進(jìn)氣道是內(nèi)燃機燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過組織氣體在缸內(nèi)的流動，在很大程度上影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。研究進(jìn)氣道的流動特性，優(yōu)化進(jìn)氣過程中由進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸的空氣量、氣體的速度分布以及渦流和湍流狀況，對于提高發(fā)動機性能具有重要意義。

　　逆向工程是針對現(xiàn)有工件(樣品或模型，尤其適合復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面)，利用3D數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確快速地測量出反映其表面輪廓的點云數(shù)據(jù)，再使用逆向軟件構(gòu)建曲面，生成實體模型，然后根據(jù)工程需要，將實體模型輸入CAM系統(tǒng)加工所需模具及工件，或是將實體模型構(gòu)建為CAE模擬分析所需要的CAD模型，進(jìn)行計算仿真。

　　本文主要通過逆向工程軟件Geomagic Studio 10將某柴油機的進(jìn)氣道轉(zhuǎn)化為3D實體模型，并進(jìn)行CAE仿真分析和吹風(fēng)盒試驗。

　　進(jìn)氣道表面的測量和重構(gòu)

　　首先，要對進(jìn)氣道的表面進(jìn)行測量和曲面重構(gòu)。在逆向工程中，3D數(shù)字化測量儀器根據(jù)測量方式可分為接觸式測量和非接觸式測量兩類，接觸式包括基于力-變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集，一般采用硬質(zhì)探針或其他探頭在物體表面接觸掃描;非接觸式主要有激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法和圖像分析法等，一般以激光、超聲波和紅外線等媒介代替探針。這次使用的是德國ATOS公司的非接觸式結(jié)構(gòu)光掃描設(shè)備ATOS I，得到進(jìn)氣道表面的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

　　圖1 進(jìn)氣道的點云數(shù)據(jù)

　　在逆向軟件中的曲面重構(gòu)工作是整個逆向工程的重中之重，從應(yīng)用實踐上來看，目前的逆向軟件主要有兩種工作方式：一種是按正向的思路來進(jìn)行，以3D CAD軟件平臺為主，逆向軟件為輔，逆向軟件的主要工作是進(jìn)行點云處理，并獲取一些必要的局部特征線，同時構(gòu)建一些主要的曲面，特征構(gòu)建及實體造型仍是在CAD軟件中進(jìn)行，這種方法適用于主要由標(biāo)準(zhǔn)幾何特征構(gòu)成或結(jié)構(gòu)較多的零件;另一種是直接根據(jù)零件的點云數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)格模型，然后自動生成NURBS曲面，最終得到完整的由眾多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。根據(jù)幾種逆向軟件的特點和進(jìn)氣道開發(fā)任務(wù)的需要，此次選用了Geomagic軟件進(jìn)行進(jìn)氣道表面的逆向重構(gòu)工作。

　　圖2 建立三角網(wǎng)格面

　　Geomagic軟件就是以第二種方式進(jìn)行工作的，可以擬合出C1階連續(xù)的多個NURBS曲面片，進(jìn)氣道表面不是由標(biāo)準(zhǔn)幾何特征構(gòu)成，結(jié)構(gòu)又比較簡單，非常適用于Geomagic Studio軟件。首先將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲點，填補空洞等操作，得到表面光順、誤差小的三網(wǎng)格面，如圖2所示。然后進(jìn)入曲面生成模塊，按照曲率進(jìn)行分區(qū)，合理布置密度，用多個C1階連續(xù)的NURBS曲面包裹整個三角網(wǎng)格面，逆向重構(gòu)的曲面如圖3所示。在UG軟件縫合曲面就可以得到進(jìn)氣道的實體模型。

　　圖3 在Geomagic軟件中重構(gòu)曲面

　　對進(jìn)氣道實體模型進(jìn)行分析和加工

　　一方面，對于得到的實體模型，進(jìn)行CAE仿真分析，另一方面，將實體模型轉(zhuǎn)化為吹風(fēng)盒上下模型，進(jìn)行CAM加工，這次將使用5軸機床加工得到工程塑料吹風(fēng)盒。

　　仿真分析的結(jié)果要與氣道穩(wěn)壓試驗臺的測試結(jié)果進(jìn)行比較，所以計算模型要模擬穩(wěn)壓試驗臺的檢測狀況，即進(jìn)氣道的出氣口要建立和穩(wěn)壓試驗臺相同的模擬氣缸模型，進(jìn)氣道的入氣口要建立穩(wěn)壓箱模型，如圖4所示。

　　圖4 CAE仿真分析模型

　　經(jīng)過CAM加工得到的吹風(fēng)盒，可以在穩(wěn)壓試驗臺上進(jìn)行測試，這樣我們既可以與仿真分析的結(jié)果進(jìn)行對比，驗證計算的準(zhǔn)確性，又能夠與實際缸蓋部件在穩(wěn)壓試驗臺的測試結(jié)果做比較，檢驗?zāi)嫦蛏傻膶嶓w模型與實際部件的誤差，因5軸機床的加工需考慮分模問題，所以將吹風(fēng)盒分成上下兩部分分別加工，得到的芯盒模型如圖5所示。

　　圖5 吹風(fēng)盒的上盒(a)和下盒(b)

　　結(jié)果比較

　　對進(jìn)氣道的評價方法有很多，主要區(qū)別在于測量位置和計算方法的不同，這里使用的是英國Ricardo評價方法，對仿真分析得到的結(jié)果、吹風(fēng)盒在穩(wěn)壓試驗臺上的測試結(jié)果和實際缸蓋在穩(wěn)壓試驗臺上的測試結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)論是：不同方法得到的結(jié)果相差很小，逆向工程得到的進(jìn)氣道模型完全可以滿足開發(fā)過程的精度要求。

　　通過Geomagic軟件可以快速地獲得進(jìn)氣道的實體模型，一方面對進(jìn)氣道實體模型進(jìn)行CAE仿真分析，另一方面通過CAM加工將實體模型做成工程塑料的吹風(fēng)盒，經(jīng)過穩(wěn)流試驗臺測量，與缸蓋試驗值做比較，可以證明本次逆向設(shè)計生成的進(jìn)氣道模型完全可以滿足CAE計算的要求，并可以用于加工吹風(fēng)盒，精度也滿足進(jìn)氣道試驗開發(fā)的要求，而且可以極大的提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。