（轮机工程专业论文）4110柴油机进气歧管进气回流数值仿真及优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着7 0 年代能源危机的爆发，人们越来越重视发动机的经济性，而随着各 国环保意识的日益增强，为了减少大气污染，发动机的排放性能获得越来越高 的重视。进气道是内燃机的重要组成部分，一定程度上影响充气效率，并直接 影响后期的燃烧质量及排放物的生成。因此，对进气道的研究一方面可以提高 内燃机自身的性能。一方面也是对环境保护的需要。但由于进气道自身的复杂 性，及传统研究方法的盲目性和局限性，故存在设计开发周期长、耗费大等缺 点。计算机技术在发展，计算流体动力学( c f d ) 现己成为解决各种流体流动与 传热问题的强有力工具。把强大的计算机功能加在实际内燃机研究这个载体， 可以使得研究具有设计成本低、周期短的特点。 进气歧管作为进气系统的一部分，对充气效率的影响也必定存在一定的规 律。本文以4 1 1 0 柴油机进气系统的进气歧管为主要研究对象，利用c f d 软件研 究该柴油机在歧管中的进气回流过程，目的是探讨进气歧管回流对充气效率的 影响规律，并借此提高内燃机性能，为相关研究提供了参考依据。 本文首先回顾了内燃机中对进气道研究的发展和现状，接着对c f d 的基础 知识及所使用的c f d 软件f l u e n t 的基础进行了简单的介绍。通过对f l u e n t 的计算流程及边界条件的介绍，确定下所需要完成研究目标的大致流程。 按照流程，先根据逆向工程，利用三坐标测量机得到气道模型的点云图， 使用三维工程设计软件u g 获得了柴油机气道的三维实体模型，在f l u e n t 中 重建了迸气歧管的气道流体动力模型。然后通过在4 1 1 0 柴油机上试验，又获得 了所需要加载的边界( 包括壁面温度，压力进口变化规律，压力出口变化规律 等) 及模型所需要对比试验真实值的实际质量流量和充气效率。通过一系列加 载迭代计算，模拟得到了各个不同转速下( 共7 个转速) 情况下的质量流量和充 气效率。计算结果与试验结果对比后，可看到趋势吻合。这表明，应用逆向工 程的方法获得歧管三维实体模型是可行的，应用f l u e n t 做歧管流动计算模拟其 精度是可以接受的。最后在对模型精度进行验证的基础上，对进气歧管的一些 回流规律及参数进行了探讨。 在文章末，对全文工作进行了总结，指出了本文的一些不足之处，并对今 后的研究工作进行展望。 关键词：进气歧管，进气回流，流体动力模型，边界条件，c f d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eo u t b u r s to ft h ee n e r g yc r i s i si nt h es e v e n t i e s ，p e o p l ep a i da t t e n t i o nt o t h ee c o n o m yo ft h ee n g i n em o r ea n dm o r e ，a n dt h ee n h a n c e m e n to ft h ee n v i r o n m e n t a l c o n s c i o u s n e s so fv a r i o u sc o u n t r i e sd a yb yd a y i no r d e rt or e d u c et h ea i rp o l l u t i o n , t h e d i s c h a r g ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n eo b t a i n sh i g h e ra n dh i g h e ra t t e n t i o n i n l e tp o r t ， a sai m p o r t a n tp a r to fi n t e r - c o m b u s t i o n , a f f e c tt h ev o l u m ee f f i c i e n c ya n dh a v ea d i r e c t - i n f l u e n c el a t e rp e r i o d sb u r n i n gq u a l i t ya n de m i s s i o np r o d u c t i o nt oao e f t a i n d e g r e e 。s o ，t h er e s e a r c ha b o u ti n l e tp o r tm a ye 媳a n c ei n t e m a ic o m b u s t i o ne n g i n e o w n p e r f o r m a n c e ，o nt h eo l l eh a n d i sa l s ot ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nn e e d b u ta s ar e s u l to fi n l e tp o r to w n c o m p l e x i t y , a n dt r a d i t i o n a lr e s e a r c ht e c h n i q u eb l i n d n e s sa n d l i m i t a t i o n , t h e r e f o r eh a ss h o r t c o m i n g so ft h ed e s i g nd e v e l o p m e n tc y c l el o n g ，t o c o n s u m ea n ds oo i lt h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y i nt h e d e v e l o p m e n t , t h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) p r e s e n to n e s e l fb e c o m e ss o l v e se a c hk i n do f f l u i df l o wa n dt h eh e a tc o n d u c t i o np r o b l e mp o w e r f u lt 0 0 1 a d d st h ep o w e r f u l c o m p u 谂r sf u n c t i o ni nt h ea c h l a li n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n es t u d i e st h i sc a r t i e r , m a y e n a b l et h er e s e a r c ht oh a v ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g n e dc o s tt ob el o w , c y c l i c a l s h o r t 耵1 ci n t a k em a n i f o l dt a k e sa ni n t a k es y s t e m sp a r t , a l s os u r e l yh a sc e l l a i nr u l et o v o l u m ee f f i c i e n c y si n f l u e n c e t h i sa r t i c l et a k e4 110d i e s e le n g i n ei n t a k es y s t e m s i n t a k em a n i f o l da st h em a i no b j e c to fs t u d y , u s e st h ec f ds o f t w a r es t u d yt h i sd i e s e l e n g i n e si ni n t a k em a n i f o l da i rb a c k f l o wp r o c e s s ，t h ea i mi sd i s c u s s e st h ei n t a k e m a n i f o l db a c l d l o wt ot h ev o l u m ee f f i c i e n c yi n f l u e n c er u l e ，a n d 明蛔c e st h e i n t e r n - c o m b u s t i o ne n g i n e p e r f o r m a n c e ，p r o v i d i n gt h e r e f e r e n c ef o rt h er e l a t e d r e s e a r c h t h i sa r t i c l ef i r s tr e v i e w e di nt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n et ot h ei n l e tp o r t r e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h e nc a r r yo nt h es i m p l ei n t r o d u c t i o n t ot h ec f de l e m e n t a r yk n o w l e d g ea n dt h ec f ds o f t w a r ef l u e n tf o u n d a t i o n t h r o u g h t of l u e n tt h ec o m p u t a t i o np r o c e s sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n si n t r o d u c t i o n , d e t e r m i n e dt h a tu n d e rn e e d st oa c h i e v et h er e s e a r c ha i mt h ea p p r o x i m a t ep r o c e d u r e t t 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r ea n dt h er e v e r s e - e n g i n e e r i n g ，c l o u do fp o i n t sc h a r to f i n t a k em o d e li so b t a i n e d b yt h r e e c o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ed i e s e le n g i n ea i ri n t a k ei se s t a b l i s h e db ym e a n so fs o r w a r e u gr e b u i l dt h eh y d r o d y n a m i cm o d e li nf l u e n t , t h e nt h r o u g ht h ee x p e r i m e n ti n 4110d i e s e le n 蓟a e ，g a i n i n gt h ed a t ao fb o t m d a r yc o n d i t i o n ( i n c l u d i n gw a l ls u r f a c e t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ei m p o r tc h a n g er u l e ，p r e s s u r ee x p o r tc h a n g er u l ea n d s oo n ) a n d t h er e a lm a s sf l o wa n dt h ev o l u m ee f f i c i e n c yw h i c ha r ct h en e e d sf o rt h ec o m p a r a t i v e t r i a lr e a lv a l u e a h - o u g has e r i e so fl o a d i n ga n di t e r a t i v ec o m p u t a t i o n , t h es i m u l a t i o n o b t a i n e du n d e re a c hd i f f e r e n te n g i n es p e e d ( 7e n g i n es p e e d si na 1 1 ) i nt h es i t u a t i o n m a s sf l o wa n dt h ev o l u m ee f f i c i e n c y a f t e rc o m p u t e dr e s u l ta n dt e s tr e s u l tc o n t r a s t , m a ys g e 也et e n d e n c yt a l l i e s n l er e s u l ti n d i c a t e dt h a ti ti sf e a s i b l et oo b t a i ni n t a k e p o r tt h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lb ym e a n so f r e v e r s ee n g i n e e r i n gm e t h o d t a k i n gt h e c f ds o f t w a r et oi n t a k ef l o wc a l c u l a t e si t sp r e c i s i o ni sa c c e p t a b l e f i n a l l yb a s eo nt h e c o n f i r m a t i o nt ot h em o d e lp r e c i s i o n , t h ea r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o nt oi n t a k e m a n i f o l d ss o m eb a c k f l o wr u l ea n dt h ep a r a m e t e r a tt h ee n do fa r t i c l e ，m a k eas u m m a r y , p o i n to u ts o m es h o r t a g e , m a k ea e x p e c t a t i o nt ot h en e x tr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：i n t a k em a n i f o l d ；b a c k f l o w ；h y d r o d y n a m i cm o d e l ；b o u n d a r yc o n d i t i o n ；c f d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：抠曼武e l 期：2 丝：压 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：醢量赵导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 内燃机的出现和发明可以追溯到1 8 6 0 年，现今，由于内燃机的高热效率( 是 当今热效率最高的热力发动机) ，结构简单，比质量轻，移动方便，因而被广泛 应用于交通运输，农业机械，工程机械和发电时作为动力【l 】【2 1 【3 】 随着车辆保有量的迅速增加，汽车造成的环境问题越来越严重，近三十年 来，影响发动机设计和运行的主要因素是控制发动机对环境的污染【l 】。 而进气道是内燃机的重要组成部分，由自由曲面构成，形状复杂，其流通 特性严重影响柴油机性能。通过设计满足涡流比和流通特性要求的气道，提高 内燃机性能，减少排放污染，一方面是保护环境的需求，一方面也提高了内燃 机性能，同时这也是车用柴油机改进设计的重点和难点之一i l n 。 在进气歧管发生的进气回流现象，则会在一定程度上影响充气效率，这也 直接影响后期的燃烧质量及排放物的生成。解决这个问题有助于提高对充气规 律的认识，提高内燃机性能。 采用传统方法设计气道时，不同设计模型虽然能满足缸盖布置，但在做吹 风试验时，气道参数可能产生很大差异：如果经过吹风试验，气道仍不能满足流 通特性，就要重新进行修改和试验，导致试验周期长【1 7 】。气道制作、修改和试 验的机械重复性劳动消耗大量的人力、物力和财力。采用现代设计方法进行气 道设计可以精确控制气道外形、保证气道表面质量。气道流通截面的修改也变 得容易；对气道流通特性的分析可以在计算机上针对不同的修改方案多次进行模 拟，最终采用计算机辅助制造( c a m ) 加工或快速原型技术生成最终气道模型， 使改进周期缩短，节约大量的人力、物力和财力。因此采用现代设计方法可以 使改进设计工作更加方便、快捷，是现代制造技术的发展方 4 1 1 4 8 1 。 1 2 课题背景与意义 足够的充量进入气缸、即较高的充气效率，是组织完善燃烧过程、提高发 l 武汉理工大学硕士学位论文 动机性能的前提。进气流动状态是柴油机混合气形成质量的决定性因素，而进 气道空间形状又是影响进气流动状态的重要因素之一，对整机性能也有较大影 响。 同时由于柴油机进气道的几何形状非常复杂，传统的进气道设计流程采用 经验设计加上稳流试验台上的反复试验，多次修正气道形状的方法对其结构参 数进行优化在设计开发中存在着较大的盲目性和局限性，设计开发周期长、耗 费大。更重要的是，这些试验测量结果是流动的综合量，只能表征流动的宏观 特性，从整体上获得进出口的时间与空间的平均值，不能获得气道内流场的各 种内在参数，如气道结构、形状和尺寸以及外在环境，如温度，气流速度，背 压等对气体流动的具体影响，对进一步改进气道性能无法提供更多的信息，气 道设计主要依靠设计者的经验。利用现代设计方法，计算流体动力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 来对进气系统分析研究，通过利用 计算机的强大软件功能，并最终采用c a m 加工或快速原型技术生成最终气道模 型，使改进周期缩短，节约大量的人力、物力和财力。因此采用现代设计方法 可以使改进设计工作更加方便、快捷，是今后机械设计的主流。 柴油机进气歧管存在的进气回流现象，一定程度上影响充气效率，本课题 将结合c f d 平台，把强大的模拟计算功能应用到进气歧管分析研究中，最终找 到参数影响迸气歧管回流的程度以及回流对充气效率的影响关系，利用这些关 系优化进气道，使得柴油机的进气性能得到提高。 1 3 国内外研究现状及发展动态 1 3 1 现代设计技术的发展现状 现代的计算机技术已经渗透到工业产品设计的每一阶段，并且使得传统的 设计方法发生了巨大变化。柴油机进气道的几何形状非常复杂，传统的进气道 设计流程采用经验设计加上稳流试验台上的反复试验，多次修正气道形状的方 法对其结构参数进行优化。利用现代设计方法，计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，大大改善设计质量，缩短设计周期，可以使人们 从繁重的设计计算和绘图工作中解放出来，更多地从事创造性的研究开发工 作。气道传统方法与现代设计流程的比较f 4 9 】见图1 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 窗巧癌 是 应 传统设计流程现代设计流程 图1 1气道传统方法与现代设计流程的比较 过去为了完成c f d 计算，多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复 杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用 性，而c f d 本身有其鲜明的系统性和规律性，比较适合于被制成通用的商业 软件。自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s ，c f x ，s t a r c d ，f i d i p , f l u e n t 等多个商用c f d 软件。随着汽车行业的c f d 的进一步应用，一些计算机公司 及一些具有较强研发能力的发动机企业开发出一些专门针对内燃机的c f d 软 件，如日本西迪阿特的e s i c e 和e s a e r o ，奥地利a v l 公司的f i r e 和 s w i f t ，美国的k i v a 及英国r i c a r d o 公司的v e c t i s 等。并且我们有理由 相信，随着计算机技术的深入发展，软件功能也将得到进一步的提高，更好 的胜任模拟功能。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 进气管结构参数对柴油机充气效率影响的研究 迸气管结构对充气效率的影响在几个方面，。一是进气歧管长度，二是进 气总管长度，三是外接管长度，四是进气口位置及进气管总体型。广西玉林 柴油机厂对6 1 0 8 q 型车用直喷式柴油机做试验得到以下几个大致趋势【柏】： 进气总管长度：8 5 0 - 朋支管长度 外接管长度：6 5 0 皿lo 舳 整体式，后靖水平进气l ：嚣原机进气管为分开式 嬲 鏊 键 缸 口幽h 姗姗舢棚潮硼硼奢 n ( r i m i n ) 图1 2 进气歧管长度对充气效率的影响关系图 进气支管长度：12 0 m m 总管长度 外接管长度：6 5 0 m mi 嚣： 整体式 i 。愿机为分开式进气管每根长3 0 0 m m 器 曩 芝量 墨 拼 霸 寝 疆 脚龋l 枷岫鹭硼册柚加蔫瞳 r l ( r m i n ) 图1 3进气总管长度对充气效率的影响关系图 4 武汉理工大学硕士学位论文 透气总管长度：7 s o m m 外接管长度 透气支管长度：1 2 0 m m l 整体式，中闩水平透气l 盏= ： 镰 一 一膏 芝h 格 啪ml 琦i 哪姗鞠硼触跚硼柚 n ( r i m i n ) 图1 _ 4 外接管长度对充气效率的影响 进气总管长度：7 3 0 n t o 进气口位置 i 舶l 拗l l q 3 0 i 啪l 鼬l 啪跚硼孑讲绷o 硼 n ( r m j n ) 靖垂直进气口 图1 5 进气口位置及进气管总体型式对充气效率的影响 通过这些数据可以发现进气管结构参数对充气效率的影响是非常显著 的，单一的进气管结构参数并不能满足所有的工况，对于特定的排量、燃烧 室及缸盖气道的发动机在不同的转速下要达到最高的充气效率需要不同长度 的进气歧管，目前对可变进气管长度的研究也已经开展不少，比如重庆长安 汽车工程研究院张小燕詹樟松等对基础发动机参数见表1 1 的发动机进行了 安装可变进气管长度的尝试删。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1基础发动机参数 发动机型式 水冷，直列四缸，l e l ；$ 程，s o h c 缸径m m 冲程m m 压缩比 最人手n 矩，氏u ，r 埔u 。，】 额定功率f j , w ，r 憎并l 】 7 5 9 0 10 l3 5 3 5 0 0 7 0 6 0 0 0 得到结论，见图1 - 6 。 扭夥n m功率k w j一l 一一p d ， r j! ，一 ， 、 ， l 、 - - 乙 ，7 j 】少 7 ，多 ， r ， ， r 7 jl ， l e - b i t i ， i t 气嘎 发动机转速“，耐 图1 - 6 可变长度进气歧管发动机和原机性能试验对比 总的来说就是两点结论： ( 1 ) 和基础发动机相比，两级可变长度进气系统比中一级进气系统使发动 机的充气效率最大提高了1 0 4 4 ，最大扭矩提高了1 5 n m 。 ( 2 ) 迸气歧管长度对发动机充气效率影响显著，歧管长度越长，发动机外 特性峰值越向低速区域移动。 1 3 3 现代设计技术在进气道改进中的应用现状 国内已经有不少大学已经利用c f d 软件对进气系统进行研究优化，使得 在这方面的研究进了一大步。例如北京航天航空大学的试验室，通过基于一 c a d c a m c f d 一的气道改进设计流程，改进设计了3 8 5 柴油机的气道，并 6 武汉理工大学硕士学位论文 对改进前后气道进行了对比试验。改进后的气道己经投入产品生产，经检测， 在保持发动机动力性、经济性的前提下，改进后的柴油机排放性能达到了美 国国家环境保护局( e p a ) 排放标准第二阶段限值的要求，取得了良好的效果。 上海交大机械学院，同济大学汽车学院通过计算流体力学( c f d ) 对柴油 机螺旋进气道进行二维流场数值模拟对某柴油机进气系统即螺旋进气道一气 阀一气缸的气流进行二维数值模拟，分析柴油机螺旋进气道的流动特点，揭 示发动机进气过程的二维流动特性，了解进气过程的复杂流动现象，为柴油 机进气系统性能的进一步改进和优化设计提供理论依据。 湖北十堰湖北汽车工业学院的韩同群，马祥宁应用c f d c a d 技术对柴 油机进气管进行优化设计，利用g t - p o w e r 软件对e q h 2 0 0 3 0 发动机优化后， 流量要比原机略大，均衡性则好得多m l 。 ( 1 ) 商用c f d c a d 软件具有较高的计算精度，可作为发动机辅助设计 的重要工具。 ( 2 ) 气道c f d 计算能得到在气道稳流试验台上无法得到的大量三维流 场的详尽信息，为发动机设计提供理论依据。因此，进气道c f d 的优点是， 在发动机产品的开发阶段，准确找出气道几何不合理的部位进行改进优化。 进气系统设计过程中利用c f d 分析可以减少盲目性，缩短设计开发周期。 1 4 本文研究工作及意义 一方面提高充气效率，提高进气质量，可以组织完善燃烧过程、提高发动 机性能，最终还能影响到排放的产物的控制。另一方面，随着计算机的功能越 来越强大，各种c f d 软件的功用在各种性能优化中得到更大的发挥，本文就是 借助c f d 软件的数值模拟功能对进气过程进行一定的优化尝试，将以4 1 1 0 柴油 机的进气歧管作为研究对象，并与试验值进行对比。 本文主要工作为： ( 1 ) 查阅大量国内外对柴油机进气道及歧管的有关数值仿真和试验研究的 资料后，确定选题。 ( 2 ) 叙述逆向工程的概念及其应用，通过逆向工程建立4 1 1 0 柴油机的进气 歧管实体模型。 ( 3 ) 分析建立模型中所使用的c f d 基础知识，为后面的c f d 模拟计算提供 7 武汉理工大学硕士学位论文 理论基础。并通过分析所使用软件f l u e n t 的特点，使用情况，确定目标工作流 程。 ( 4 ) 根据目标工作流程，通过试验，获得加载边界条件所需要的数据，及 对比试验的数据。 ( 5 ) 试验值与计算模拟值对比确定模型的可操作性后，对歧管参数与回流 关系进行模拟，回流程度与充气效率的关系进行模拟。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章进气道模型的建立 作为产品设计制造的一种手段，在2 0 世纪9 0 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，有关逆向工程技术的研究与 应用就一直受到政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测试 技术的发展，利用c a d c a m 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程， 己成为c a d c a m 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m 。 我国的内燃机行业相比而言处在比较低的位置，许多零部件均是从国外直 接进口模具，没有这些零部件的设计资料，在这种情况下要实现这些零件的国 产化是很困难的。内燃机进气道就属这种零件，其所处的空间位置受缸盖上喷 油器、固定螺栓和气门等的布置限制，性能上则需保证高的充气系数和小的进 排气阻力等要求，对直喷式机型【2 ，还要满足一定的进气涡流比。设计时所要 考虑的制约因素很多，设计要求繁杂，然而这却是发动机设计中不可避免的关 键部分，对整机性能影响很大，为了得到优良的气道，以往通常是对初步设计 的气道制成模型，在稳流试验台上反复试改，这个工作不仅耗时耗工，而且得 到的结果也仅仅是满足设计要求的可行性方案，难以实现多气道形状方案的选 择和优化，故其设计表征、结构分析、性能评价和制造加工一直是困扰设计人 员的难点之一，然而，这却是气道新品开发必须面对而需解决的。为此，我们 在内燃机进气歧管的建模设计中引入了逆向工程技术冽。 2 1 逆向工程概述 “逆向工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，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。是指用一定的测量手段对实物进行测量，根据测量数据通过三维几何建模 方法重构实物的c a d 模型的过程1 5 2 j 。 逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、c a d 模型重 建、产品或模具制造。组成系统的设备软件主要包括： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 测量机与测量探头 测量机与测量探头是进行实物数字化的关键设备。测量机有三坐标测量机、 多轴专用机、多轴关节式机械臂等：测量探头分接触式( 触发探头、扫描探头) 和 非接触式( 激光位移探头、激光干涉探头、线结构光及c c d 扫描探头、面结构光 及c c d 扫描探头) 两种。三坐标测量机的组成见图2 - 1 。 头 图2 - i三坐标测量机的组成 ( 2 ) 数据处理 由坐标测量机得到的外形点数据在进行c a d 模型重建以前必须进行格式转 换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等数据处理。 ( 3 ) 模型重建软件( c a d c j 蝴) 模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的c a d c a e c a m 软件，如 s o l i d w o r k s ，i - d e a s ，g r a d e 等，但数据处理和逆向造型功能有限：二是集成有 逆向功能模块的正向c a d c a e c 埘软件，如集成有s c a n - t o o l s 模块的 p r o e n g i n e e r 、集成有点云处理和曲线、曲面拟合、快速造型功能的u g 和 s t r i m i0 0 等：三是专用的逆向工程软件，如i m a g e w a r e ，p a r a f o r l i l , g e o m a g ic 等。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 除此之外，有较高要求的还包括产品数据管理( p d m ) 等软件。支撑软件的硬件平 台有个人计算机和工作站。 ( 4 ) c a e 软件 计算机辅助工程分析，包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场析等。 目前较流行的分析软件有a n s y s ，n a s t r a n ，i - d e a s ，m o l d f l o w ，a d m a s 等。 ( 5 ) c n c 加工设备 各种c n c 加工设备进行原型和模具制作 ( 6 ) 快速成型机 产生模型样件，技制造工艺原理分有立体印刷成型、层合实体制造、选域 激光烧结、熔融沉积造型、三维喷徐粘结、焊接成型和数码累积造型等方法。 ( 7 ) 产品制造设备 各种注塑成型机、轧出机、板金成型机等。 逆向工程流程图见图2 - 2 。 图2 - 2 逆向工程流程图 实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点 的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、 评价、改进、制造。因而，如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集，一 直是逆向工程的主要研究内容之一。一般说来，三维表面数据采集方法可分为 接触式数据采集和非接触式数据采集两大类，接触式有基于力变形原理的触发 式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。而非接触式主要 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。另 外，随着工业c t 技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程取得了应用。 当用测量设备获取零件形状数据时，为使得到的数据真实、完整，应重视 并解决以下测量问题：标定( c a l i b r a t i o n ) 、精度( a c c u r a c y ) 、可测性 ( a c c e s s i h i i i t y ) 、阻碍( o c c l u s i o n ) 、固定( f i x t u r e ) 、多视图( m u l t i p l e v i e w s ) ， 噪声及不完整数据( n o i s ea n di n c o m p l e t ed a t a ) 、零件的统计分布( s t a t i s t l c a l d i s t r i b u t i o n so fp a r t ) 、表面粗糙度( s u r f a c ef i n i s h ) 、数据通信( d a t a c o m m u n i c a t i o n ) 、探头半径补偿( c 咖p r o b er a d i u sc o m p e n s a t i o n ) 等。 c a d 模型重建是根据坐标测量机得到的数据点构建实物对象的几何模型，根 据实物外形的数字化信息，可以将测量得到的数据点分成两类：有序点和无序点 ( 散乱点) ，由不同的数据类型，形成了不同的模型重建技术。目前较成熟的方 法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常用的曲面模型有b e z i e r ( 贝塞尔曲 线) 、b - s p l i n e ( b 样条) 、n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 和三角b e i z e r 曲面。 2 2 进气歧管实体模型的获得 进气歧管实物，见图2 - 3 ，图2 4 。 图2 - 3进气歧管部分实物 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 进气歧管部分实物 图2 - 3 ，2 - 4 为试验现场进行实物拍摄获得。 对实物采用三坐标测量机，具体为工业凹，对进气道实体进行放射性扫描 测量后，得到进气道的u g 图，文件格式为工i g s 格式，记录了各个点的三维坐 标值。在去除掉一些无关的点后，在u g 中利用控轨线来进行拟合得到曲面，再 进行曲面的缝合。最后生成的进气道的几何模型见图2 - 5 ，图26 。所得到的模 型与实际进气道尺寸为l ：l 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5进气道几何模型某角度整体 图2 - 6进气道几何模型某角度局部 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 用g a m b i t 建立模型 所获得的u g 图2 - 5 中，包括了进气总管及歧管。但实际所需要建立模型中 只需要歧管，故在u c 中点击选取中歧管后，把其他部分屏蔽捧，再次导入，显 示见图2 7 。 图2 7u g 歧管图 图2 7 所获得的歧管图还不能直接导入f l u e n t 中的建模工具g a 船i t 中直 接使用。并且图2 7 中还包括了安装固定座部分，这在后来的建模并加载边界 条件时也是多余的部分。由于是1 ：1 模型，可以利用u g 中的数值显示功能， 把所需要的外观构成线段数字化后，再在g a 船i t 中重建。还原简化后，显示见 图2 - 8 。 武汉理_ 大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图28g l b i t 歧管简化图 逆向t 程技术是2 0 世纪8 0 年代后期出现在先进制造领域里的新技术。本 章介绍了逆向工程的原理及逆向工程系统的组成：产品实物几何外形的数字化、 c a d 模型重建、产品或模具制造。介绍了逆向1 = 程的设各和软件。建立了仿真计 算所需的计算实体模型。并利用f l u e n t 里面的g a m b i t 工具，按i ：l 的模型比 例重建了实物。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章进气道模型中o v d 软件的应用基础和分析 在先期完成建立实体模型后，需要把模型放置到c f d 软件中设定各种参数， 才能进行加载边界条件，迭代计算等工作。 3 1 进气道模型中c f d 软件的应用基础 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做 的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量 的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替， 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值1 5 】。 c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒 方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问 题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布， 以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。 还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率 等【l o 】。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化设计等。 c f d 方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系。“三维 流体力学示意图见图3 一l 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1“三维栉流体力学示意图 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见， 是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计 算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流 动才能给出解析结果。 试验测量方法所得到的试验结果真实可靠，它是理论分析和数值方法的基 础，其重要性不可低估。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全 和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇 到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法克服了前面两种方法的弱点，适应性强、应用面广。首先，流 动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件 复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解：其 次，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程 中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较；再者，它不受物理模型和试 验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容 易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和试验中只能接近而无法达到 的理想条件 3 6 1 。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依 赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学 模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数 值解，并有一定的计算误差：第二，它不象物理模型试验一开始就能给出流动现 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并 需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正 确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可 能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。此外，c f d 因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。 3 2c f d 软件f l u e n t 的应用 f l u e n t 是专门应用于计算流体流动的c f d 程序。它提供的非结构网格生 成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维 的三角形和四边形网格；三维的四面体和六面体及混合网格。f l u e n t 能够根 据计算的结果调整网格，这种网格自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场 有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施， 而非整个流场，因此可以节约计算时间【5 l 】【5 3 1 。 ( 1 ) 程序的结构 f l u e n t 程序软件包括以下几个部分组成： ( d g a m b i t _ 用于建立几何结构和网格的生成。 f l i 册肛用于进行流体模拟计算的求解器。 ( 萤p r e p d f _ 用于模拟p d f 燃烧过程。 t g r i 蝴于从现有的边界网格生成体网格。 ( 9 f i l t e r ( t r a n s l a t o r ) 转换其他程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。 利用f l u e n t 软件进行流体的流动和传热计算的模拟计算的流程一般是， 首先利用g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、定义边界类型和生成网格， 然后将g a m b i t 中的网格文件输出用于f l u e n t 求解器计算的格式，在 f l u e n t 中读取所输出的文件并设置条件对流动区域进行求解计算，最后对计 算的结果进行后处理。 ( 2 ) f i i 厄m 程序可以求解的问题 f l i 腮旧可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自适应 调整。 ( 3 ) f l u