测量不确定度为（２’３）：ｌｃｌ０’４Ｌ，其中Ｌ为最大量程：中等精度的单轴与空间最大测量不确定度分别约为１．１Ｏ。Ｌ和（２、３）术ｌＯ咱Ｌ；高精度的单轴与空间最大测量不确定度则分别小于１．１０ｑＬ和（２’３）牛１０’６Ｌ。在实际应用中，可根据被测工件的技术规范、尺寸规格以及各种结构的具体特点选择不同形式的三坐标测量机。３．４逆向工程测量数据格式转换目前应用于生产实际中的造型软件多种多样，如Ｉｍａｇｅｗａｒｅ、ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ、ＡｕｔｏＣＡＤ等。每一个ＣＡＤ系统都有自己的数据文件，数据文件格式与每个ＣＡＤ系统自己的内部数据模式密切相关，市场上流行的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统内部产品模型的数据结构和格式各不相同，从而极大地影响了设计和制造各部门之间或企业之间的数据传输和程序衔接的自动化，给ＣＡＤ／ＣＡＭ的数据通信带来困难，因此迫切希望实现数据交换文件格式的标准化【Ｚ川。本文第一次采用ＩＭＷ（Ｉｍａｇｅｗａｒｅ），是逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ专用的二进制文件格式，它可以直接在不同的造作系统（如ＵＮＩＸ、ＷｌＮＮＴ）之间进行数据传递，而无需转换数据的格式。第二次选用Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式，它是一个严格的边界表示的实体建模模块，是支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面／片体建模。Ｐａｒａｓｏｌｉｄ被设计用于机械ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ应用和虚拟现实应用中。使用的是Ｃ、Ｃ＋＋和ｖｉｓｕａｌ是由ＵｎｉｇｒａｐｈｉｃｓＳｏｌｕｔｉｏｎｓＣ＋＋。ＰａｒａｓｏｌｉｄＩｎｃ在Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｅｎｇｌａｎｄ开发的，Ｐａｒａｓｏｌｉｄ提供业界领先的功能，在质量、速度、价格和功能意义上是最佳选择。３．５本章小结本章对逆向工程及逆向工程的测量系统进行了研究，详细介绍了逆向工程的工作流程及其测量设备，并重点研究了逆向工程的测量方法，结合本课题实际需要，选择了非接触式的测量方法，经过以上分析，最后给出了测量数据的转换格式为ＩＭＷ和Ｐａｒａｓｏｌｉｄ，为后续处理做好必要的准备工作。发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真４逆向工程三维重构模块规划三维ＣＡＤ模型的重构是逆向工程的一个主要核心和目的，是后续产品加工制造、快速成形、工程分析和产品再设计的基础。有了三维ＣＡＤ模型，就可以利用现有的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术对产品进行再设计和各种工程分析，进而生产产品【２６】。因此，ＣＡＤ模型的重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环。４。１点云数据的处理模块４．１．１点云数据预处理点云是一特殊的测量数据点，通常由手持式数字化系统和激光扫描仪获得，由于数据点的数量较通常的接触式三坐标测量机大得多，也称海量数据或点云（Ｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄ），而且点云数据具有不同于接触式数据的一些特点【２７】，因此其处理方式也有所不同。点云是三维空间中的数据点的集合，最小的“点云’’只包括一个点（称孤点或奇点，ｓｉｎｇｕｌａｒ），高密度“点云＂可达到几百万数据点。为了能有效处理各种形式的“点云”，根据“点云＂中点的分布特征（如排列方式、密度等）将点云分为：（１）散乱（Ａｒｂｉｔｒａｒｙ）点云测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态。随机扫描方式下的ＣＭＭ、激光点测量等系统的“点云”呈现三乱状态。（２）扫描线点云特征。（３）网格化点云云即为网格化点云。（４）多边形点云点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内。ＣＭＭ、激光点三角测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量数据呈现扫描线点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应。将ＣＭＭ、激光扫描系统、投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过网格化插值后得到的点测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接可形成一组有规律的平面多边形。莫尔等高线测量、层析法、磁共振成像等系统的测量点云呈现多边形特征。此外，测量“点云＂按点的分布密度可分为高密度“点云＂和低密度“点云＂。Ｃ栅测量的“点云”为低密度“点云＂，通常在几十到几千点之间，而测量速度及自动化程度较高的光学法和断层测量法获得的测量数据为高密度“点云”，点数据量一般从几万到几百万点不等。大连理：Ｔ＝大学专业学位硕士学何论文４．１．２点云数据的处理模块规划设计产品逆向的实现过程，一般遵循如图４．１所示的工作流程。图４．１逆向过程流程图Ｆｉｇ．４．１Ｃｏｎｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ从流程图可以看出，逆向软件数据处理一般遵循点一线一面的原则，依据此原则来划分整个模块并对其进行规划设计。逆向工程系统规划的整体模块框图如图４．２所示。本节依据模块化原则，对逆向工程系统进行详细规划设计具体分为点云数据的处理模块、曲线构建模块规划和曲面构建模块规划。发动机曲柄迮杆机构三维建模与性能仿真图４．２逆向工程模块规划框架图Ｆｉｇ．４．２Ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｆｌａｍｅｃｈａｒｔｏｆｃｏｎｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｏｄｕｌｅ一２６—大连理工大学专业学位硕十学位论文点云数据处理模块包括以下子模块：点云读入、点云对齐和点云的多视角拼接、点云的分析与诊断、点云的过滤、点云的平滑处理、点云精简和分割、点云的修整和编辑、点云的特征提取、点云的网格化。在进行模型重建前，需要对测量数据进行各种处理工作，目的是获得完整、正确的测量数据以方便后续的曲线曲面的构建工作。通过对逆向工程软件功能的研究分析，根据产品逆向过程和基于Ｉｍａｇｅｗａｒｅ进行集成的特点【２８】，点云的处理流程规划设计如图４．３所示。一二竺◆ｌ点云数据读入＼≮ＮＯ窆Ｉ！兰／／州ｕｒ：可视化和检查点云对齐多个点云１Ｌ除去可疑点和噪声点土可视化和点网格划分、去除噪声点，……………………………………‘！ｌ检查点云的｜ｌ清洁和光滑ｉｌ壬旱商ｉ图４．３点云处理规划流稃图Ｆｉｇ．４．３Ｔｈｅｐｍ舒ａｍｍｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｏｉｎｔｓ—ｍａｐｍａｎａｇｅｍｅｎｔ发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真在逆向过程中，点云读入软件后，如果读入的是多个点云则先需进行对齐和多视拼接，然后进行后续的各种操作。点云数据处理过程规划为：点云的读入、点云的对齐和多视拼接、点云的过滤、点云的平滑处理、点云的精简和分割、点云的网格化。点云的各种分析、编辑修整以及辅助操作工作在整个过程之中要交互进行，有些操作甚至要反复交替使用，这就需要根据实际工作的具体要求来进行操作。以下为对点云处理模块各子模块的必要性、具体功能以及部分实现方法。（１）点云的读入点云数据的读入功能主要是针对逆向系统在海量点云数据读入时，对数据文件格式进行识别以及对数据文件格式进行转换等。本文所规划的逆向处理系统作为一个完整的系统模块，必须能够满足直接读入点云数据的需要，以方便后续的各种工作。（２）点云的过滤由于实际测量过程中受到各种人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声数据，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量“点云＂㈣进行滤波（ＰｏｉｎｔＦｉｌｔｅｒｉｎｇ）或称平滑滤波（ＳｍｏｏｔｈｉｎｇＦｉＩｔｅｒｉｎｇ），点云的过滤功能就是针对此设置的。清除噪声点可通过以下几种方法实现：１）以两个连续点之间的夹角为依据，如果一个点与前一点之间的夹角大于给定值，则这点被删除；２）那些可以移向中值的点；３）那些可以沿指定的轴移动并且在允许距离范围内进行上下移动接近给定的水平的点。（３）点云数据平滑处理点云数据平滑处理的功能包括点云数据的平滑和光顺。１）数据平滑数据平滑的目的是消除噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。采用平滑处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。２）数据光顺点云的光顺具体包括点云分段过滤光顺、点云的区域光顺、角点之间光顺。（４）点云对齐和多视角拼接此模块的内容包括点云对齐和点云多视角拼接。１）点云的对齐大连理Ｔ大学专业学位硕十学位论文对齐问题开始是在计算机动画及图形学研究中提出，主要是用于处理模型的刚体运动以及刚性物体相对一个参考位置，包括三维数据点集对齐是一种常见的对齐处理问题，一些形状描述开始是以点集形式表现的领域，如产品逆向工程，计算机图像处理等需要进行数据对齐处理。在逆向工程实际中，在对实物样件进行数字化时，往往不能在同一坐标系下将产品的几何数据一次测出。对于激光扫描，需要从不同的角度对样件局部进行放大扫描，以获取样件的多视点云。通常为处理方便，将两种情况的数据都称为多视数据变换或统一到同一坐标系中，这个数据处理过程成为多视数据的对齐（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）。或数据拼合、重定位等。本文中的对齐具体包含两个方面的意思：一方面是指两片（或多片）点云的拼合，另一方面是指一片点云位置的摆正。这里所谓的摆正，就是将点云移动到指定的位置，所以对齐有时也被称之为定位。２）点云的多视拼接数据对齐后，由于进行多次测量，得到的多视数据不可避免地存在重叠区（重叠数据），因此应对重叠区域进行数据统一，最终建立一个没有冗余数据的统一数据集，以方便三维模型重建和快速原型的切片数据处理。多视拼接可采用ＨｏｎｇｅＴｚｏｎｇ在２０００年提出的通过建立数据集的三角网格，对重叠区域进行插值计算，然后获得新的数据点的多视数据统一方法，具体的实现过程可跟后续的网格化算法相结合实现。（５）点云精简目前，激光扫描技术的发展，使得在快速地获得数据的精确度上有了很大提高，三坐标激光扫描机在逆向工程数据测量有取代接触式三坐标测量机之势。但激光扫描测量每分钟会产生成千上万个数据点，怎样处理这些海量数据“点云”成为激光扫描测量造型的主要问题【３们。如果直接对点云进行造型处理，大量的数据进行存储和处理也成了不可突破的瓶颈问题，从数据点生成模型表面要花很长时间，整个过程也会变得难以控制。实际上并不是所有的数据点对模型的重建都有用，因此，有必要在保证一定精度的前提下减少扫描数据量，既要对获得的大量的数据点进行精简而又要确保加工过程的精度。点云精简就是为满足此需要而设置。（６）点云的修整和编辑点云的修整和编辑包括点云修整和点云编辑两个子模块。１）点云修整点云修整的功能包括：点选删除点群中的跳点、缝补点群破孔、删除尖点、自动调整点群位置。①点选删除点群中的跳点发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真依据测量点的布置情况，测量数据可分为两类：截面测量数据和散乱测量数据。对于截面测量数据，常用的检查方法是将这些测量数据点显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的方法对测量数据进行检查、调整【３１１。对于散乱测量数据，由于拓扑关系散乱，执行光顺预处理十分困难，只能通过图形终端人工交互检查、调整。如果在同一截面的扫描数据中，存在一个点与其相邻的点偏距较大，这样的点通常被认为是“跳点”【３２】。②缝补点群破孔由于实物结构的复杂性以及测量机的，在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域。另外，实物零件中经常存在经裁减或“布尔减”运算等生成的外形特征。如表明凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现“空白”现象，这样的情况使反求建模变得困难。在软件中通常是通过数据插补的方法来补齐“空白”处的数据的方法，最大限度获得实物裁减前的信息，这将有助于模型重建工作，并使恢复∥的模型更加准确。缝补点群破孔功能就是针对此设置的。③删除尖点有些点根据视觉很明显是不满足需要的点，这些点通常可视为尖点，可直接通过点选择或者区域选择直接删除。２）点云编辑点云的编辑包括点云数据相加、点云数据相减、由两笔点云数据求平均点云、偏置点云数据、投影点云到平面、数据点的排序。点云的编辑功能是针对点云进行各种操作的功能模块。其中，点云相加减是对点资料进行布尔操作以及投影操作等。关于点的投影和偏置等都是需要根据点云的坐标变换来实现的，其功能和方法都很容易理解。这里主要介绍数据点排序。由于测量工件的不确定性和复杂性，在测量的数据中往往有部分数据是散乱数据，即获得的数据点是无规则的，它们之间没有明显的几何拓扑关系，对后续各种操作都有影响，因此需要将散乱数据转换变成规则数据，即要经过排序．其基本原理是对所有的数据点进行计算比较，经过优化，寻找一种最短的路径通过它们，建立它们之间的几何拓扑关系，即对点云的排序。（７）点云资料的提取点云资料的提取具体实现的功能包括点资料的分割提取、特征提取、边界提取。１）点云数据的分割提取大连理工大学专业学位硕士学位论文点云数据的分割包括圈选点群、封闭的曲线圈选点群、以方块范围选点云、切片点云、提取扫描线点群、以距离设定分离点云、点云数据的截面（又包括平行横截面、放射状横截面、交互式横截面、沿着曲线横截面、三角网格横截面）。通常对含有自由曲面的复杂曲面，用～张曲面来拟合所有的数据点是不可行的，这时可以按照零件原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，即进行数据分割（ＰｏｉｎｔＤａｔａＳｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）。数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据分组，把全部数据划分成代表不同曲面类型的数据域，各个区域分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一体。同时，如果点云数据量比较大，计算机处理数据比较困难时，也可以考虑对点云数据进行分割处理。对数据进行分割可使复杂的数据处理问题简化，使后期的曲面局部修正变得灵活方便，有利于提高精度。２）特征提取特征提取包括基于颜色的特征提取、基于尖角边的提取。特征是几何造型的关键因素，它对控制几何形体的形状具有极为重要的作用。反求工程曲面建模时嵌入极值主曲率曲线、棱线、脊线等特征线，对提高模型的精度，增加数据压缩比有重要作用。因此自动提取点云数据的主曲率极值点具有重要的意义。特征提取也是滤波的一种，方法是根据给定的曲率变化梯度，推断和寻找点云中的边界、棱边和孔槽等突变特征，以方便后续建模时的区域划分。３）边界提取曲面边界界定了曲面的连续范围，自动提取点云数据的边界点能方便曲面边界曲线的构建，对曲面的重建有重要作用。（８）点云网格化点云网格化的功能包括直接网格化以及网格的修整和编辑。网格化实体模型表示物体形状能实现计算的自动化和少的冗余，而且随着计算机硬件的发展和技术的进步，原来网格化所需要的大量运算时间己改善。因此，在某些应用上用网格化实体模型代替曲面模型能简化造型过程，提高效率。另外，网格化后生成的文件是快速成型以及某些ＮＣ加工的必要前提。网格化实体模型通常是将数据点连接成三角片，形成多面体实体模型，由于数据点众多、间距大小不同，以及数据点存在部分的重迭，如果将全部的数据点都连接成三角形，一方面将产生大量的结点，造成计算量过大，还会出现重迭问题；另一方面，不同的几何特征要求的网格尺寸也不同，如曲率大的区域网格尺寸相对较小，较平坦的区域，发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真网格尺寸可以较大。因此，在网格化之前应对点云进行精简处理，并且对网格化过程进行简化处理，排除不需要的结点和面片。（９）点云的分析与诊断点云的分析和诊断模块包括点云的重新显示误差值、显示点云法线（ｎｏｒｍａｌ）方向、显示点云曲率半径、显示点云最小曲率半径、显示点云曲率、显示点云反射、三角网格与点云的分析、点云与点云误差分析，两点之间的距离等功能。在逆向过程中，从产品的实物模型，重建到产品的ＣＡＤ模型，根据这个ＣＡＤ模型，一方面可以对原产品进行仿制或者重复制造，另一方面可以对原产品进行工程分析、优化结构、实现改进，创新设计。两方面都存在这样一个问题，即重构的ＣＡＤ模型能否表现产品的实物，两者之间的误差有多大。因此，应予以考虑模型精度评价的一些问题。软件中，应该可以实时地对数据进行分析和诊断，可以显示点的曲率半径，从而根据分析检查操作的精度并依次进行后续工作。４．２曲线构建模块的规划设计在点云数据处理流程规划设计的基础上，由点云构造曲线的流程规划设计如图４．４所示。曲线是构造曲面的基础，在逆向工程中，常用的模型重建方法是：先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线或参数曲线，再利用造型工具，完成曲面片的造型，这是本课题遵循的原则。曲线构建模块主要功能包括曲线构建、曲线的编辑和曲线的信息查询和曲线的分析。（１）曲线构建曲线构建的方式可划分为：拟合自由曲线、指定公差的拟合曲线、基本曲线拟合、基于曲线创建曲线、基于曲面创造曲线、合并曲线的方式或者由点云或已知的曲线创建曲线。（２）曲线的编辑当通过插值或逼近得到了曲线段后，在进行曲面造型之前，要通过各种曲线编辑功能对曲线进行修正工作，一方面是修补由于测量数据的不完整带来的拟合曲线缺陷，另一方面从曲面造型的角度出发，也要求曲线具有完整、连续、光滑的特点，以保证生成曲面的光顺性。曲线的编辑功能的强弱，直接决定后续生成曲面的质量。本模块规划的大连理工大学专业学位硕十学位论文主要曲线编辑功能有：曲线连接、曲线分割、曲线修剪、曲线延伸、创建新的样条曲线盘苗守。图４．４Ｆｉｇ．４．４曲线构建的规划流程图ＣＨＩＶｅＴｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（３）曲线信息查询和曲线的分析曲线在创建的过程中或者创建结束后，都需要对曲线的信息和连续性等进行诊断和分析，以满足实际中不同处理的不同精度需求。４．３三维曲面构建模块的规划设计在构建曲线规划设计的基础上，构建曲面规划设计流程如图４．５所示。曲面的构建主要分为曲面的生成、曲面的编辑以及曲面的分析。（１）曲面的生成曲面的生成主要包括由点阵直接生成曲面、由曲线生成曲面、过渡曲面。发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真曲面的生成主要有两种途径。一种是直接由点云拟合生成，这种方法仅适合于处理数据量不大、数据呈有序排列的情况这样的曲面的质量不高，而且对点云的数量以及精度要求都较高。另一种是通过逆向工程中前面处理得到的线构建面。实际过程中，根据需要分析生成曲面的类型和质量，以满足精度需求。（２）曲面的编辑在逆向工程的实际过程中，仅仅由一张曲面构成的模型外形是很少的，可以说是几乎没有的，多数的模型的外形都是由一些简单的和复杂的自由曲面通过剪切、过渡、拼合等操作而形成最终的封闭曲面模型。通过前面的两种方法得到最终的曲面模型，要通过各种曲面编辑功能，根据己知的模型几何特征信息，将曲面拼接成完整的曲面模型。曲面的编辑功能规划为：曲面修剪、曲面倒角、曲面分割、曲面连接、曲面片的修补、曲面延伸、曲面修改。此处需要说明的是，曲面的编辑功能中曲面连接与曲面构建中过渡面的区别不是很大，因为这也可以算作是过渡曲面的生成，所以软件中各种功能的划分只是相对的而不是绝对的。（３）曲面诊断和分析曲面的分析和诊断是进行曲面构建过程中，一个不可缺少的部分，只有实时的进行分析和诊断，才能知道所得到的曲面的质量和精度能否满足要求，是否需要进行修改。对曲面的分析和诊断的主要功能包括检查面的光顺性、曲率的连续性、表面反射特性及与其它曲面的连续性。大连理ｆ大学专业学位硕十学位论文图４．５Ｆｉｇ．４．５曲面构建的规划流程图Ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｒｏｏｋｅｄ－ｆａｃｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ４．４本章小结根据产品逆向遵循点一线一面的原则，对逆向工程系统进行了总体规划设计。逆向工程系统的三个主模块：点云数据的处理模块、曲线构建模块和曲面构建模块进行了详细的规划设计，并对逆向工程中的曲线曲面理论进行了探讨；点云数据处理模块包括以下子模块：点云读入、点云对齐和点云的多视角拼接、点云的分析与诊断、点云的过滤、点云的平滑处理、点云精简和分割、点云的修整和编辑、点云的特征提取与点云的网格化：曲线构建模块主要包括以下子模块：曲线构建、曲线的编辑、曲线的信息查询和曲线的分析；曲面构建模块主要包括以下子模块：曲面的生成、曲面的编辑以及曲面的分析。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真５逆向工程在曲柄连杆机构开发中的研究曲柄连杆机构中包含着大量复杂的自由曲面，在设计和制造过程中，传统的产品开发模式很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由曲面，从而增加了该类产品的开发周期和设计制造成本。针对这一事实，利用逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ，成功地实现了复杂曲面零件曲柄连杆机构的曲面建模，为后续加工制造解决了三维模型建立的问题，缩短了产品的设计周期，降低了设计和制造的成本，具有很大的现实意义。５．１ｌｍａｇｅｗａｒｅ软件介绍Ｉｍａｇｅｗａｒｅ是ＵＧＳ公司ＰＬＭ数字化解决方案中的一员，产品向模块化发展并专注关键的核心竞争力：逆向工程，三维检测，高级曲面，多边形造型。Ｉｍａｇｅｗａｒｅ广泛应用于汽车、航空航天、消费家电、模具和计算机零部件等领域，作为ＵＧ中专门为逆向工程设计的模块，具有强大的测量数据处理、曲面造型和误差检测的功能；可以处理几万至几百万的点云数据；根据这些数据构造的Ａ级曲面具有良好的品质和连续性：其模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、圆度等几何公差Ｉｊ引。逆向工程对于企业制造来说是非常重要的。如何从企业仅有的样件、油泥模型、模具等“物理世界’’快速的过渡到计算机可以随心所欲处理的“数字世界”，这是制造业普遍面临的问题，Ｉｍａｇｅｗａｒｅ特别适用于以下情况：（１）企业只能拿到真实零件而没有图纸，又要求对此零件进行分析、复制及改型；（２）在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意结果后将此模型的外形在计算机中建立电子样机；（３）对现有的零件工装等建立数字化图库；（４）在模具行业，往往需要用手工修模，修改后的模具行腔数据必须要及时的反映到相应的ＣＡＤ设计之中，进行模具的对比，这样才能最终制造出符合要求的模具。Ｉｍａｇｅｗａｒｅ软件主要包括以下几个主要的模块：（１）基础模块包含诸如文件存取、显示控制及数据结构。（２）点处理模块包含处理点云数据的工具，主要有由测量设备中读取点云数据；点云数据抽样达到要求的密度；整齐／有序的点云；点云剖面：点云的全方位模型；增加点云；切割、修建点云。大连理上大学专业学位硕士学位论文（３）曲线、曲面模块提供了完整的曲线与曲面建立和修改的工具，包括扫掠、放样及局部操作用到的圆角、翻边及偏置等曲面建立命令。几何的编辑可以用多种方法实现，首先就是通过直接编辑曲线及曲面的控制点。这对于初始的黑屏设计、输入的遗留数据或有小局部需要修改的情况非常有用。作为控制点编辑工具的补充，新增了完整的针对曲线网络及相关结构的新的三维约束解算器。这些工具捕捉引起自动更新物体之间的关系。这将快速改善设计人员的效率。Ｉｍａｇｅｗａｒｅ曲面模块也提供了强大的曲面匹配能力，这将允许将邻近的曲片面在边界线或内部点上进行曲面位置、相切及曲率连续的处理。同时提供非常丰富的匹配选项以精确控制结果的几何。（４）多变形造型模块提供完美的三角形数据的处理，提供处理任何大小的多变形模型的能力，能够处理以下的数据源和数据类型，ＳＴＬ数据（从扫描设备中获取）、有限元数据和ＶＲＭＬ数据。（５）检验模块可检测复杂数字形状与物理以及物理机样的三维模型。提供大量工具以输入ＣＡＤ数据，点云数据并将这些数据进行对其用于比较零件与扫描数据之间定性及数量上的差别。（６）评估模块包含定性和定量的评价模型总体质量的工具。定量评估提供关于事物与模型精确的物理反馈。定性评估强调评价模型的美学质量。有效的评估类型包括环境映像工具将图像包裹在零件表面以获得实际效果。图像通过环境及建筑学的数字化照片获得。软件包括大量的预先输入的环境样本。用这种方法可以在模拟的实际环境中观察模型。除了环境映像外，也可以使用工具与显现是跨整个模型的光流向的情况。这种方法同样可以帮助观察发现曲面片构造中的细微误差。Ｉｍａｇｅｗａｒｅ处理数据的流程遵循点一曲线一曲面原则，流程清晰简单，软件易于使用，流程见图５．１。在现实生活中，我们的周围有大量的曲面零件存在着，例如汽车外壳造型、茶杯、鼠标等等。在本章中，采用了曲柄连杆机构这一曲面零件作为研究对象，利用逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ进行逆向造型设计，进一步讨论和验证了逆向工程的实用性和快速性。发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真存存的物理模上决定下游过稗需要ｌ获取点数据点Ｊｒ五处读入点数据理过１ｒ根据需要、对齐点云ｊ去除不必要的点上可视化和为特征ｄ＾ｉ｝；２—ＬＪ３·Ｉ，ｏｒｉ习－￥·上Ｉ创造点网格、点云分块ｌ定义曲面类捌’Ｌ创造曲线点上石处理ｌＩｌ曲线榆杏和编Ｉ过定义曲面类刑上创造曲面曲上面处曲面柃杏和编理过上下游过稗图５．１ｌｍａｇｅｗａｒｅ软件工作流程Ｆｉｇ．５．１Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｕｒｓｅｏｆｌｍａｇｅｗａｒｅ一３８—大连理＿上人学专业学位硕士学位论文５．２曲柄连杆机构数据采集及预处理做一个逆向设计的工作，可能比做一个『Ｆ向设计更具有挑战件。在设计一个产品前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行卟逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑阻下些要点：（１）确定设计的整体思路对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。应首先要周全的考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，在模型的逆向建模中应主要考虑是将几何模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。（２）确定模型的基本构成的曲面类型这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定。对于自由曲面，一般需要采用具有方便调整曲线和曲面的模块，采用ＮＵＲＢＳ技术进行拟合；对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等，则可以将测量数据这部分分割出柬．直接拟合成一张平面或圆柱面。根据上述过程．通过曲柄连杆机构的结构特点的分析。下面给出了其在逆向工程中的设计思路：使用三维激光扫描机，采用非接触测量法获得曲柄连杆机构的点云数据，以ＩＧＥＳ格式导八逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ中。利用Ｉｍａｇｅｗａｒｅ强大的数据处理功能把扫描所得点云进行分割，针对不同的分割点云，根据其结构特点，进行ＮＵＲＢＳ曲线编辑ｔ然后利用点云和得到的曲线拟和出曲面，最后利用软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ中的光顺曲面模块，得到最终的曲柄连杆机构曲面造型。５２１曲柄连杆机构数据采集在本课题中数据采集是采用Ｍｉｒａｃｌｅ系列一全自动三坐标测量机（图５２所示）获得的。削５２全自动二坐标ⅫＩ精机Ｆｉｇ５．２Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｏｆｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真Ｍｉｒａｃｌｅ系列三坐标测量机是雷顿公司博采世界范围先进坐标测量机之长，于二＝十一世纪最新推出，大量应用了当今世界测量机先进技术，具有扫描速度高（最高每秒可达２３０００点）和准确精度，满足中小零部件通用的车州检测需要具有简单、快速、高效功能强的优势。其测量原理是采用结构光三角测距法原理，将一条线形激光照到物｜【奉表面上，通过一个摄像机捕获激光反射叫来的影像，再经过对图像的分析获得物体表面区域上的点的坐标。５２２曲柄连杆机构数据预处理点云预处理是逆向Ｔ程中曲面重构的首要条件，它的处理好坏直接关系到后续曲面重构的精度大小ｐ…。下面以图５３所示的曲柄连杆机构的开发实例，简要介绍ｉｍａｇｅｗａｒｅ的逆向方法。圈５３曲柄连杆机构实物Ｆｉｇ５．３Ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ首先对分块扫描所得到的点云导入［ｍａｇｅｗａｒｅ软件中，建立坐标系如图５４。将分离的点云进行对齐处理，有的零件因为结构复杂，需多次扫描才能获得全部数据。因此需要对导入的点云数据进行对齐，合并处理，使之变成一个整体，之后经过删除过滤、优化点云、遗失点补齐、数据平滑、数据压缩、去除异常点和噪声点，以便更好的观察点云形状和进行结构分割。利用其曲面构造工具迓一构造出产品的主要轮廓线，如图０所示为曲柄连杆机构的部分截取轮廓线。５人连理一太学专业学位硕士学位论文嗣譬矗盘鲁魄每国◆◆啭口●谚二ｌ：，＿＾～：·．ｏ簟＇．，曼净≯甜口｛ｌ、≮》守毒一：０一■｛；’■‘。：｛９∞奢≯：：！到ｊ，＿。』！型。ｌｒ－ｉｊ＿ｍ…，Ｅ”｜、ｒ￥－ｑ州ｒｅＷｔ·！－¨。日图５５截取轮廓线Ｆｉｇ５．５Ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｃｏｎｔｏｕｒｌｉｎｅ发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真５３曲柄连杆机构的曲面重构曲面重构是实现逆向工程中最为重要的一步．因为曲面重构质量的好坏直接关系到产品的质量精度。目前，曲面重构在ｌｍａｇｅｗａｒｅ中主要有以＿ｆｚＪｔ，种方法：（１）构建基本曲面可以以多种方式构建平面、柱面、球面、锥面等基本曲面：（２）由点云直接建立曲面拟合平面、柱面、球面和锥面．或先拟合曲线．再通过Ｌｏｆｔｉｎｇ、Ｂｌｅｎｇ、Ｓｗｅｅｐ等方式构建自由曲面：（３）由点云和曲线拟合曲面用点云数据和边界曲线创建曲面：（４）拟台自由形状曲面将选择的点云拟合为均匀参数化Ｂ－－Ｓｐｌｉｎｅ曲面，拟台蹬置参数包括拟合参数因子、光滑度、标准偏差和坐标系统。曲线的生成和处理ｌｍａｇｅｗａｒｅ提供了多种生成曲线的方法，用户可以根据自己的需要选择生成方法和适当的参数。曲线生成以后．可以用显示法向、曲率半径、控制点的比较等诊断方法判断曲线的光顺性和精确性．并对曲线进行修改。曲面的生成和处理Ｉｍａｇｅｗａｒｅ提供了放样曲面，扫掠曲面，边界曲面，Ｕ、Ｖ方向曲线网格混合曲面，拉伸曲面．旋转曲面等方法生成曲面，也可以结合点和曲线的信息来生成曲面。［ｍａｇｅｗａｒｅ提供了近２０种诊断工具对曲面的光顺性，精确性，连续性进行检验。圈５．６（ａ，ｂ，ｃ）为逆向设计完成的曲柄连杆机构的拟合曲面造型。毋≮矗舟；疑童固●◆ｔ９聋镑二．，＾‘：气＊●ｔ：、毫毒叠柚口ｊ’龟≮≯争寺∥：０－■珏。ｊ一黟毋》≯≯：‘蒯§目＿…一怠—！ｌ竺—坐—１２●】■…＿∽ｒＰ瞧净蔓：＿｜口誉熬鑫｜｜尢琏理ｌ大学专业学位硕十学位论文曼参≯挝口攫飞。聋争奇一ｉ舌《矗．血掣氇零橱●●’９一钮ｊｆ，矗ｉ－一●’．！．翌ｊ∥！虫…■Ｊ｛。！二型』业｝Ｈ一，！”－圈５６曲柄连杆机构曲面拟台造型（ａ，ｂ，ｃ）Ｆｉｇ日５．６Ｔｈｅｃｒｏｏｋｅ士‰ｅｓｃｕｌｐｔｏｆｃｒａｒＩｋ］ｉｎｋａｇｃ＇（ａ，ｂ．ｃ１发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真构造完曲面后，可立即对所构曲面与数据点进行误差分析，并根据误差对每个曲面进行实时的编辑和调整，直至每个凸面达到产品设计要求，然后建立基准面如图５７。将所得曲面转入到实体造型，完成产品设计。图５８（ａ．ｂ）为软件中完成的部分零件实体造型。—墨墨■—墨—墨■皿—互■■—■■■■■■■■■■—■■■■■＿＝划●Ｄｌ’１４＿ＴｍｑＬ＿…·’ｔ·ｃｍ……·ｍｈ’删，Ｈ７㈣毋簧矗鱼ｇ魄国固◆◆冬９一谚ｊｌ≯Ａ。：，嚣▲，ｋ乌管≯艇口厦龟ｏ≯审ｅ∥：－●；；ｄ。｛警拦蛀ｊ一芦？９》≯ｐ：：．晤了ｉ‘二Ｆ瞄雌峙也恕一ｍｈｒ…‘４·ｃ＿·‘……＿‘匿妻ｗ＃ｒ｜’‘’ｒ“ｄ＋＿Ｌ’···‘！！１６ｊＪ“皇生竺二ｊ』！生∑查生竺。‘ｏ‘、＿１９二！＊，。女１…”。－４“日‘ｅ…“图５７曲柄连杆机构建立基准面Ｆｉｇ．５．７Ｂａｓｅｄａｔｕｍｐｉａｎｏｓｃｕｌｐｔｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ大连理Ｉ：人学专业学位硕士学位论文■ｌ·Ｉ……。…’·‘……＿Ⅲ’－…：·■洛。Ｈ，Ｉ·ｔＫ萱笛盛穗参鞋啦由◆◆专９曩镑ｊ｛＇噍。。：：簟ｔ．．乌净≯艇簪礓葛０≯审寺叫ｊ。∞一一ｐ：：二昌＝昌量…“…●…一ｔ－＿’一’一ｔ‘望！划ｉ！！竺ｄ『ｉ…ｉ！Ｍ！Ｊ■一．●ｍ”（ａ）毋鼍盘☆ｇ麓零国◆◆奄谚４够：ｆ，矗：；‘：：■’：、’ｌ拦一陋口ｑ≤陛！—唑ｄＴ』。生。唑！！＿∑：｛’，一！√！ｔ＿，ｓ型！一０７－＂－。。４（ｂ）０●…＿●●ｆ●…ｉ㈡‘：国５８曲柄连杆机构部分实体造型（ａ．ｂ）Ｆｉｇ５．８Ｔｈｅｅｎｔｉｔｙｐａｒｔｍｏｄｅｌｉｎｇｓｃｕｌｐｔｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ（ａ，ｂ）发动机曲柄迕杆机构二维建模与性能仿真本零件的逆向成型方法为：在［ｍａｇｅｗａｒｅ中利用其曲面构造工具迓一构造出产品的主要轮廓面，构造完曲面后，可立即对所构曲面与数据点进行误差分析．并根据误差对每个曲面进行实时的编辑和调整，直至每个曲面达到产品设计要求，然后将所得曲面转入ｕＧ系统进行圆角等细节设计，最后完成产品设计。图５９为在ｕＧ软什中最后完成的零件实体造型。、ｕ砷－，、ｘｎｏ瞳Ｊ，雹Ｆ—ｅ、ｏ，自－一ｑ－＿：一《一、．峥匀以：酗５９曲柄连杆机构的实体造型Ｆｉｇ．５．９Ｔｈｅｅｎｔｉｌｙｍ０（ｔ＋ｔｉｎｇｓｃｕｌｐｔｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ５４本章小结逆向工程在曲面零件开发中的应用研究，主要部分是零件的曲面重构。本章在分别介绍了逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ的特点后．以曲柄连杆机构为例，给出了曲面零件的设计思路，通过激光扫描获得点云，分别介绍了对于曲面零件的点云获取、点云预处理的过程。在本章中提出综合使用点云与曲线拟合的方法进行曲面重构，通过逆向工程软件Ｉｍａｇｅｗａｒｅ，成功地得到了曲柄连杆机构的高质量曲面造型。大连理工大学专业学位硕士学位论文６采用ＡＤＡＭＳ对发动机曲柄连杆机构动力学的仿真研究６．１仿真分析软件ＡＤＡＭＳ简介ＡＤＡＭＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ动力公司（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉＳｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）软件是由美国机械ＤｙｎａｍｉｃｓＩｎｃ．）开发的机械系统动力学仿真分析软件它使用交互式图形环境和零件库，约束库，力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析，输出位移，速度，加速度和反作用力曲线。ＡＤＡＭＳ软件的仿真可用于预测机械系统的性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ＡＤＡＭＳ软件包括核心模块ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ和ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ，以及其他扩展模块１３引。ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库，约束库和力库，将便捷的图形操作，菜单操作，鼠标点取操作与交互式图形建模，仿真计算，动画显示，优化设计，Ｘ－Ｙ曲线图处理，结果分析和数据打印等功能集成在一起。ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ（求解器）是ＡＤＡＭＳ软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学，运动学和动力学的解算结果。ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ（控制模块）可以通过简单的继电器，逻辑与非门，阻尼线圈等建立简单的控制机构，或者利用在通用控制系统软件（如：ＭＡＴＬＡＢ，ＭＡＴＲＩＸ，ＥＡＳＹ５）中建立的控制系统框图，建立包括控制系统，液压系统，气动系统和运动机械系统的仿真模型。ＡＤＡＭＳ／Ｌｉｎｅａｒ（系统模态分析模块）可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率（特征值），特征向量和状态空间矩阵，更快更全面地了解系统的固有特性。ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ（柔性分析模块）提供ＡＤＡＭＳ软件与有限元分析软件之间的双向数据交换接口。利用它与ＡＮＳＹＳ，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，ＡＢＡＱＵＳ，Ｉ—ＤＥＡＳ等软件的接口，可以方便地考虑零部件的弹性特征，建立多体动力学模型，以提高系统的仿真精度。ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ／Ｐｒｏ（Ｐｒｏ／Ｅ接口）是连接Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＤＡＭＳ之间的桥梁，二者采用无缝连接的方式，不需要退出Ｐｒｏ／Ｅ应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查，确定运动锁止的位置，计算运动副的作用力等等。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ（轿车模块）是ＭＤＩ公司与Ａｕｄｉ，ＢＭｌ｜Ｉ『，Ｒｅｎａｕｌｔ和Ｖｏｌｖｏ等公司合作开发的整车设计模块，它能够快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身，悬架，传动系统，发动机，转向机构，制动系统等，可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下（例如：天气，道路状况，驾驶员经验）整车的动力学响应，并输出标志操纵稳定性，制动性，乘坐舒适性和安全性的特征参数。ＡＤＡＭＳ／Ｄｒｉｖｅｒ（驾驶员模块）是在德国的ＩＰＧ－Ｄｒｉｖｅｒ基础上，经过二次开发而形成的成熟产品，它可以确定汽车驾驶员的行为特征，确定各种操纵工况（例如：稳态转向，转弯制动，ＩＳＯ变线试验，侧向风试验等），同时确定转向盘转角或转矩，加速踏板位置，作用在制动踏板上的力，离合器的位置，变速器挡位等，提高车辆动力学仿真的真实感。ＡＤＡＭＳ／Ｄｒｉｖｅｒ还可以通过调整驾驶员行为适应各种汽车特定的动力学特性，并具有记忆功能。ＡＤＡＭＳ／Ｒａｉｌ（铁道模块）是有美国的ＭＤＩ公司，荷兰铁道组织（ＮＳ），Ｄｅｌｆｔ工业大学以及德国ＡＲＧＥＣＡＲＥ公司合作开发的，专门用于研究铁路机车，车辆，列车和线路相互作用的动力学分析软件。利用ＡＤＡＭＳ／Ｒａｉｌ可以方便快速地建立完整的，参数化的机车车辆或列车模型以及各种子系统模型和各种线路模型，并根据分析目的不同而定义相应的轮／轨接触模型，可以进行机车车辆稳定性临界速度，曲线通过性能，脱轨安全性，牵引／制动特性，轮轨相互作用力，随机响应性能和乘坐舒适性指标以及纵向列车动力学等问题的研究。６．２仿真模型建立在ＡＤＡＭＳ环境下，用本身提供的部件库、约束库、运动发生器、广义力和力矩产生系统模型，并定义活塞组、连杆组和曲轴组的质量、惯量矩阵、刚体坐标和质心位置。刚体转动惯量矩阵各元素可通过实验测试和理论计算的方法来确定，而通过ＵＧ软件分析模块中的质量特性分析功能来确定也是一种有效的方法。实验测试的方法较繁琐，易受到条件的；理论计算的方法对形状规则的刚体比较容易计算，对于形状不规则的刚体，计算过程非常复杂，要用积分的近似计算方法来计算：用ｕＧ软件来计算，则基本不受条件的１３６．２．１６。。系统运动约束的确定在虚拟样机软件ＡＤＡＭＳ中，一个系统需要通过给定约束才能最后完成它的仿真模拟试验。在该曲柄连杆机构动力学虚拟样机模型中，各部件之间的约束是根据物理样机模型的约束关系来直接定义的，各部件之间的约束关系由表６．１给出。大连理工大学专业学位硕七学位论文表６．１Ｔａｂｌｅ．６．１曲柄连杆机构各部件间的约束关系Ｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅ６．２．２曲柄连杆机构几何模型建立利用虚拟样机技术进行发动机开发是现代发动机设计方法之一，其重点是建立发动机的计算机虚拟样机模型。即在无物理样机的初始开发阶段，及时获得所选方案的机构运动特性。应用ＡＤＡＭＳ可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。虚拟样机建模包括建立几何模型和施加约束机构。在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中有一个几何建模工具集，提供了若干常用的参数化基本形体图库，可以非常方便地绘制一些基本形体，然后通过组合工具和一些其它的细节结构处理工具就可获得复杂的几何形体。另外在建模过程中或建模结束后，还可修改构件的几何形体、质量、转动惯量和惯性积、初始速度、初始位置和方向等。此外还可以在Ｐｒｏ／Ｅ和ＵＧ下进行三维实体建模，然后输送到ＡＤＡＭＳ下进行运动学和动力学分析（３７１。本章所分析的机构由活塞组、连杆组和曲轴组等三大部件组成。其中活塞组包括活塞、活塞销、活塞环、挡圈等零件；连杆组包括连杆体、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆盖、套筒等：曲轴飞轮组包括曲轴、正时齿轮、飞轮、皮带轮、飞轮螺母、螺栓等。用ＵＧ构造上述零件的三维实体模型，得到相应的部件，如图６．１、６．２、６．３、６．４所示。发动机曲柄迕轩机构。维建模与性能仿真幽６ｌ活塞组Ｆｉｇ６１Ｐｉｓｔｏｎｇｒｏｕｐｓ圈６２连料组Ｆｉｇ６．２Ｌｉｎｋａｇｅｇｒｏｕｐｓ圈６３曲轴纽Ｆｉｇ６．３Ｓｐｉｎｄｌｅｇｒｏｕｐｓ母幽６４曲轴Ｅ轮组Ｆｉｇ６．４Ｓｐｉｎｄｌｅ－ｆｌｙｗｈｅｅｌｇｒｏｕｐｓ６３曲柄连杆机构动态特性的仿真分析１评价指标体系的建立本章采用多刚体动力学模拟方法，研究单缸发动机曲柄连杆机构运动过程中的不平６３衡惯性力及其对机体振动的影响。在运动过程中，当机构所产生的惯性力较小且变化平稳时，对机体产生的干扰力就小，从而引起发动机的振动就小；反之，发动机的振动就大，噪音也大。根据第二章对曲柄连杆机构动力学的理论分析，曲柄连杆机构不平衡惯性力对机体的作用可用沿气缸轴线方向的纵向干扰力Ｆ，、垂直气缸轴线的横向干扰力Ｆ，及翻倒力矩Ｍ来描述：Ｅ＝只一Ｃ（６１）大连理Ｉ：大学专业学位硕七学位论文ｅ＝ＥＭ＝Ｆ．Ｌ（６．２）（６．３）在曲柄连杆机构多刚体动力学模拟中定义活塞对机体的侧推力Ｆ。、曲轴对机体沿气缸中心线方向的作用力Ｆ：、曲轴沿垂直于气缸中心线方向对机体的作用力Ｆ。和Ｍ作为模拟的输出，模拟结果以其动态变化曲线或模拟的瞬时值在显示屏上显示。此外，利用图表输出（ＥｘｐｏｒｔＭｅｔｅｒ）命令可以将模拟结果以文章形式输出。６．３．２多刚体动力学模拟结果与理论计算结果的比较为了检验所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型的可靠性，首先以桑塔纳轿车中曲柄连杆机构的简化模型为例，对用多刚体动力学模拟及用传统的理论计算方法得到的结果进行了比较研究。其中理论计算法按第二章第三节给出的简化模型计算公式计算，模型参数选自《发动机设计手册》上册所给的算例。简化模型的往复运动质量ｍｊ－１．９９５Ｋｇ，旋转运动质量ｍ，＝１．８１１Ｋｇ，连杆长度ｌ＝２１０ｍｍ，曲轴半径ｒ＝５７．５ｍｉｌｌ。模拟计算法采用多刚体动力学分析模型，模拟往复惯性力Ｐ，时，将连杆组件、曲轴定义为无质量的刚体，则两者的质量和转动惯量近似为零。活塞组的质量定义为往复运动质量，模拟所得机构在Ｚ方向的力Ｆ：即为往复惯性力Ｐ。。模拟离心惯性力Ｐ，时，将活塞组件和连杆组件定义为无质量的刚体，曲轴质量定义为旋转运动质量，质心在曲柄中心，即Ｘ＝Ｏ，Ｖ＝Ｏ，Ｚ一５７．５ｍｍ。测的曲柄连杆机构对机体的作用力Ｆ，、Ｆ：，求得机构的离心惯性力Ｐ，：ｌ／Ｐ＝（Ｚ２＋Ｆ２１／２（６．４）从图６．５到６．８为模拟过程与计算结果的比较，主要有活塞运动速度、加速度、曲柄连杆机构往复惯性力、离心惯性力。从图中可以看出，用这两种方法所得到的结果非常～致，说明所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型是可靠的，用多刚体动力学模拟方法能得到精确可靠的结果。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真ＩＳ１０．一仁＼、零…／一ｌ三糍ｌ…”一一－／＼ｏ－ｌ＇一＼＼ｑＯ＼／ｑＳ＼一／／ｊＯ●Ｓ∞Ｉ笛ｌ∞２Ｔ０翻糟转砖口，。图６．５活塞运动速度计算与模拟结果比较Ｆｉｇ．６．５Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｉｓｔｏｎ’Ｓｓｐｅｅｄａｎｄｃｏｍｐａｄｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ翟均由２嗍时弋二＿一Ｅ掣ｉ一－‘．．．．．。。．。。．一＼…．一～一■：／－１．。一＼／Ｏ一＼……＼一／鹤煅景艄挈｝＼／／一３０∞０●Ｓ明１３Ｓｌ∞２１０３ＩＳ韵弦祷角口，．图６．６活塞运动加速度计算与模拟结果比较Ｆｉｇ．６．６Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｉｓｔｏｎ’Ｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ一５２一大连理工大学专业学位硕七学位论文ＯＯＯＯＯ●４●毒ＳＳＳＯ０Ｏｅｎ５蠡Ｏ图６．７离心惯性力计算与模拟结果比较Ｆｉｇ．６．７Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｅｎｔｅｒ—ｏｆｆｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ毪芒鲁嫠謦奠托图６．８往复惯性力计算与模拟结果比较Ｆｉｇ．６．８Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｏ·ａｎｄ·ｆｒｏｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ６．３．３曲柄连杆机构多刚体动力学模拟结果分析将曲柄连杆机构质量特性参数输入所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型中，获得用曲柄连杆机构多刚体动力学模型模拟得到对机体的干扰力Ｆ，、Ｆ，、合力ｌＦｌ和翻倒力矩Ｍ（见图６．９）。由图中可以看出，横向干扰力Ｆ，的峰值较小，为５８８Ｎ，此向横向干扰力较小，引起机体的横向振动小，离心惯性力近似于完全平衡；纵向干扰力Ｆ：峰值较大，为５４４９Ｎ，即此时的往复惯性力较大，机体的纵向振动大，说明只用平衡块不能完全平衡往复惯性力；由于往复惯性力较大，导致合力ＩＦＩ的峰值较大，为５４５０Ｎ；翻倒力矩Ｍ的值与活塞对气缸壁的侧推力Ｆ。和Ｆ．的作用点到曲轴旋转中心的距离有关。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真．··－ｏＦｘ／！嬲Ｒ一Ｆ∥ＨＩ川【／ＩＩ．－－－－－－ＩＦｌ／耳茬鬣餐霉咖塞鏊嚣豁壤孝蠡转翔ａ少图６．９Ｆｉｇ．６．９曲柄迮杆机构多刚体动力学模型模拟得到的对机体的干扰力Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｒｏｍｃｒａｎｋｌｉｎｋａｇｅｍｕｌｔｉ·ｓｕｂｓｔａｎｃｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌ６．４简化模型计算结果误差的模拟研究如前所述，由于理论计算公式实在太复杂，发动机设计工程师在设计时，一般将曲柄连杆机构中的连杆和曲轴按静力等效的原则进行简化；即连杆的分布质量简化为位于连杆小头和大头中心处的两个集中质量，曲轴的质量用位于曲柄销中心处的质点替代。经过这种质量代换，曲柄连杆机构的惯性力简化为沿活塞运动方向的往复惯性力和绕曲轴旋转中心的离心惯性力。静力等效法尽管大大地简化了惯性力的计算过程，但也带来了计算误差。本节用所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型对简化模型和非简化模型计算结果的差异进行研究，以期评判简化模型计算结果的误差。６．４．１曲柄连杆机构多刚体动力学模拟结果分析非简化模型的质量特性参数见表６．２。简化模型的质量特性参数以非简化模型的质量特性参数为基础，用第二章第三节简化模型质量特性参数计算公式计算得到，结果见表６．３。由于简化模型各组件的质量均为集中质量，表中各组件的转动惯量均取为０。因１Ｉ＇Ｍ３ｄ软件中各刚体的质量特性参数不能为Ｏ，故在模型参数实际输入过程中取为很小的值即可。曲轴质心位置是将连杆大头质量（１．４００９Ｋｇ）加到曲轴质量（１２．６４９Ｋｇ）上，经过质量换算求得。大连理Ｔ大学专业学位硕士学位论文表６．３简化模型质量特性参数Ｔａｂｌｅ．６．３Ｑｕａｌｉｔｙｉｄｅｎｔｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄｍｏｄｅｌ６．４．２简化模型计算结果误差将非简化模型和简化模型的质量特性参数分别输入到所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型中，模拟了曲柄连杆机构对发动机机体的作用力Ｆ，、Ｆ：和翻倒力矩Ｍ。模拟中曲轴转速仍取为（２０００转／分）。模拟计算结果见图６．１０至６．１２。表６．４给出了用简化模型模拟得到的作用力Ｆ，、Ｆ。和翻倒力矩Ｍ在峰值点附近的相对误差。从图和表中可以看出，用两种模型模拟得到的干扰力Ｆ。、Ｆ：和翻倒力矩Ｍ的变化趋势基本一致：就幅值而言，干扰力Ｆ。相差不大，而干扰力Ｆ，和翻倒力矩Ｍ则存在明显的差异，尤其是干扰力Ｆ，，其在曲轴转角Ｑ＝１２００和Ｑ＝２３４０时的峰值误差高达３５．２％和２８．８％。因此，在发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真对曲柄连杆机构进行粗略的动力学分析时，可以采用简化模型；如果需要对惯性力进行精确的计算，对曲柄连杆机构进行更精确的平衡，则应考虑简化模型可能带来的计算结果的误差，寻求更精确的计算理论和方法。简化．非衙化＼‰嚣十娜耄姗啪。踟㈣姗撇曲轴转角口／口图６．１０用简化与非简化模型模拟得到的干扰力ＦｖＦｉｇ．６．１０Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅ－Ｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｒｏｍｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｍｏｄｅｌ…··简化＼、ＮＺ‰～非简化柏∞∞加穴器＊加∞∞柏∞∞阳０４ｆｉ９０１３５１８０２２５２７０３１５３６０曲轴转角ｎ／口图６．１ｌＦｉｇ．６．１ｌ用简化与非简化模型模拟得到的干扰力Ｆ：Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅ－Ｚｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｒｏｍｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｍｏｄｅｌ大连理。Ｊ：人学专业学位硕十学位论文２．６０Ｅ＊０５２．ＯＯＥ·０５－…·简化昌１．６０Ｅ＇ｔ０５、ｚ１．ＯＯＥ＊０５～非简化≤５．ＯＯＥ，０４掣０．ＯＯＥ＇００午３－６．００Ｅ＋０４蕊－Ｉ．ＯＯＥ＋０５霜－．２１．．５岫０Ｅ＋ＯＤＳ５—２．５０Ｅ，Ｏｆｆ１３５１８０２２５２７０３１５３６０曲轴转角ｏ／ａ图６．１２用简化与非简化模型模拟得到的翻倒力矩ＭＦｉｇ．６．１２Ｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔ－Ｍｓｉｍｕｌａｔｅｄｆｒｏｍｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｍｏｄｅｌ表６．４简化与非简化模型对机体作用力Ｆｖ、Ｆｚ和翻倒力矩Ｍ误差对比Ｔａｂｌｅ．６．４Ｅｒｒｏｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｍｏｄｅｌｉｎｆｏｒｃｅ·Ｙ．ｆｏｒｃｅ－Ｚａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔ·Ｍ平衡曲柄连杆机构惯性力最简单的方法是在曲柄臂上敷加平衡块。影响敷加平衡块曲轴质心位置对发动机干扰力的影响曲轴质心的位置用其在曲轴固连坐标系中的坐标Ｘ、Ｙ、Ｚ表示，其中Ｘ坐标沿曲轴６．５曲柄连杆机构的参数优化效果的主要因素有平衡块的几何形状和质量分布，反映在多刚体动力学模型的模型参数上即为曲轴的质量特性参数，包括质心位置、质量大小和曲轴绕质心的转动惯量。分析研究这些参数与曲柄连杆机构惯性力之间的关系，对于曲柄连杆机构平衡方案的选择及相关参数的优化具有重要的意义。本节利用所建立的曲柄连杆机构多刚体动力学模型模拟研究了平衡块质心位置、质量大小和曲轴绕质心的转动惯量与曲柄连杆机构对机体的干扰力Ｆ，、Ｆ：和翻倒力矩Ｍ之间的关系。６．５．１旋转中心线方向，其值对曲柄连杆机构惯性力没有影响，由于曲柄臂及平衡块结构的对发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真称性，Ｙ坐标一般近似为０，在模拟过程中不予考虑，而Ｚ坐标值表述了曲轴质心偏离曲轴旋转中心线的程度，即Ｚ值的改变对曲柄连杆机构惯性力产生影响，故在模拟过程中只考虑Ｚ值的变化。模拟过程中，保持其它模型参数不变，只改变Ｚ坐标值，令其在一５ｍｍ’２５ｒａｍ之间变化，考察曲柄转角在０。３６０。范围内，干扰力Ｆ，、Ｆ。、合力ＩＦＩ、翻倒力矩Ｍ的变化规律。Ｚ值的步长取为ｌｍｍ，在模拟结果变化急剧的区域，缩小Ｚ值的步长，取为０．５ｍｍ，值为负值表示质心位于曲柄销一侧。Ｚ图６．１３所示为干扰力Ｆ，、Ｆ：、合力ｌＦｌ、翻倒力矩Ｍ最大峰值的绝对值随ｚ值的变化规律。由图可以看出：１．横向干扰力Ｆ。的峰值Ｆ，。，、纵向干扰力Ｆ，的峰值Ｆ犯，及其合力ｉ州的峰值Ｉ州。。。的变化曲线均为Ｖ形折线：２．在Ｚ＝６．５ｆｉｌｍ左右，Ｆ岫的值最小见图６．１４（ａ），为１４６Ｎ，此时，离心惯性力近似于完全平衡；３．在Ｚ＝ｌＳｍｍ左右，Ｆ抽，有最小值见图６．１４（ｂ），为１４７１Ｎ，随着Ｚ值的增加或减小，Ｆ弛的值均急剧增加，意味着单靠敷加平衡块不可能完全平衡往复惯性力；４．在Ｚ＝１１．５ｍｍ时，ＩＦＩ。，有最小值见图６．１４（ｃ），为３３０７Ｎ，进一步的考察Ｆ，和Ｆ。随Ｚ值的变化曲线可以发现，此时６，和Ｆ：，变化曲线的幅值比较一致，意味着机体的纵向干扰力Ｆ：和横向干扰力Ｆ，的大小接近。５。随着Ｚ值的变化，翻倒力矩Ｍ的峰值‰，为水平直线，即Ｚ的改变对翻倒力矩Ｍ没有影响。ｌＩＩ８６￡．、＋ｆＦｖｋｘ／Ｎ—．－ｉＦｚｌｍａｘ／Ｎ。‘】４２Ｏ删毫∞渊∞叫睨饨ｒ∞苦化叱呃饨饨∞伽们∞们∞∞∞、．．ｐ，ｊｒＪ＼—、．．∥一一ｒ－Ｘ／一＼．·．—■…．．，●．．．．．．．Ｉ’■．．．．——ｒ—－ｌＫｌ缸兀／Ｘ·ｎ—＊ｌｒｌ＝ａｘ／Ｎｒ、、、．９１１１３１５】７１９２Ｊ２３２５ｚ／瑚图６．１３干扰力、翻倒力矩的峰值曲线图Ｆｉｇ．６．１３Ｐｅａｋ—ｖａｌｕｅｇｒａｐｈｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔ大连理１：大学专业学位硕士学位论文……Ｆｚ／Ｎ８．００Ｅ＋０３６．ＯＯＥ，－０３４．００昏０３２．ｏｏＥ·０３、＼＼Ｏ．ＯＯＥ·ＯＤ－２．ＯＯＥ·０３－４，ＯＯＥ＋０３＼／．．一一＼＼／／厂一艮／Ｎ－－＿＿‘【／Ｎ·ｍ—ＪＦＪ／Ｎ－６．ＯＯＥ＇０３·Ｂ．ＯＯＥ＊０３０４５９０１３５１８０２２５２７０３１５３６０曲轴转角口，－（ａ）Ｉ＝６．５ｒａｍ－－·－－Ｆｚ／Ｎ８．００Ｅ－－０３６．∞￡·０３４．ＯＯＥ＋０３—ｌＩ／Ｎ·ｍ一一Ｒ／Ｎ一一·一·ｆＦＩ小２．ＯＯＥ＊０３Ｏ．ＯＯＥ＋００—２．∞Ｅｔ０３—４．ＯＤＥ＋∞．－６．ＯＯＥ＋０３－８．ＯＯＥ＋０３０４５９０１３５１８０２２５２７０３１５３６０曲轴转向ａ，ｏ（ｂ）Ｚ＝ｌＳｍｍ…－·Ｆｚ／Ｎ８．００Ｅ·０３６．ＯＯＥ＋０３４．ＯＯＥ＋０３２．ＯＯＥ＋Ｄ３Ｏ．Ｏ漉ｆｏｏ－２．ＯＯＥ，０３—４。ＯＯＥ，ｔ，３－６．ＯＯＥ·０３１＼。·’一．．·’７—’１●－●●＿＿＿－－－－＿ｒ０４５９０．．’？”～～··２：ｋ。∥。“…‘：·．一、一·一ｒ—ｉｉｗ日／１４－－－—·－一ｌｌ／Ｎ·皿一一ｌＦｌ／Ｎ－８．ＯＯＥ，０３１３，５】８Ｄ２２５２７０３１５３６０曲轴转角ｏ／ｏ（Ｃ）Ｚ＝ｔ１．５ｍｍ图６．１４对机体的干扰力和翻倒力矩（乱ｂ，ｃ）Ｆｉｇ．６．１４Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｒｌｔｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅ札ｂ，ｃ）一５９．发动机曲柄迮杆机构二维建模与性能仿真６．５．２曲轴质量对机体干扰力的影响模拟过程中，保持其它参数不变，只改变曲轴的质量，使质量在５Ｋｇ。３０Ｋｇ之间变化，考察曲柄转角在∥３６０。范围内，作用力Ｆ，、Ｆ：、合力ｌＦ｝、翻倒力矩Ｍ的变化规律。模拟的步长取为１Ｋｇ。图６．１５所示为干扰力Ｆ。、Ｆ：、合力ＩＦＩ、翻倒力矩Ｍ最大峰值的绝对值随曲轴质量【Ｉｌａ的变化规律。由图可以看出：１．横向干扰力Ｆ，的峰值Ｆ，。，、纵向干扰力Ｆ：的峰值Ｆ钿，及其合力ｌＦｌ的峰值ｌＦｌ。，的变化曲线均为Ｖ形折线；２．在【ｌｌａ＝１１Ｋｇ左右，Ｆ№，的值最小见图６．１６（ａ），为１１５Ｎ，此时，离心惯性力近似于完全平衡；３．在ｍ。＝２５Ｋｇ左右，Ｆ…，的值最小见图６．１６（ｂ），为２５９２Ｎ，意味着单靠敷加平衡块不可能完全平衡往复惯性力；４．在ＩＩｌｑ＝１９Ｋｇ时，Ｊ，Ｉ。，有最小值见图６．１６（ｃ），为３４０１Ｎ，进一步的考察Ｆ，和Ｆ。随Ｚ值的变化曲线可以发现，此时Ｆ。和Ｆ。的变化曲线的幅值比较一致，意味着机体的纵向干扰力Ｆ：和横向干扰力Ｆ，的大小接近；５．随着ＩＩｌｑ值的变化，翻倒力矩Ｍ的峰值Ｍ憾；为水平直线，即【【１日的改变对翻倒力矩Ｍ没有影响。—◆一１Ｆｐｌｍ，ｘ／Ｎ—和１ｌ：ｚ｛ｍｘ／，ｉｉ＋＋＋——·一１Ｍｌ硇ｘ／Ｎ·曩—Ｘ—ｌＦｌＩＱ髓ｔＸ，ＩＮ￡￡ＥＥＥＥＥ口；＆＆重文幺Ｌｎ彗眦啷呲眦Ｂ眦嘶∞∞∞∞∞∞∞∞Ｅ曲轴质量ｍ／ｊ（ｇ图６．１５干扰力Ｆ。、Ｆ：和翻倒力矩Ｍ峰值曲线图Ｆｉｇ．６．１５Ｐｅａｋ－ｖａｌｕｅｇｒａｐｈｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅ—Ｙ＆Ｚａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔ—Ｍ大连理工大学专业学位硕士学位论文…··Ｆｚ／Ｎ段Ｒ摹置８，００昏０３６．ＯＯＥ＋０３４．ＯＯＥ＊０３２。ＯＯＥ＊０３———－两／ＮＲ嚣“０．ＯＯＥ＊００－２．ＯＯＥ＊０３一★Ｉ／Ｎ·啊一·一·ｌＦｌ／Ｎ０盆－４．００Ｅ＋０３蕊—６．ＯＯＥ＋０３喜靛一Ｂ．００Ｅ＇－０３４５９０１３５１８０２２ｆｉ２７０３１５３６０曲轴转角ａ产（ａ）ｍ。＝１１Ｋｇ段８．ＯＯＥ＊０３≥６．ＯＯＥ＊０３蠢４．ＯＯＥ＊０３，２．ＯＯＥ，０３一两／Ｎ３６０…一·Ｆｚ／Ｎ－·——·—一＿／Ｎ·ｍ一一—··－一－ＩＦＣ／Ｎ妄０．ＯＯＥ·００第．２．００Ｅ＋０３ｇ一４．ＯＯＥ，０３ｏ一６．ＯＯＥ，０３雷一８．ＤＯＥ．．０３Ｄ４５９０１３５１８０２２５Ｐ２７０３１５哉轴ｊＦ；角ｄ（ｂ）Ｉｌｌｑ＝２５Ｋｇ翟８．ＯＯＥ＋０３菇６．ＯＯＥ＋０３嚣４．００Ｅ＋０３ｈ…·－Ｆｚ腿一ｂ／Ｎ０４５－－－－＇－－－Ｍ／Ｎ·ＩＩＩ２．ＤＯＥ＋０３芷．２．ＯＯＥ＊０３兰．６．ＯＯＥ＊０３妥０．ＯＯＥ＋００窨·４．００Ｅ＋０３—一一一ｌＦｌ／Ｎ暑一８．００Ｅ＋０３９０１３５１８０２２５２７０３１５３６０曲轴转角ａ，ｏ（ｃ）ｍ。＝１９Ｋｇ图６．１６对机体的干扰力、翻倒力矩（ａ、ｂ、Ｃ）Ｆｉｇ．６．１６Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅ乜ｂ，Ｃ）一６ｌ－发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真６．５．３曲轴质心位置与质量同时改变对机体干扰力的影响上述两种方法均是在改变曲轴质量特性参数中的一个参数时，干扰力Ｆ，、Ｆ。、合力ｌＦｌ、翻倒力矩Ｍ随曲轴转角的变化规律，从中可以看出改变曲轴质心位置和改变曲轴质量ＩＩｌｑ的变化对其影响敏感一些。本节考虑同时改变曲轴质心位置和质量对机体干扰力的影响，模拟过程中，保持其它参数不变，分别取干扰力Ｆ，、Ｆ：、合力ＩＦｌ在质量不变其值取得峰值最大值时的Ｚ值（６．５ｍｍ，１１．５咖，１５ｒａｍ），改变曲轴位置，考察曲柄转角０“３６０度范围内，干扰力Ｆ，、Ｆ：、合力ｌＦｌ、翻倒力矩Ｍ的变化规律。图６．１７为干扰力Ｆｖ、Ｆ；、合力ｌＦｌ、翻倒力矩Ｍ最大峰值的绝对值随曲轴质量ＩＩｌｑ的变化规律。—·一ｌ艮ｌｍａｘ／Ｎ９０ＯＥ８Ｏ０Ｅ７０ＯＥ—·一Ｉ艮Ｊｍａｘ／Ｎ—卜ＩＭｆｆｆｌａｚ／Ｎ·口—＊－－ＩＦＩｍａｘ／Ｎ６００Ｅ５Ｏ８Ｅ４００Ｅ３ＯｄＥＯＯＥ００Ｅ２●０ＯＯＥ∞吣∞∞∞∞６８ｌＯ１２１４１６１８２０２２２４２６２８３０３２３４３６曲轴质量ｍ／Ｋｓ９Ｄ０‘ｕ０３８Ｏ０Ｅ０３Ｄ０Ｅ０３ＤｄＥ０３十ｌＳ＋ｆ凡Ｉ啦】【／Ｎｉｍａｘ／Ｎ７５—，－＿一ｌＭｔｍｘ／Ｎ·ｍ６０ＯＥ＋●０３—＊ｌＦｌｍａｘ／Ｎ４Ｏ０ＥＯ３３Ｏ０Ｅ０３Ｏ０ＥＯ３Ｏ０Ｅ０３２●ＯＯａＥＯＯ０１２３４６６７８９】０ｌ】１２１３１４１６１６１７１８１９曲轴质量ｌｎ／ｌ【甚（ｂ）Ｚ＝１１．５ｒａｍ大连理１＝大学专业学位硕士学位论文——．＿一ＪＦ，；ｍａｘ／Ｎ９００ＥＯ３８０ＯＥＯ３７ＯＯＥＯ３Ｘ～．６００ＥＯ３、５Ｏ０ＥＯ３４０００３３ＯＯ１ｋ一－∥，、．．／厂’、Ｉ９１０ｌｌ／Ｊ×—－ｌＦｚＩｍｘ／Ｎ－－－Ｒ－－｛Ｆｌ雎ｘ用—扣ＪＭＩｍｘ／Ｎ·ｍＯ３、■扩≯ｒＩｊ，。｜羞ｒ／’ＯＯＥ￡Ｅ０３Ｄ０Ｅ０３～０１／ｌ＇ｒ１＼．—．／．．．．．．．．．４６６７８２】０ＯＯＥＯＯ２３１２１３１４１５１６１７１８１９曲轴质量ｍ．／Ｉｑ（ｃ）Ｚ＝１５ｍｍ图６．１７干扰力Ｆｖ、Ｆｚ和翻倒力矩Ｍ峰值曲线图（ａ、ｂ、Ｃ）Ｆｉｇ．６．１７Ｐｅａｋ·ｖａｌｕｅｇｒａｐｈｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｆｏｒｃｅ·Ｙ＆Ｚａｎｄｔｉｐｐｉｎｇｍｏｍｅｎｔ—Ｍ＠ｂ，Ｃ）由以上可以看出，保持其它参数不变，同时改变曲轴质心位置和质量，对干扰力Ｆ，、Ｆ：、合力Ｉ，Ｉ、翻倒力矩Ｍ最大峰值的绝对值的变化规律与只改变其中一个参数的变化规律相似。此外，模拟中改变曲轴绕质心的转动惯量，其结果对机体的干扰力没有影响。其质心位于惯性力和惯性力矩最小的位置。６．６参数优化结果分析以上所有数据，得到当Ｚ：６．５ｍｍ，ｎｆｌｑ＝２２Ｋｇ时，合力ｌＦｌ。。有最小值，为３２９５．５２Ｎ；当Ｚ＝Ｉ１．５ｍｍ，ＩＩｌｑ＝７Ｋｇ时，横向干扰力ＩＦ。Ｉ。。有最小值为６８．６８Ｎ：当Ｚ＝１５ＩＴｌ０＝１２．６４９Ｋｇ时，纵向干扰力ＩＦ：ｌ。。有最小值为１４７１．１Ｎ。ｍｍ，综上所述，通过改变曲轴的质量特性参数（曲轴质心Ｚ值和曲轴质量ＩＴｌｑ）可以改变曲柄连杆机构对发动机机体的干扰力Ｆ。、Ｆ。和翻倒力矩Ｍ，实现机构离心惯性力的完全平衡和往复惯性力的部分平衡。在传统设计中，通常在不增大曲轴箱尺寸的条件下，应尽量使平衡块的质心远离曲轴旋转中心线，可以通过改变曲轴材料、改变平衡块的形状、在平衡块上挖孔或埋入不同材料的金属、在与敷设平衡块的方位相差１８０。的位置上开挖孔穴来减轻曲轴重量等来实现机体干扰力晟小。此外，还可以增加平衡轴装置更好的平衡往复惯性力，由于平衡轴装置比较复杂和条件的，在此不予详细研究。此外，曲轴上装有飞轮、皮带轮、正时齿轮时，机体所受干扰力的变化规律与不加飞轮等组件是一样的，在此不再详细说明。发动机曲柄连杆机构二维建模与性能仿真６．７本章小结本章建立了发动机曲柄连杆机构多刚体动力学特性的仿真模型，在ＡＤＡＭＳ环境下研究了在不考虑缸内气体压力、摩擦阻力、作用在发动机曲轴上的负载阻力影响的情况下，曲柄连杆机构的往复惯性力、离心惯性力对机体产生的横向干扰力、纵向干扰力和翻倒力矩，以及惯性力的平衡问题。研究结果表明：改变曲轴质心的位置与质量的大小对机体的干扰力有不同程度的影响，其中质心的位置对惯性力平衡有较大的影响。与其他方法相比，采用ＡＤＡＭＳ软件能帮助工程技术人员方便、快捷、准确地得到机构的运动与动力数据；通过改变曲轴的质量特性参数，可以观察对机构运动和机体干扰力的不同程度的影响，能为机构的选型和优化设计提供参考依据。
