大型機(jī)電產(chǎn)品的模擬仿真與虛擬設(shè)計(jì)

1、大型機(jī)電產(chǎn)品的模擬仿真與虛擬設(shè)計(jì)摘要 虛擬設(shè)計(jì)具有高效性、實(shí)用性的特點(diǎn)，在產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)、相似性設(shè)計(jì)方面都有較大的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，能夠減少重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，符合現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。針對(duì)某V型發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu),以ADAMS為仿真平臺(tái),建立了單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)以及含凸輪軸柔性體的配氣機(jī)構(gòu)總成的多體系統(tǒng)模型,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明,凸輪軸變形以及各缸配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力耦合,對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能有一定的影響,凸輪軸軸承所承受的載荷主要受相鄰氣缸各氣門(mén)機(jī)構(gòu)凸輪載荷及其合力的影響。關(guān)鍵詞 虛擬設(shè)計(jì) 模擬仿真 VRML ADAMS 配氣機(jī)構(gòu)第一章 緒論1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論虛擬現(xiàn)實(shí) (

2、Virtual Reality)技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是20世紀(jì)八十年代興起的一門(mén)嶄新的綜合學(xué)科技術(shù)。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果。從本質(zhì)上說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過(guò)給用戶同時(shí)提供諸如視、聽(tīng)、觸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知和交互，最大限度的方便用戶操作，使參與者“沉浸”于環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有三個(gè)最顯著的特征:交互性(Interactivity)、沉浸性(Immersion)和想象性(Imagination)，也就是我們熟悉的“3I”特性(如圖1-1)。交

3、互性體現(xiàn)著使人和虛擬世界以自然的方式交互從而達(dá)到真正的忘我；沉浸性主要是通過(guò)用戶的感覺(jué)器官使用戶和虛擬世界融合在一起；想象性是超越現(xiàn)實(shí)世界的體現(xiàn)，它可以使現(xiàn)實(shí)中的危險(xiǎn)、痛苦、無(wú)法逆轉(zhuǎn)的事情在虛擬世界中得以驗(yàn)證，如核試驗(yàn)、手術(shù)模擬、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)、文物修復(fù)、虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是各個(gè)國(guó)家高技術(shù)研究水平的綜合體現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在本世界和下世紀(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)。圖1-1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3I特性1.2虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展史20世紀(jì)60年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutheriand發(fā)表了“Sketchpod:一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文。這是公認(rèn)的“交互式的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的開(kāi)端

4、，它的出現(xiàn)為CAD技術(shù)向“虛擬設(shè)計(jì)”飛躍提供了技術(shù)上的可能。20世紀(jì)70年代，微電子工業(yè)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的處理速度和存儲(chǔ)能力以每年40%的比率上升，而體積價(jià)格卻以同樣的比率下降，使得商品化CAD/CAM系統(tǒng)的普及成為可能。20世紀(jì)80年代，CAD軟硬件向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化發(fā)展，人工智能和專(zhuān)家系統(tǒng)在CAD系統(tǒng)中的應(yīng)用，使CAD向虛擬化又接近了一步。上世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)了許多新成果，RISC微處理器廣泛應(yīng)用于工作站，圖形的并行處理技術(shù)，多媒體技術(shù)的崛起都賦予CAD技術(shù)以新的內(nèi)容。同時(shí)也為CAD技術(shù)項(xiàng)“虛擬設(shè)計(jì)”飛躍提供了堅(jiān)實(shí)的社會(huì)和技術(shù)基礎(chǔ)。CAD技術(shù)的不斷完善，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

5、日漸成熟，使得“虛擬設(shè)計(jì)”一種全新的設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生。簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬設(shè)計(jì)就是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的CAD系統(tǒng)，是指設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中用交互手段非計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改。虛擬設(shè)計(jì)作為一種嶄新的設(shè)計(jì)技術(shù)，其無(wú)比的優(yōu)點(diǎn)和巨大的潛力已廣為科技界和企業(yè)界所共識(shí)。第二章 基于知識(shí)的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)對(duì)象具有復(fù)雜性和不確定性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求。在參數(shù)化建模過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)時(shí)使用的企業(yè)規(guī)范不能夠清晰地表達(dá)出來(lái)。將知識(shí)工程(KBE)理論應(yīng)用到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程中可以很好地解決這一問(wèn)題。運(yùn)用知識(shí)工

6、程原理對(duì)智能化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，就是汲取產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用知識(shí)工程原理將其表達(dá)出來(lái)，使之成為計(jì)算機(jī)可操作的對(duì)象，從而使設(shè)計(jì)人員在確保設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，遵循最佳設(shè)計(jì)途徑，以達(dá)到智能化設(shè)計(jì)的目的。2.1虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以在虛擬的環(huán)境中用交互的手段對(duì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改。一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備三個(gè)功能：3D用戶界面；選擇參數(shù)；數(shù)據(jù)表達(dá)與雙向數(shù)據(jù)傳輸。產(chǎn)生虛擬環(huán)境的基本方法有兩種，即基于圖像的方法 (image-based method)和基于模型的方法(modelbased method)。就機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，通常基于第二種方法，首先利

7、用現(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)軟件建立設(shè)計(jì)產(chǎn)品的3D模型，然后以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式輸出，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。建立虛擬現(xiàn)實(shí)模型后，通過(guò)加入事件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)變換等操作，從而實(shí)現(xiàn)交互虛擬環(huán)境。理想虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。虛擬現(xiàn)實(shí)部分由數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接口、核心層、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用層、CS層組成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與客戶取得聯(lián)系，開(kāi)展協(xié)同工作。圖2-1 理想虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2基于知識(shí)的產(chǎn)品幾何模型的表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)造性過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)知識(shí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品幾何模型是實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的虛擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面是常用的四種幾何模型驅(qū)動(dòng)方式。（1）利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)幾何模型利用應(yīng)用軟件的系統(tǒng)定義參數(shù)將設(shè)計(jì)中的尺寸約束轉(zhuǎn)化為控制產(chǎn)品

8、圖形的特征參數(shù)，通過(guò)可視化修改可直接驅(qū)動(dòng)模型；用戶自定義參數(shù)不能直接驅(qū)動(dòng)模型，需通過(guò)用戶自定義的公式與系統(tǒng)參數(shù)建立聯(lián)系，形成多種多樣的知識(shí)表達(dá)式，通過(guò)公式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)模型。(2)利用表格驅(qū)動(dòng)幾何模型應(yīng)用表格驅(qū)動(dòng)幾何模型就是將與設(shè)計(jì)有關(guān)的數(shù)據(jù)以表格形式存放在相應(yīng)的文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)建立表中記錄與設(shè)計(jì)模型特征參數(shù)的聯(lián)系，通過(guò)訪問(wèn)表中不同記錄達(dá)到改變幾何尺寸的目的。從而實(shí)現(xiàn)用表格驅(qū)動(dòng)幾何模型。該方法尤其適用于機(jī)械產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)件、系列化件。(3)運(yùn)用基于規(guī)則推理的方法驅(qū)動(dòng)幾何模型該方法是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范、原理、經(jīng)驗(yàn)等，并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則庫(kù)，存儲(chǔ)大量的設(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)

9、計(jì)原理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品模型。(4)運(yùn)用基于事例推理的方法驅(qū)動(dòng)幾何模型將以往同類(lèi)產(chǎn)品成功的設(shè)計(jì)事例作為新設(shè)計(jì)的參考。這種設(shè)計(jì)思想適用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域中經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)。事例推理機(jī)可以為應(yīng)用軟件的一個(gè)內(nèi)嵌程序，如使用腳本語(yǔ)言編寫(xiě)的宏程序，使用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言編寫(xiě)的內(nèi)嵌程序等。2.3虛擬環(huán)境中的VRML 技術(shù)進(jìn)入90年代以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)非常重要的分支，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在Intemet網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn)。人們開(kāi)始嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以允許用戶在進(jìn)行信息檢索或?yàn)g覽時(shí)，能得到各種實(shí)時(shí)交互的聲音、圖象等多種知覺(jué)的提示和反饋，這就導(dǎo)致了虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML

10、的產(chǎn)生。當(dāng)我們用標(biāo)準(zhǔn)的二維技術(shù)通信時(shí)，我們只是遠(yuǎn)程的觀察者，在內(nèi)容之外。但是當(dāng)我們運(yùn)用VRML時(shí)，我們定位在三維世界之中，與其中的內(nèi)容相連接。虛擬環(huán)境中常常采用的軟件有4類(lèi)：（1）語(yǔ)言類(lèi)：C+、OpenGL,VRML等；（2） 建模軟件類(lèi)：如AutoCAD、Solid-Works、Unigraphics、ProEngineer、I-DEAS等；（3）應(yīng)用軟件類(lèi)：專(zhuān)用的軟件；（4）通用的商用工具軟件包等。文中采用Unigraphics進(jìn)行3D幾何模型設(shè)計(jì)，然后轉(zhuǎn)換為VRML格式，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行渲染。通過(guò)加入事件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、視點(diǎn)變換等操作，從而實(shí)現(xiàn)交互虛擬環(huán)境，也為協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)奠定了

11、基礎(chǔ)。具有網(wǎng)絡(luò)三維交互動(dòng)態(tài)特征的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可視化仿真成為現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是Internet與VR(Virtual Reality)相結(jié)合的產(chǎn)物，它定義了描述Internet上交互三維實(shí)體和共享虛擬世界的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。VRML文件是虛擬三維空間的文本描述，可以通過(guò)任何文本編輯器編寫(xiě)，然后保存為后綴為wrl的文件。VRML文件結(jié)構(gòu)分為文件頭、場(chǎng)景、原型、路由四個(gè)部分。（1）文件頭VRML文件頭的語(yǔ)法形式如下所示:#VRML V2.0 utf8。這是每一個(gè)VRML2.0文件所必需的開(kāi)頭，必須放在

12、文件的第1行，而且必須要按照如上所示的語(yǔ)法格式出現(xiàn)。文件頭分為三部分:VRML:告訴打開(kāi)該文件的瀏覽器，該文件是一個(gè)VRML文件;V2. 0:該VRML文件遵循的VRML規(guī)范是2.0版本;utf8:該文件使用的字符集是國(guó)際UTF-8字符集。（2）節(jié)點(diǎn)VRML文件的基本單元是節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以有五個(gè)方面的特征:名字、類(lèi)型、域、事件、實(shí)現(xiàn)。 VRML文件的主要內(nèi)容就是節(jié)點(diǎn)的層層嵌套以及節(jié)點(diǎn)的定義和使用，由此構(gòu)成整個(gè)的虛擬世界。節(jié)點(diǎn)的命名是通過(guò)DEF語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)的，節(jié)點(diǎn)命名后可通過(guò)USE語(yǔ)句引用，達(dá)到共享的目的。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都屬于某個(gè)類(lèi)型，VRML2. 0共定義了54種基本節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，例如Box(長(zhǎng)方體

13、)、Color(顏色)、Group(編組)、Sound(聲音)、Pointlight(點(diǎn)光源)。同時(shí)用戶還可通過(guò)PROTO和EXTERN-PROTO來(lái)定義自己的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。 節(jié)點(diǎn)類(lèi)型有零個(gè)或多個(gè)域(Field)，同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)根據(jù)域值不同而不同。域值和節(jié)點(diǎn)一起存放在VRML文件中。境界中所有節(jié)點(diǎn)的域值描述了境界的當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型可能包含一套可以接收和發(fā)送的事件(Event)。 事件又分為入事件(even in)和出事件(even out)，節(jié)點(diǎn)利用出事件報(bào)告自身的狀態(tài)變化，而入事件將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的改變。VRML通過(guò)ROUTO語(yǔ)句把事件入口聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成事件體系。 節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)包括如下的內(nèi)容:

14、節(jié)點(diǎn)在虛擬世界中展現(xiàn)給瀏覽者的視覺(jué)外觀和聽(tīng)覺(jué)外觀;對(duì)接收到的入事件做何反映，以及如何產(chǎn)生出事件。（3）場(chǎng)景圖VRML節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系是用編組節(jié)點(diǎn)把一組獨(dú)立節(jié)點(diǎn)組織起來(lái)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)定義的特定域包含特定的節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型定義的域可以引用特定的節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成場(chǎng)景圖。場(chǎng)景圖是虛擬世界中所有對(duì)象的一種層次化表現(xiàn)方式，它們之間的位置是彼此相關(guān)的。在VRML中共定義了8個(gè)組節(jié)點(diǎn)(如Transform節(jié)點(diǎn)、Group節(jié)點(diǎn)等)，每個(gè)組節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)children域，它又可以包含一組子節(jié)點(diǎn)。其層次關(guān)系可用圖2-2表示。VRML程序的主體是節(jié)點(diǎn)語(yǔ)句，一些復(fù)雜的程序還有路由語(yǔ)句。程序的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)花括弧里的

15、參數(shù)(參數(shù)有兩類(lèi)：字段及事件，但只有字段寫(xiě)在程序的節(jié)點(diǎn)語(yǔ)句中)定義了三維世界的形體及其屬性。動(dòng)畫(huà)及交互作用則是通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)、內(nèi)插器節(jié)點(diǎn)、路由語(yǔ)句等完成的。圖2-2 VRML場(chǎng)景下面這一簡(jiǎn)單VRML程序就是由Shape、Viewpoint、Background三個(gè)節(jié)點(diǎn)語(yǔ)句構(gòu)成的程序主體，它們定義了程序的三維場(chǎng)景圖。Shape節(jié)點(diǎn)里的Box、Appearance、Material也是節(jié)點(diǎn)。ShapeGeometry Boxappearance Appearancematerial MaterialdiffuseColorl00Viewpoint position一5 8 10orietation

16、 10 0-8;BackgroundskyColorl11VRML程序均可以在裝有Microsoft VRML2.0瀏覽器的IE4.0以上版本運(yùn)行。在進(jìn)行以下產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，將Unigraphics創(chuàng)建的幾何模型通過(guò)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)變?yōu)閂RML格式，通過(guò)編輯VRML文件可以實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的進(jìn)行交互。2.4 VRML造型（1）VRML基本造型VRML文件中的長(zhǎng)方體(Box)、圓柱體(Cylinder)、圓錐體(Cone)、球體 (Sphere) 4種最基本的空間造型是由相應(yīng)的專(zhuān)門(mén)節(jié)點(diǎn)直接創(chuàng)建，而其他復(fù)雜的空間造型則由其他高級(jí)的造型方法來(lái)創(chuàng)建。但是這些造型方法定義的只是空間造型的外形尺寸，造

17、型的外觀是由專(zhuān)門(mén)的節(jié)點(diǎn)控制，也就是說(shuō)，空間造型是由幾何尺寸和外觀來(lái)一同決定的，將這兩方面結(jié)合起來(lái)的節(jié)點(diǎn)就是Shape節(jié)點(diǎn)。Shape節(jié)點(diǎn)包括了外觀和幾何結(jié)構(gòu)兩個(gè)域，通常用Appearance節(jié)點(diǎn)作為外觀域的域值;各種方法造型的造型節(jié)點(diǎn)作為幾何結(jié)構(gòu)域的域值。用Shape節(jié)點(diǎn)就可以創(chuàng)建出虛擬世界中單個(gè)的幾何造型，再加上使用Group節(jié)點(diǎn)就可以將各個(gè)單個(gè)的造型節(jié)點(diǎn)結(jié)合在一起。用Group結(jié)合造型也稱為對(duì)造型進(jìn)行編組，編組后的節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行操作，最終創(chuàng)建出整個(gè)的虛擬三維世界。（2）VRML造型的定位與旋轉(zhuǎn)基本幾何造型都在坐標(biāo)原點(diǎn)附近創(chuàng)建并正對(duì)著瀏覽者方向。但是現(xiàn)實(shí)中的各種物體都有各種不同的

18、位置和不同的方向，在VRML中是通過(guò)對(duì)坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)從而形成新的處于不同位置和不同方向上的空間坐標(biāo)系，然后在新的坐標(biāo)系中創(chuàng)建空間造型，就可以創(chuàng)建空間不同位置和方向上的幾何造型和文本造型。在VRML中創(chuàng)建新的空間坐標(biāo)系都是通過(guò)將所要安排位置和方向的造型用Transform編組節(jié)點(diǎn)編組，一個(gè)Transform節(jié)點(diǎn)表示相對(duì)當(dāng)前坐標(biāo)系形成了一個(gè)新的坐標(biāo)系，而在Transform節(jié)點(diǎn)編組中的空間造型都是相對(duì)于這個(gè)新創(chuàng)建的坐標(biāo)系所創(chuàng)建的。和Group節(jié)點(diǎn)一樣，Transform節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)children域來(lái)嵌套?？梢?jiàn)通過(guò)Transform節(jié)點(diǎn)的使用，可以將各種基本幾何造型節(jié)點(diǎn)以及文本造型節(jié)點(diǎn)有效的

19、組合在一起創(chuàng)建更加真實(shí)的虛擬世界。（3）VRML高級(jí)造型前面介紹了只要將相應(yīng)的幾何造型節(jié)點(diǎn)和文本造型節(jié)點(diǎn)作為Shape節(jié)點(diǎn)的geometry域值就可以在空間中創(chuàng)建出相應(yīng)的空間造型，并且可以通過(guò)Transform對(duì)這些空間造型進(jìn)行各個(gè)方向上的縮放和移動(dòng)。通過(guò)VRML中的高級(jí)造型方法就可以隨心所欲地在虛擬世界中創(chuàng)建各種各樣的空間造型。本節(jié)只介紹常用的Extrusion、 IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)。Extrusion語(yǔ)法中的crossSection域的值指定了一系列二維的坐標(biāo)，這些坐標(biāo)定義了沿著擠出過(guò)程的放樣路徑進(jìn)行擠出的一個(gè)封閉或開(kāi)放的輪廓。放樣圖形是作為一個(gè)建立在X-Z平面的平滑輪廓的最

20、佳設(shè)想，這樣每一個(gè)二維坐標(biāo)的第1個(gè)值就是沿X軸方向上的距離，而第2個(gè)值就是沿Z軸方向上的距離。spine域的值指定了一系列三維坐標(biāo)，這些坐標(biāo)定義了一個(gè)封閉的或開(kāi)放的軌跡，沿著這條軌跡放樣圖形被拉動(dòng)，從而創(chuàng)造了擠出過(guò)程。scale域的值指定了一系列放樣圖形、比例因數(shù)對(duì)，它們被使用在沿放樣路徑的每一個(gè)坐標(biāo)處。IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建空間面幾何造型，同時(shí)可以被用作造型節(jié)點(diǎn)的geometry域值。IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)語(yǔ)法中的coord可見(jiàn)域的值提供了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)列出了構(gòu)造面集中所有面的坐標(biāo)。coordIndex域的值提供了一張描述一張或多張面的周界的列表。其中每一個(gè)值都是

21、整型的索引，并且每個(gè)索引都指定了在coord域內(nèi)的坐標(biāo)列表中的一個(gè)坐標(biāo)。一個(gè)坐標(biāo)索引列表可以提供一張或多張面的周界。每張面周界的連接方式都是從坐標(biāo)索引列表的索引值順序向后，直到索引列表的末尾或者一個(gè)為-1的索引值。面的周界會(huì)通過(guò)將最后一個(gè)在-1前的索引值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)與第1個(gè)索引值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)連起來(lái)而自動(dòng)地閉合。下一張面的周界的范圍是從上一個(gè)-1的索引值開(kāi)始，直到索引列表的結(jié)束或另一個(gè)為-1的索引值，如此類(lèi)推。2.5 ADAMS簡(jiǎn)介ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(Me

22、chanical Dynamics Inc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國(guó)際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷(xiāo)售總額近八千萬(wàn)美元、占據(jù)了51%的份額,現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類(lèi)型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和Windows NT/2000版

23、。在這里將以Windows 2000版的ADAMS l2.0為藍(lán)本進(jìn)行介紹。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類(lèi)模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專(zhuān)用模塊針對(duì)特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)

24、題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。2.6系統(tǒng)的軟硬件要求虛擬現(xiàn)實(shí)有兩種實(shí)現(xiàn)方案:軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件實(shí)現(xiàn)，主要是指通過(guò)一些基本的硬件環(huán)境，利用軟件編程的方法在輸出設(shè)備上輸出逼真的場(chǎng)景的系統(tǒng)。由于其對(duì)硬件的依賴性不高，成本低，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，目前發(fā)展較快。VRML正是這樣一種為了完成虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件實(shí)現(xiàn)而開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言，它是HTML的3D模擬，使用VRML瀏覽器能讀懂的ASCII文本格式來(lái)描述世界和鏈接，通過(guò)支持VRML的瀏覽器，就可以顯示所建立的三維場(chǎng)景，并能夠在三維世界中進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)(進(jìn)行遠(yuǎn)近、方位等的改變)和實(shí)時(shí)操縱(物體狀態(tài)的改變)。（1） 硬件需求基于IBM-PC或與之

25、完全兼容的帶有中央處理器的奔騰及其以上機(jī)器至少64MB的內(nèi)存，推薦使用128MB及以上內(nèi)存。用于安裝的光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鼠標(biāo);安裝ADAMS12.0所需的硬盤(pán)空間，一般需3G左右;推薦使用MS Windows支持的圖形加速卡;推薦安裝聲卡。（2） 軟件需求在本地機(jī)上安裝虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱的最小軟件需求: 操作系統(tǒng):Windows 95, Windows 98或Windows NT 4. 0, Windows 2000，另外要安裝TCP/IP協(xié)議。 ADAMS: ADAMS-View。 VRML編輯器:可以安裝自己的VRML編輯器，也可以安裝MathWorks CD自帶的VRML編輯器。 Web瀏覽器:能

26、夠使用Java的Web瀏覽器，如IE4.0以上或Netscape 4. 0以上版本的瀏覽器。 插件:支持外部接口的VRML97插件。本課題采用的是該系統(tǒng)利用其二次開(kāi)發(fā)工具 U G/Open API實(shí)現(xiàn)了齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ,利用U G/ Open Grip 實(shí)現(xiàn)了齒輪的三維參數(shù)化建模 ,利用U G/UIStyler 開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)用戶界面 ,并可對(duì)設(shè)計(jì)出的齒輪進(jìn)行虛擬裝配。2.7 基于知識(shí)的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、基于知識(shí)產(chǎn)品幾何模型表達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)就系統(tǒng)開(kāi)發(fā)各環(huán)節(jié)的構(gòu)思如下：(1) 用簡(jiǎn)單模型(可以僅使用線框模型)建立設(shè)計(jì)方案，僅保留總體相關(guān)的關(guān)鍵尺寸。該過(guò)程主要基于設(shè)計(jì)對(duì)象參

27、數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和規(guī)范等完成。(2) 建立幾何約束和尺寸約束。為了實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先要對(duì)零件進(jìn)行尺寸約束和幾何約束，從而確定唯一的零件形狀。系統(tǒng)地分析設(shè)計(jì)對(duì)象，使設(shè)計(jì)特征和尺寸能反映相應(yīng)的設(shè)計(jì)知識(shí)，并封裝在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中。(3) 確定設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量通過(guò)表達(dá)式與驅(qū)動(dòng)尺寸之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)于非獨(dú)立變量，該變量與其它變量之間的關(guān)系由確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式或是符合某種規(guī)則定義。(4) 按照產(chǎn)品、部件、子部件、零件劃分各種設(shè)計(jì)尺寸的歸屬，并逐級(jí)定義裝配關(guān)系和順序。系統(tǒng)能根據(jù)零件的裝配變換矩陣，在屏幕上顯示出零件的裝配位置，使用戶可從圖形上檢查所建立的裝配模型。此外，在動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程中還要對(duì)

28、零部件進(jìn)行干涉檢測(cè)，并對(duì)發(fā)生干涉的零部件作出預(yù)警。(5) 對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。(6) 基于VRML瀏覽器對(duì)完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行協(xié)同工作和異地評(píng)估和改進(jìn)等?；谥R(shí)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2-3所示：圖2-3 基于知識(shí)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)第三章 某V型發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)總成的動(dòng)態(tài)仿真研究作者研究的是下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，其氣門(mén)組由氣門(mén)、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)彈簧以及氣門(mén)座等組成；氣門(mén)傳動(dòng)組則由搖臂軸、搖臂、挺柱、推桿、凸輪軸組成。該配氣機(jī)構(gòu)采用四氣門(mén)機(jī)構(gòu)，氣門(mén)排列時(shí)采取同名氣門(mén)排成兩列的型式，一個(gè)凸輪通過(guò)挺柱、推桿和搖臂驅(qū)動(dòng)兩個(gè)氣門(mén),并且所有的氣門(mén)機(jī)構(gòu)都由一根凸輪

29、軸驅(qū)動(dòng)。3.1 配氣機(jī)構(gòu)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模3.1.1凸輪型線的求取對(duì)于作者所研究的為下置凸輪軸式平面挺柱配氣機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給出的是挺柱隨凸輪轉(zhuǎn)角的升程,為了模擬凸輪的驅(qū)動(dòng)以及凸輪與挺柱的接觸情況,需要根據(jù)挺柱升程反算出凸輪型值點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)挺柱升程數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條曲線擬合,得到其關(guān)于凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù),然后根據(jù)凸輪與平面挺柱之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,求出對(duì)應(yīng)于每一挺柱升程值的凸輪型值點(diǎn)坐標(biāo),最終得到進(jìn)、排氣凸輪由360個(gè)點(diǎn)組成的型線,如圖3-1所示。圖3-1 凸輪型線3.1.2單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立鑒于在動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)所需要的各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)可由CAD軟件經(jīng)過(guò)三維實(shí)

30、體造型精確計(jì)算得到，作者應(yīng)用Pro/E軟件建立了該配氣機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的實(shí)體模型,包括凸輪、平面挺柱、推桿、搖臂、氣門(mén)等,然后計(jì)算出其質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置，進(jìn)而在ADAMS軟件中建立其剛體模型，如圖3-2所示。在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際配氣機(jī)構(gòu)各部件的連接和約束關(guān)系，施加各種約束副,使配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)和受力形式符合實(shí)際情況。除此之外,還應(yīng)在凸輪與平面挺柱之間、氣門(mén)與氣門(mén)座之間定義碰撞力，在氣門(mén)與機(jī)體之間添加彈簧(主要參數(shù)包括剛度、阻尼、自由長(zhǎng)度、質(zhì)量等)。最后，根據(jù)示功圖以及不同的配氣相位在進(jìn)、排氣門(mén)頭部施加隨時(shí)間變化的氣體壓力。由于作者研究的是發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為，

31、故在模型中沒(méi)有考慮氣門(mén)間隙。3.1.3含柔性凸輪軸的配氣機(jī)構(gòu)總成模型的建立在3.1.2節(jié)所建立的單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型中，沒(méi)有凸輪軸的模型，實(shí)際上是把凸輪軸當(dāng)作了剛體支撐，更無(wú)法計(jì)及各缸配氣機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)力耦合。為此作者建立了含柔性凸輪軸的配氣機(jī)構(gòu)總成模型。對(duì)于凸輪軸柔性體模型的建立，不考慮凸輪的變形，可將其轉(zhuǎn)化為具有均勻橫截面的三維柔性梁模型，即離散為有限個(gè)剛性梁段，梁段間用彈性連接即彈簧-阻尼器連接。用離散的梁段可以很好地描述柔性體的慣性特征，用各個(gè)軸段間彈簧和阻尼器可以表示出該柔性體模型的彈性和阻尼特征，其示意圖如圖3-3所示。圖3-3 凸輪軸模型示意圖彈性連接可用下列方程表示為：式中:Fx,F

32、y,Fz,Tx,Ty,Tz和Fx0,Fy0,Fz0,Tx0, Ty0,Tz0分別是在局部坐標(biāo)系下作用在梁段上的力、力矩及其預(yù)加值； x,y,z和,是在局部坐標(biāo)系下梁段間的相對(duì)位移和相對(duì)轉(zhuǎn)角；vx,vy,vz和x, y,z是相應(yīng)的線速度和角速度；K1K6及C1C6為梁段的剛度和阻尼。對(duì)于作者所研究的凸輪軸,共有5個(gè)軸承支撐，彎曲剛度較大,如果忽略其彎曲變形，僅考慮扭轉(zhuǎn)變形,則上述方程可簡(jiǎn)化為： (2)式中：T,T0,K,C分別為梁段的扭矩、預(yù)加扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼；為梁段間的相對(duì)轉(zhuǎn)角；為梁段間的相對(duì)角速度。將單個(gè)進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)機(jī)構(gòu)按照氣缸的順序(從左至右編號(hào)為:1,5,2,6,3,7,4,8)固

33、結(jié)在凸輪軸上，并按發(fā)火順序調(diào)整各氣門(mén)機(jī)構(gòu)凸輪的起始角，在凸輪軸上每隔4個(gè)凸輪建立一個(gè)剛性約束軸承 (從左至右編號(hào)依次為:1,2,3,4,5)，得到的配氣機(jī)構(gòu)總成多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3-4所示。圖3-4 配氣機(jī)構(gòu)總成模型3.2仿真結(jié)果及分析3.2.1 單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型以排氣門(mén)機(jī)構(gòu)為例，運(yùn)用單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型對(duì)其在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真，得到排氣門(mén)的升程、運(yùn)動(dòng)速度、加速度曲線如圖3-5所示；凸輪與挺柱的接觸力曲線如圖3-6所示。圖3-5 排氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)特性圖3-6 凸輪-挺柱接觸力由圖3-5可知，氣門(mén)最大速度為2.24 m/s，最大加速度為1 694 m/ ，最大負(fù)加速度為-1 193

34、m/ ，出現(xiàn)在氣門(mén)開(kāi)啟即將到達(dá)最大升程的位置。由圖3-6可知，氣門(mén)升程的開(kāi)始和結(jié)束階段,凸輪與挺柱間的接觸力較大，最大接觸力達(dá)到了6.18 kN，出現(xiàn)在氣門(mén)升程開(kāi)始階段產(chǎn)生最大正加速度的位置。3.2.2 總成與單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型仿真結(jié)果對(duì)比采用配氣機(jī)構(gòu)總成的模型進(jìn)行仿真分析，將得到的結(jié)果與前面單個(gè)氣門(mén)機(jī)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3-7所示。圖3-7仿真結(jié)果對(duì)比由圖3-7可知,與單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果相比，由于考慮了凸輪軸的變形以及各缸配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力耦合的影響，由總成模型計(jì)算得到的加速度、接觸力曲線波動(dòng)明顯增多，幅值也有所增大。這表明，凸輪軸變形以及各氣缸配氣機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)力耦合，加劇了配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)

35、響應(yīng)，對(duì)其動(dòng)態(tài)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。3.2.3軸承力分析運(yùn)用總成模型還可以計(jì)算凸輪軸各個(gè)軸承的載荷，圖3-8是位于中間位置受載較大的第3軸承的載荷曲線。對(duì)比與之相鄰的2，3，6，7氣缸的各個(gè)進(jìn)、排氣門(mén)的升程(圖中虛線所示)，可以看出:由于在氣門(mén)升程的開(kāi)始和結(jié)束階段凸輪與挺柱間的接觸壓力較大，而凸輪所受的接觸力又要傳遞到凸輪軸軸承上，因此圖3-8中軸承載荷曲線上幾個(gè)較大峰值的位置都對(duì)應(yīng)著相鄰氣缸的2個(gè)或3個(gè)氣門(mén)升程的開(kāi)始或結(jié)束段，而且其值明顯高于單個(gè)凸輪的載荷值。圖3-8 第3軸承載荷總結(jié)與展望本論文通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)和虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的深入研究，利用ADAMS建模方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的單個(gè)配氣機(jī)構(gòu)模型和配氣機(jī)構(gòu)總成模型仿真分析。其具體工作如下：首先，通過(guò)對(duì)挺柱升程數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條曲線擬合,得到其關(guān)于凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。然后根據(jù)凸輪與平面挺柱之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,求出對(duì)應(yīng)于每一挺柱升程值的凸輪型值點(diǎn)坐標(biāo),最終得到進(jìn)、排氣凸輪由360個(gè)點(diǎn)組成的型線。其次，鑒于在動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)所需要的各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)，可由CAD軟件經(jīng)過(guò)三維實(shí)體造型精確計(jì)算得到。并且，應(yīng)用Pro/E軟件建立了該配氣機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的實(shí)體模型，