畢業(yè)論文：基于成像的熱建模和汽車零部件建模的逆向工程個(gè)案研究

湖北汽車工業(yè)學(xué)院

HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY

有熱特性需求物件的虛擬建模取決于如組件的幾何形狀，材料特性，它所處的環(huán)境條件和尤其是在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)組件的溫度曲線/熱模式等幾個(gè)方面的特征。在基于此需求的研究中，我們提出了對汽車零部件虛擬原型建立熱模型的數(shù)據(jù)采集方法。我們?yōu)橛嘘P(guān)三維幾何的復(fù)原和測量數(shù)據(jù)采集過程中溫度曲線的識(shí)別工具的應(yīng)用對基于鏡像的逆向工程流程做出了合理的詮釋。此外，我們列出了熱態(tài)模擬環(huán)境中深層次的逆向工程網(wǎng)格劃分成果并且為匹配熱成像序列進(jìn)行了有限元仿真。我們現(xiàn)有汽車方面的經(jīng)驗(yàn)可以用來解決熱模擬的問題，也可以在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模塊不可用的情況下驗(yàn)證虛擬汽車零部件。最后，我們從汽車零部件建模熱成像的可實(shí)現(xiàn)性和局限性結(jié)束了我對這個(gè)方向的探索。
關(guān)鍵詞：逆向工程；熱成像;熱模擬;汽車零部件
1． 介紹
自1980年以來計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的配合使用已經(jīng)徹底改變了許多工程學(xué)科。CAD和CAM技術(shù)都能幫助設(shè)計(jì)師快速地從概念圖紙或說明制作一個(gè)有形實(shí)體。我們可以從多年來幾個(gè)不同制造商正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)中看出如何現(xiàn)有的/過時(shí)的CAD物體的難題也得到了解決
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消聲器的熱圖像和在模擬環(huán)境下進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn)的熱圖像。我們在可核查熱成像的虛擬模型中可以看到類似的熱模式（彩色編碼）。
把圖插入
我們寫這篇文章是為了拿我們在汽車方面的已有的經(jīng)驗(yàn)與虛擬原型的汽車零部件的熱模型做交流。以此目的在第2節(jié)，我們對實(shí)際建模和實(shí)體有限元模型仿真的理論背景做了回顧同時(shí)也闡述了熱成像系統(tǒng)的基本原理。我們在邏輯上推理我們的方法并且標(biāo)定了虛擬熱建模系統(tǒng)的需求。實(shí)體三維網(wǎng)格劃分也成了標(biāo)定的模擬需求之一，我們通過使用3D激光測距掃描儀掃描逆向組件展示了我們的系統(tǒng)。在第3節(jié)將介紹有關(guān)與形狀的保真度和降低適合熱建模工具的復(fù)雜性元素模型的過程和逆向工程流程的理念。第4節(jié)中，我們總結(jié)了熱數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗(yàn)和汽車部件實(shí)體熱模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。最后，我們將對延伸這項(xiàng)研究中所提及的觀點(diǎn)做出結(jié)論同時(shí)對可能會(huì)限制我們研究方法的問題進(jìn)行歸檔。
2.熱建模和成像
我們想法的靈感是來自幾個(gè)較早用熱圖像表現(xiàn)既定組件熱模式的汽車零部件檢測嘗試。經(jīng)過一段時(shí)間，汽車零部件的熱圖像分析在形式上已經(jīng)改變，檢查材料或位置等這些方面的潛在的異常相比于拆解和繁瑣的故障排除過程減少了時(shí)間和體力工作浪費(fèi)。圖像分析從工業(yè)中流體流動(dòng)的分析到正在設(shè)計(jì)中基于快速成型的復(fù)雜的散熱組件的設(shè)計(jì)等的應(yīng)用激發(fā)了我們探索的熱情。
我們嘗試使用可以拍攝圖像的實(shí)時(shí)熱性能來驗(yàn)證綜合的虛擬熱性能熱模式的想法與Dai etal.(2004)論文中的結(jié)論不謀而合。他們的努力得到了回報(bào)并且他們實(shí)驗(yàn)性的結(jié)論為我們有關(guān)實(shí)體熱圖像和模擬熱圖像的比較做了鋪墊。我們的工作在熱性能仿真方面以及調(diào)查實(shí)驗(yàn)的可實(shí)現(xiàn)性和用測輻射熱計(jì)獲得實(shí)時(shí)熱數(shù)據(jù)進(jìn)行的汽車部件的熱成像模擬局限性限時(shí)基本上遵循論文（Dai et al. 2004）�，F(xiàn)在，我們將引進(jìn)一些、針對綜合汽車零部件熱圖像/熱成像的熱建模過程的基本原則，然后列出這一過程的各種要求。
熱建模：通過長期熱建模，我們得出結(jié)論在理解并且為物體的形狀分配材料性能的過程中，運(yùn)用這些專業(yè)知識(shí)和技能夠減少熱成像對初始化參數(shù)和求解熱傳導(dǎo)方程的影響。因此在熱建模后，可以基于既定對象熱的輻射特性實(shí)現(xiàn)熱圖像的合成 。例如，根據(jù) (Lienhard et al.2004）中的公式：凈熱交換Qnet由兩從一個(gè)特定角度觀察非黑體的任意曲面間的輻射。

其中T1和T2是兩個(gè)面的表面溫度，F(xiàn)1-2是從表面一發(fā)射出來和表面二吸直接收并通過直接反射能量的比值，A1是面積，s是Stefan-Boltzmann輻射常數(shù)。輻射現(xiàn)象是一個(gè)非線性的過程，由于輻射熱能發(fā)射與絕對溫度的四次冪成正比。我們有必要引進(jìn)輻射檢視因素的概念來從一個(gè)特定的觀點(diǎn)計(jì)算兩表面間的輻射換（Ketkar1999年）。檢視系數(shù)是用于輻射計(jì)算模型中每個(gè)元素強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的光線數(shù)量的估算。在我們所列舉的例子中，被估算的檢視系數(shù)的數(shù)量越多求解基于模型元素的數(shù)量用的時(shí)間就會(huì)越長。視圖因數(shù)FIJ被定義為從i表面反射走的熱能比投影在表面j上的比例，它可以用以下公式來體現(xiàn)。注意下角標(biāo)！

其中A i和Aj是表面i和表面j的面積，Ui表示表面i與表面j與位置相關(guān)的法向量間的角度，UJ表示一個(gè)正常估測的長為R的線。我們對不同的角系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了探討，例如，（Daurelle etal，1994年，Chai etal2001年，Schmidt 2004年）。我們將使用基于熱分析的商用軟件包MUSES（約翰遜1998）中相關(guān)的角系數(shù)。
2.1模擬的要求
在MUSES虛擬環(huán)境中的熱圖像模擬需要整合外界環(huán)境條件和實(shí)時(shí)的熱性能以取得良好的效果。模擬方式的技巧和識(shí)別待進(jìn)行分析完善組件的技巧，材料和熱性能，幾何學(xué)的熟練運(yùn)用能力都是仿真需要的前提。掌握這些相關(guān)特性的知識(shí)有助于更好的獲得正要進(jìn)行分析的組件熱性能�，F(xiàn)在，我們要總結(jié)上述性能的要求。
A. 幾何組件
迄今為止既定模型的幾何圖形是熱建模的最重要的要求。“幾何圖形”一詞是指CAD文件或?qū)嶓w裝配中一組由頂點(diǎn)，曲線，曲面和固體等不同的特征的表示形式。三維網(wǎng)格，可以從CAD或其它3D建模工具生成，也可以通過逆向工程生成。創(chuàng)建熱網(wǎng)格的過程是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。我們需要用建模的專業(yè)知識(shí)和先進(jìn)的工具，來對既定組件進(jìn)行完美的三維網(wǎng)格劃分。均勻的縱橫比和均勻的法向量的網(wǎng)格劃分可以更好地避免熱流方向的影響。
此外，我們注意到仿真所需的時(shí)間是和網(wǎng)格的密度成正比的。過密的網(wǎng) ……（未完，全文共4674字，當(dāng)前僅顯示2360字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于成像的熱建模和汽車零部件建模的逆向工程個(gè)案研究》）