发动机气道几何曲面模型的重构设计本科学位论文.doc

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1、 摘要毕业设计（论文） 题 目 发动机气道几何曲面模型的重构设计 院 （系） 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 教授级高工 评阅教师 职称 2014年 6 月 4 日 摘 要 逆向工程是对已有产品进行逆向再设计并使新产品更优于原始产品的技术。逆向工程的设计步骤一般包括对产品的点云采集（可通过各种接触式或非接触式的测量方法），点云的处理（经过数据处理才能满足曲面重构的要求），点线面的重构（曲面构建过程中的光顺性分析对模型的质量有很大影响），对实体进行加工设计（曲面必须转换成实体才能进行有限元分析）。在本文中，使用Imegaware以及UG两款设计软件对CB150摩托发动机进气道点云数据进

2、行以上的处理，在UG NX8.0软件中完成进排气气道三维几何曲面模型重构并输出CFD网格图。关键词: 逆向工程 曲面重构 光顺性分析 实体建模 II ABSTRACTABSTRACTReverse engineering is one advantage technology that the new product is reversal design and its perference is better than old type. The design steps of reverse engineering generally include the point cloud acq

3、uisition 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 of point, line and side and during the process the smoothness analysis has a great influence on

4、the model surface quality, process designing of the entity and the curve must be converted to an entity for finite element analysis.In this paper, the point cloud data of CB150 motorcycle engine inlet part is dealed with Imegaware and UG software. The reconstruction of 3D surface model is finished w

5、ith UG NX8.0 software and CFD grid graph is outputted.Keywords: reverse engineering；surface reconstruction；smoothing analysis; solid modeling.II 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论12 发动机气道曲面重构过程理论分析21.1发动机气道表面数据的测量21.2 基于点云数据构建发动机进排气气道三维几何曲面31.2.1原始点云数据的处理31.2.2 曲面的划分与曲线的拟合41.2.3曲面重构51.2.4重构曲面光顺性准则及分析61.2.5曲面光顺

6、性准则61.3实体造型72 发动机气道曲面及三维模型的重构82.1 软件简介82.1.1 Imageware简介82.1.2 UG NX8 简介82.2 CB150摩托车发动机气道片体的重构92.3 CB150摩托车发动机气道实体的构建163 CFD系统网格划分194 结论20参考文献21 绪论1 绪论近十年来，发动机设计及制造工艺技术突飞猛进，对发动机性能，燃油消耗等一系列性能指标提升越来越迅速。而消费者也将眼光着重于发动机的油耗、烟度、功率等各项工作指标。因此对发动机的优化是设计者们不断努力的目标。而发动机进气道作为发动机的咽喉部位对发动机效率等工作指标有着关键的作用，因此对发动机进气道的

7、优化可以使发动机获得良好的动力性、经济性和改善发动机的排放性能。因此，发动机进排气道的设计也是发动机设计的一个重点环节。但是，在发动机的传统设计过程中，与其他零件设备设计过程不同的是，由于发动机进气道的几何曲面特征较为复杂，设计人员无法准确的给出进气道的具体参数，以及准确的工程图，只能通过设计人员凭借草图以及经验对进气道进行模拟试凑出符合条件的进气道模型。当然这种方法有很大的缺点，由于伴随着较大的不确定因素，导致不仅设计开发周期长，耗费大，而且所要的理想结果与通过上述方法所的设计产物有很大的差距。为了解决这种传统设计方法的不足，在进排气道的设计和改进中，我们提出了先进的现代设计方法（逆向造型技

8、术）。二十世纪八十年代左右，欧美等一些发达国家的高校和工业领域已经开始涉足于逆向工程领域。在早些时期，由于当时设备的不先进和整体技术发展不完善，导致所制作出的产品做工粗糙品质得不到保证。随着技术的日臻完善，出现了以探头获取目标产品外部的扫描设备，而后进一步开发出非接触式设备，通过激光，声波等技术，计算反射时间得出距离并以此得到点云数据。运用逆向工程软件对采集到的点云数据进行处理制作，然后将重构出的曲面输入三维软件（CATIA、UG、Solidworks、Pro/E等）进行实体造型，最后将构造出的曲面三维模型输出CFD图。伴随着现代工程的需求，该系统在内燃机进排气道设计上的应用已成为发展的必然趋

9、势。本次设计内容为CB150摩托车发动机（风冷、单缸、两气门）的进排气道曲面重构、实体造型、CFD网格输出。因为对气道进行优化可以进一步提高发动机的各项性能指标，所以本论文具有工程实际意义。20 发动机气道曲面重构过程理论分析2 发动机气道曲面重构过程理论分析1.1发动机气道表面数据的测量逆向工程技术中点云数据的采集是指通过其特定的测量设备以及测量方法来获取产品表面离散点的三维几何坐标数据。能否高效、准确地采集到产品表面的三维几何坐标数据，而完美实现逆向工程的基础和关键技术之一就是能否准确快速高效地获取目标产品表面的三维立体几何坐标数据。根据测量的方式不同，可以将点云数据测量设备分为接触式和非

10、接触式两大类型。(1).接触式：在逆向工程领域，接触式数字化测量设备以CMM为代表，利用探头上的传感器与被测的工程表面接触来获取信息。 CMM由于利用编程规划扫描路径，需要一次一次的获取被测形面上一点的（x，y，x），因此在数字化速度上比较低。与非接触式测量设备相比，它具有更高的精度以及受周围环境的光照等因素的影响较小，而且对与目标产品的边界也能较为准确的得出我们想要的测量结果。由于探测头的几何条件限制，可能丢失某些探测头由于不可抗拒因素而无法到达的细节数据，并且可能由于材料的原因也会导致探测头无法获取表面数据。因此，可以对一些内部结构简单，特征几何结构简单的被测目标面进行很好的测量以及采集数

11、据。当被测表面满足以上条件时，CMM是一种非常可靠的有效的三维数字化手段。但是它所具有的缺点也是非常明显的：价格昂贵，对使用环境的要求过高，测量速度过慢，对目标面的测量密度较低，而且在测量过程中需要人为干预。对于CMM来说，对测量结果还要进行补偿计算，包括探头损伤及探头半径补偿。(2).非接触式：非接触式测量方法主要是利用光学，声学，磁性等一些基本原理，将其特定的物理模拟量经过合理的算法进而转化成目标产品的三维几何坐标。非接触式测量方法很多，如逐层扫描测量、激光扫描测量等，其中，逐层扫描测量法主要用于复杂内轮廓的高速测量，在产品制造过程中，我们经常使用到的有逐层切削照相测量以及工业CT。工业C

12、T虽然造价昂贵，成本相对逐层切削测量较高，而且测量准确度拥有较大偏差，但它可以在测量产品是对产品进行妥善的保护，因此可以对没有复件的产品进行扫描。逐层切削照相测量是以非常小的测量厚度去对目标产品进行逐层测量，从而可以得到各个断面的轮廓测量数据，这样使得测量精度相比于其他测量方式得到提高，虽然一定程度上看来成本叫工业CT下降了不少，但是由于损坏的测量产品，因此在选择时也应慎重考虑。在如今的逆向工程领域的点云获取技术中，工业CT和逐层切削照相测量占了很大部分比重。另一方面，激光测距法就是利用激光在传感器与测量产品表面的飞行时间计算出被测产品表面的三维几何数据。非接触式测量设备的测量速度得到了质的飞

13、跃，一些激光点云获取设备的工作效率可以达到在很短时间内获得百万计的点云数据，因而在整个测量过程中可以极大程度上减少人力资源的浪费，将多余的人力资源投入到别的工作步骤中去。不过，由于利用非基础测量方法获得的点云数据数量极为庞大，因此必须以高性能计算机和辅助设计软件进行辅助设计才能进行。由于所要求的三维曲面模型与原实物样件的几何误差要求控制在mm（不高），所以我们采用非接触式激光扫描法测量进排气气道零件表面数据。当运用非接触式激光扫描测量法时，产品内部无法得到扫描，为此，必须采用复模技术，浇出气道阳模，即气道模型，进而用激光三坐标测量仪测出该阳模的表面三维坐标。再者就是，由于激光测量方法有测量焦距

14、和景深的限制，一次就可以得到完整的点云数据是不可实现的，因此多次测量是完成数据测量的唯一方法，然后运用软件对测量数据进行三维空间的修补与拼接。由此得到描述零件表面的点云数据。1.2 基于点云数据构建发动机进排气气道三维几何曲面在反求过程中，我们都会采用正向设计，即为由点成线，再由线到面，最后由面做成实体。以产品为原型，在不知设计意图的情况下，通过表面点云数据进行曲面的重构。在这个过程中，基于点云构建几何曲面的流程主要包括：点云数据处理，点云提取，特征线重构，曲线拟合，曲面重构，曲面质量分析和编辑。1.2.1原始点云数据的处理由于激光扫描所获得的数据量庞大的点云数据中往往含有许多的杂点，噪声点等

15、我们不需要的点云数据，影响到了我们后续所要进行的重构设计。因此为了整个反求设计的工作的顺利完成，我们需要对点云进行处理，常用的方法包括：滤波去噪，数据精简以及数据差插补等一系列内容。1)滤波去噪对于获取的三维几何数据，我们在进行曲面重构等中后期处理及制作时，由于很多客观因素，例如被测产品的实体表面的波纹、粗糙度以及一些其它存在于其表面的物理缺陷等，另外，还有来自测量系统机器本身的不可忽略的影响，比如由于激光散射斑纹所造成的非线性误差、系统分辨率和采样误差等等，以及人为操作等客观影响，在目标产品表面的三维几何数据的采集过程中，使影响采集结果的噪声点混入采集数据中，这样会导致我们在进行曲线曲面重构

16、时产生光顺性评估较差，影响重构结果。因此，要像获得满意的采集数据，就必须要对所得结果进行处理。噪声在采集数据中明显的表现就是其中含有较多的杂项点以及噪音点，曲率法，距离值法以及弦高法是我们比较常用去噪方法。这些去噪方法具有一些相同的去噪思路：在阀值给定的条件下，如果采样数据大于规定阀值就会被判定为异常点；但这几种去噪方法有所不同的方面是在选择的阀值时，曲率法的度量阀值是相邻点之间的矢量夹角，而相邻点之间建立的连线的距离则是弦高法的判断阀值，距离法则是将相邻点之间直线或平面距离来作为度量阀值。2)数据精简对点云的数据精简方法有很多，比较常用的就是先确定一个最小距离当做比较值，使相邻点间距离与这个

17、值进行比较，如果点间距离小于比较值那这两个点就保留下来，反之则删除。还有一些别的方法，比如斜率法等可以用于数据的精简和筛选从而达到我们所预期的数据结果。3)数据插补由于激光反射原理所和被测产品所具有的复杂几何特征，导致在被测产品的复杂几何特征出出现数据丢失等。在后期数据处理中，不能缺少必要点云数据，因此我们要对未得到的数据进行处理。比如，在测量过程中我们一定会使用到夹具或者支撑道具，这样就会导致我们无法获得夹具或支撑道具与目标样件所接触的部分的点云数据丢失。数据插补就是根据缺失数据周围的三维坐标信息插补出缺失的坐标信息，这样就可以让我们最大限度的使实体模型的信息更为全面可靠，方便我们进行后续处

18、理与重做。在进行数据插补时，可以采用以下两种发发进行：第一种就是将数据进行网格化，然后讲空缺的孔洞进行多边形话，再将多边形做成多个三角形网格，调整三角形网格化顶点进行插补；第二种是，利用插补的方法补缺遗失的点。另外，当我们在对目标样件进行数去获取，可能由于复杂的表面导致激光散射，从而造成坏点和缺失点，这是我们要先删除坏点再进行插补缺失点。1.2.2 曲面的划分与曲线的拟合在逆向工程中，数据处理是重要的一步，而后对数据的加工更为重要。通过对点云制作（包括曲线曲面拟合）才能满足对产品逆向设计的条件。（1）曲面的划分：当使用处理后的点云数据进行重构设计时，划分零件的曲面部分是非常重要的，其原因只要是

19、曲面的划分直接影响到重构曲面的构造方式，拼接，缝合以及三维实体模型的建立。对自由曲面来说，曲面片划分的好坏，不仅影响数据处理变的难易，而且影响曲面的最终精度。曲面划分的方式主要有自动划分和手工划分两种。在此我选用手工划分方式。（2）曲线的拟合及修改：插值方法通常用于精确点的测量。逼近法表达了对数据点总体最优逼近的程度。曲线插值和逼近可推广到曲面的插值和逼近。插值和逼近统称拟合。反求设计时要求曲线通过给定的数据点，由于数据点的数量往往超过曲线的次数，这就不能保证生成的曲线插值于给定点，而只能逼近，即曲线拟合。找出组成零件各个曲面片的特征点，并对这些特征点进行拟合成为决定该曲面形状的特征线。对这些

20、初始拟合曲线的修改、编辑使曲线获得理想的形状。1.2.3曲面重构曲面重构是通过数学模型等一系列方法将采集到的点云数据进行实体化，经初步实体化的点云数据进行加工、形状修改、有限元分析和模具制造。其中曲面重构大致分为两种，一类是通过测量的点云数据经过提取直接进行曲面拟合，另一了类是由前面拟合得到的曲线进行曲面重构。目前，Imageware软件提供的曲面拟合方法有：三边Bezier曲面法、多项式插值法、Nurbs曲面法。（1）三边Bezier曲面法：这种构面方式要求工作面是基于曲面网格三角形上，曲面的三边结构在造型几何错乱的条件下会有非常良好的稳定性，并且该方法方便灵活，实用性强，可以对散乱点云数据

21、进行曲面拟合。（2）多项式插值法：多项式函数表达式形式简单，并且无穷次可微，所以足够光滑。当需要满足的插值条件增多时，多项式插值曲线的次数就会随着升高，曲线的摆动幅度也会随着变大。这将造成计算上的不稳定，局部修改能力差。一般不用在较复杂的空间曲线曲面上。（3）Nurbs法：Nurbs法是建立在的B-spline和Bezier基础上的，它较好地实现了解析几何与自由曲线曲面的统一，在逆向工程软件中有着举足轻重的作用。Nurbs法对几何体的局部参数有很好的固定作用，减少误差变动，在产品的空间几何三维数据进行旋转，透视等变换时，有非常好的稳定性，并且在使用时会有良好的配合方式对几何体的各个参数进行分析

22、计算。对于由拟合得到的曲线重构曲面，这种方法主要是利用样条曲线通过四边界面、扫掠（Sweep）、混合面（Blend）、直纹面、N边曲面等方法实现。针对本次设计，我们选用Imageware三维逆向软件处理点云数据，经过软件交互，提取出曲面，从而构造出曲面。曲面的构造方法主要有：放样法、旋转法和我包络曲面法。一般情况下，选择放样法居多。1.2.4重构曲面光顺性准则及分析曲线光顺性准则曲线光顺准则如下：(1)二阶光滑性：1)曲线的二阶导矢连续，从而曲率连续；2)低次样条曲线一次（在节点处的曲率可能有一个跳越，此时要求曲率跃度节点处左右曲率差）之和尽可能小；(2)不存在多余拐点，即不允许出现下述情况：

23、1)曲线应出现N个拐点，而拟合时却多于N个拐点；2)不应该出现拐点的地方出现了拐点；(3)曲率变化比较均匀；(4)不存在多余的变挠点m挠点指挠率为零的点，通常与挠率变号点相关)，即不允许出现下述情况：1)曲线应出现N个变挠点，而拟合时却出现多于N个变挠点；2)不应该出现变挠点的地方出现了变挠点； (5)挠率变化比较均匀：1)挠率不连续栉点处左、右挠率差)跃度和足够小。2)挠率的变化比较均匀，无连续变号。1.2.5曲面光顺性准则曲面的光顺性在逆向工程中起着评判重构设计的结果是否合格的标准，但是，对于光顺性准则没有准确的规定，规则只是相对与产物是否满足该产品所需要的工作条件或者说是符合重构完成后的

24、主观条件是否合格。曲面光顺性准则的大致内容可以分为以下几点：（1） 曲面的各个参数线是否达到光滑。（2） 曲面的三角形网格线不应存在多余的拐点和变挠点；（3）曲面的高斯曲率变化是否均匀；（4）所构曲面与某一组等间隔并且与之平行的相交截面的线条是否光顺。虽然曲面的光顺性评价非量化指标，但是目前已有许多种检查重构曲面光顺性的方法，在此可以大致分为三类：（1）基于曲率的方法：眼下，成熟的商业化逆向工程软件都具有完整的曲面光顺性分析功能，同时一款软件会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。当软件对曲面光顺性进行分析师，大多采用的是对曲面进行光照渲染，通过不同的着色来反应曲面的

25、光顺程度，从而对曲面的质量进行评估。其中大致可以包含以下几种方式：绘制曲率云图来反映曲率变化过程，对曲率线等进行分析制作以及曲曲面聚合处分析图。（2）基于光照模型的方法：在如今的机器零件制造业，对其产品的外部轮廓甚至于细微局部的光顺性有很严格的要求，但是由于某些限制，比如计算机屏幕分率等一些客观原因导致很难对其光顺性有着正确的判断。而且对于一些例如汽车，飞机，轮船等产品的大型覆盖零件，不仅尺寸巨大而且要求也很高，因此导致使用曲率云图等曲率方法已经很难符合曲面光顺性的要求。因此，对所制作出的几何体进行光照模拟，然后对渲染的光照着色进行分析对比从而得出其光顺性评估。这个中方保大致包含含了这几种方式

26、：反射线法，高光线法，等照度线法以及真实感图形法。（3）等高线法：曲面S1与一组与之平行的平面S2的交线称为曲面S1的等高线。通常是S2是平行于坐标平面的等距平面。我们可以通过分析S1的等高线疏密程度变化是否均匀或者等高线是否光顺来判断S1是否光顺。1.3实体造型实体造型技术是在计算机领域中通过其各种功能建立三维实体模型的核心技术。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。从形体的构成中，我们知道，实体是由空间封闭面组成的，面是由封闭的环组成的，环是由一组相邻的边组成的，边又是由两点确定的。所以，点是最基本的信息(拓扑信息)。几

27、何模型的所有拓扑信息构成了拓扑结构，它反映了模型几何信息之间的连接关系。由点云数据拟合得到的曲面是一种表面模型，表面厚度为0，缺少面边相邻的实体拓扑信息，需要进行实体建模。实体建模是指在选定的CAD/CAM软件中将数据拟合得到的曲线、曲面转化为实体。对于由多个曲面表示的零件（壳体），只需要进一步确定零件表面的面、边、顶点信息，就可以构成实体模型。在CAD/CAM系统中只要曲面间的间隙不超过规定的误差范围，就可以用包封实体的方法生成相应的实体；也将曲面沿一定的方向延伸一定的距离来生成实体。本次设计采用先在逆向软件Imageware中构建出面之后导入UG NX8.0中生成实体，并在UG NX8.0

28、软件中进行有限元网格划分的先后顺序。2 发动机气道曲面及三维模型的重构2.1 软件简介2.1.1 Imageware简介Imageware 由美国EDS 公司出品，后被德国Siemens PLM Software所收购，现在并入旗下的NX产品线，是最著名的逆向工程软件，Imageware因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。2.1.2 UG NX8 简介UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字

29、化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。其曲面建模完全集成在实体建模之中，采用了Nurbs、B样条、Bezier等数学算法，支持雕塑曲面、扫描曲面、直纹面、列表柱面、等半径和不等半径倒圆曲面等多种曲面类型，提供了较完备的曲面编辑修改工具。UG软件实现了面与体的完美集成，可将无厚度壳体缝合成实体。 发动机气道曲面及三维模型的重构2.2 CB150摩托车发动机气道片体的重构利用Imageware13.2软件对已有点云CB150.imw进行处理并进行A级曲面构造，要求所构造的发动机进排气气道的三维曲面模型，与原实物样件的几何

30、误差控制在1mm程度，三维曲面各子曲面块的连接一般要求有几何一阶连续，且不应存在面积过小的子曲面面块。为了获得气道片体，则需要将气道模型点云数据导入到Imageware软件中进行操作。图2-1. 气道原始点云数据由于导入的点云数据为三角网格化数据。在此，我先将点云去除三角网格化并剔除噪音点云，然后切到F3视角进行B-Spline曲线的绘制和调整。其中，绘制样条曲线是为了对点云进行切片处理。图2-2. 圈选点云去除噪音点点云的降噪处理需要分为两步，先用圈选命令去除大量的点再用点删除命令去掉散乱的单个点。图2-3. 点云处理后的点云文件图2-4. 曲线定位截面截取点云 对于处理得到后的点云数据，进

31、行观察后发现需要利用曲线方法进行曲线定位截面截取所需要的点云数据，因此创建图2-4所示的红色曲线，再进行曲线定位截取截面点云。图2-5. 绘制B样条曲线并由绘制的曲线截面定位点云得到点云切片从上面的点云数据可以看出所得到的截面并不理想，因为截面曲线中有些我们并不需要，还有就是有些位置需要密集的截面采集，我需要利用点云圈选工具对红色的点云进行优化处理，然后利用点云互动方式进行交互式（如图2-6所示）的点云切片操作。经过上面的处理得到理想的截面点云数据之后，此时，我们需要将得到的截面点云数据拟合成封闭曲线（此处给予所要生成的曲线20个跨度）并利用曲图2-6. 交互式点云提取率梳状图分析所拟合出的曲

32、线的误差（由图看出最大误差为0.08mm1mm，满足题目的要求）由于通过这样操作得到的曲线并不满足光顺性要求，我们还需要交所拟合出的曲线进行光顺处理（如图2-8所示）。图2-7. 曲率梳状图有时候通过拟合得到的曲线不能直接拟合生成曲面，因为它们的曲线方向不一致，如果强行生成曲面则会出现一定程度上和扭曲，往往得不到理想的结果，此时就需要将曲线的方向和起点协调为一致（曲线方向改为一致的前后的效果如图2-7和图2-8所示）。Imageware软件为此提供了强大的功能，在此，我们先改变曲线方向为一致，然后再改变曲线的起始点位置。图2-8.光顺处理得到的曲线曲率图图2-9. 方向和起始点位置协调为一致的

33、曲线经过上面的处理完成后，现在可以进行Loft曲面了。由于这里做的是曲面片，所以，Loft曲面时不会对曲面进行封闭。对于构造出的曲面往往不能满足设计者的意图，所以我们需要对曲面进行适当的修改。其中，曲面的修改主要是图2-10. Loft命令生成的部分曲面曲面的延伸、桥接、修剪。桥接过程中要保证曲面为几何一阶连续。图2-11. 气门位置处曲面修改前后对照（左下为修改前，右下为修改后）截取燃烧室的顶部点云数据，通过点云逼近方法测量出点云最接近的形状，从测量结果可知，燃烧室顶部为半球形。为此，我选择简易平面拟合中的球形（从图2-12中可以看到，采用四点球形拟合出的球与顶部点云的最大误差为0.9，满足

34、要求），然后再截取球形边缘的四块平面点云，通过拟合成平面再延伸，然后利用平面再对拟合得到的球形进行修改。图2-12. 燃烧室拟合构建图2-13. 球形燃烧室修剪图通过交叉曲面进行修剪的过程为图2-13中的左图到右图的修剪过程。然而从右图中我们还可以看到燃烧室里面还有延伸的气道曲面未修剪完成，所以这里我们继续利用交叉曲线进行双面修剪得到图2-14，最后对曲面各个边界进行倒角和封闭，得到完整的片体如图2-15所示。图2-14. 内部曲面修剪图图2-15. 所构建出的完整的片体模型通过反求得到的气道曲面壳体模型中大部分为复杂的自由曲面，且是非参数化的，故需要对曲面采取定性分析。在此我选用反射光分析方

35、法（反射光分析方法的主要原则为：只要曲面反射光线没有明显的成片现象，就认为是满足光滑要求（曲面片的连接要求几何一阶连续）；如果反射光线不成片集中，则意味着曲面连接的非常好）。通过观察，气道满足光滑要求。最后我们将文件导出存为CB150OK.imw图2-16. 曲面光照分析图2.3 CB150摩托车发动机气道实体的构建UG软件对曲面的缝合能力较强，它可以利用封闭的曲面片直接将曲面片缝成实体。将CB150OK.IMW转化为CB150OK.IGS，打开UG NX8.0软件，新建模型并导入CB150OK.IGS文件，新建一截面，从新建截面可以看出，这并不是实体，因此，我们需要用UG中的缝合（Sew）功

36、图2-14. UG软件中片体的截面图2-15. UG软件中实体的截面能将进气道端面、进气道曲面、燃烧室顶面、进气阀外轮廓面、气缸顶面、气缸壁曲面、底面缝合封闭成为实体模型。为进行有限元网格的划分做铺垫。图2-16. 气道实体模型将UG软件切换到装配界面，将气道定位为WCS的中点，创建辅助截面将气门和燃烧室按约束导入UG中将4个部件组装成一个整体，以便于做CFD网格的划分工作。装配过程中，气门阀一定要装配到位，进气门间隙控制在0.20.25mm，排气门间隙控制在0.290.35mm。图2-17. 包含气缸壁、进气阀的气道实体模型 CFD系统网格的划分3 CFD系统网格划分气道CFD的任务是：计算

37、气道内的三维流动、分析流动特性，提供给缸内研究。通过对气道内气体流动的模拟计算，不仅可以获得气道气阀气缸之间的相对位置对流动宏观特性的影响，而且可以获得气道内压力、流速、湍动能等参数的分布规律，并建立气道形状与其流动特性的关系，为设计和改进提供依据。气道三维流动分析的目标是首先要保证气道曲面光顺，使气流沿程流动阻力最小，获得高的充气系数，同时必须能形成合适的涡流比。对CFD网格的划分我选在UG NX8.0中进行，首先在装配完成图中将UG界面切换到高级仿真界面，在仿真导航中选中实体建立FEM和仿真，建立理想模型设置实体网格为2mm，由于自动网格划分对于此类实体而言更为精准，所以这里我选择自动网格

38、划分。最终得到97588个单元格，20591个节点。图3-1. 网格划分后的模型图以及网格汇总 结论4 结论本文提出了对进排气道的复杂曲面特征进行重构设计的方法。首先，通过激光扫描设备对进排气管道进行数据获取，然后对获得的点云数据进行处理加工，包括插补等一系列方法使其满足而后所要进行的工作；进一步按块进行基于曲面几何特征的曲面构造，再将各块曲面模型编辑处理后进行拼接，形成一个整体曲面，其对曲面的光顺对重构曲面模型的质量有很大影响。目前，世界范围内的企业对逆向工程的研究还在发展，但是由于该项技术发展时间的原因，发展程度不完善，因此各类逆向工程加工软件都会有瑕疵，不能达到理想的要求。本次设计用Im

39、ageware和Siemens/UG软件进行了CB150摩托车发动机进排气气道（含燃烧室、气阀外轮廓部分）三维模型的重构，重构的模型可满足有限元分析的要求。重构过程中得出如下结论：1、对气道用激光无接触三维扫描仪进行测量前，须首先用复模技术造出气道阳模，才能进行下一步测量。2、对于气道这种几何曲面较为复杂的弓箭，一次测量不足以得到需要的所有数据，因此要进行多次采集，并且通过插补等方法加工数据。3、在对点云处理时，一定要将关键位置的噪音点去除，否则对后面的曲线曲面重构会有很大影响。4、进行曲面重构前对零件曲面的划分的好坏将直接影响到曲面重构的难易繁简。如排气道曲面片划分的过多，有些小面重构时难以

40、进行合理的约束。5、曲面的重构过程中，为了提高精度，应尽可能多地抽取结构线。6、交互式点云截面的截取对于整个过程很有必要。7、点云软件的定位不够自由（不能按照自己的意愿进行自创平面的定位），有待进一步进行优化设计。参考文献1.黄俊明主编UnigraphicsII模型设计M.中国铁道出版社.2002.2 Unigraphics Solutions Inc.著李开林，何芳译UG工业设计培训教程M清华大学出版社2002.3 王志，黄荣华等基于CAD/CAM/CFD的发动机气道研究J内燃机工程20023.4 王军杰，严隽琪等汽车发动机进气道自由曲面的反求J中国机械工程20017.5 李江雄，柯映林，程

41、耀东基于实物的复杂曲面产品反求工程中的 CAD建模技术J中国机械工程19994.6 金涛，单岩等商品化CAD/CAM软件反向工程功能评述J机械设计20005.7 黄小平等逆向工程中的建模技术J中国机械工程20015.8 徐锋，王思益等复杂曲面体的反求设计及开发J现代制造工程200210.9 陈志杨，李江雄等反求工程中的曲面重构技术J汽车工程20006.10 王枫红，郑时雄等逆向工程中自由曲面重构的算法探讨J现代制造工程200211.11 李江雄反求工程中复杂曲面边界线的自动提取技术J机械设计与制造工程20003.12 田晓东，王辉等反求工程中三角网格拓扑生成的算法研究J机械设计与制造工程，20019.13 邢渊制造领域中反求设计方法及其应用研究J中国机械工程20014.14 杨燕勤，唐爱红汽车发动机气道设计与制造技术的研究与应用J机械设计与制造工程2001.3.15 许振忠，肖浩栋等进气道对火花点火发动机性能影响的实验研究J汽车技术20016.16 张宝欢，郝志勇高速摩托车发动机的性能改进与设计研究J内燃机学报2001.5.