三维扫描技术的废气涡轮增压器数字化设计【字数：10667】
摘 要涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。是汽车发动机的重要部件，赋予了汽车更强大的动力性，但因其复杂的外形结构难以用正常的方式研究。本文基于三维扫描技术要对其蜗壳和叶轮进行数字化设计并还原其模型，在有限的条件下进行适量的有限元分析。
目 录
1. 绪 论 1
1.1引言 1
1.2本课题研究背景、目的和意义 1
1.3国内外涡轮增压器研究现状 1
1.3.1国外研究情况 2
1.3.2国内研究情况 2
1.4课题研究主要内容 3
2. 废气涡轮增压器三维扫描逆向技术 4
2.1逆向工程简介 4
2.1.1逆向工程概论 4
2.1.2逆向工程的应用 6
2.1.3逆向工程中的关键技术 7
2.1.4 CATIA软件介绍 8
2.1.5 CATIA模型重建过程介绍 8
2.2逆向工程在涡轮增压器数字化设计中的应用 8
2.2.1涡轮增压器重要部件概述 8
2.2.2点的预处理 9
2.2.3曲面重建与误差控制 11
2.3 CATIA模型重建 12
2.3.1叶轮模型完善 12
2.3.2蜗壳模型完善 16
2.4本章小结 20
3. 涡轮增压器叶片的有限元分析 21
3.1有限元法简介 21
3.1.1有限元法的基本思想 21
3.1.2有限元法分类 21
3.1.3求解有限元问题的基本步骤 22
3.2 涡轮增压器材料的选用 22
3.2.1涡轮叶片的材料 22
3.2.2涡轮蜗壳的材料 22
3.3 有限元法在涡轮增压器中的应用 22
3.3.1ANSYS软件介绍 23
3.3.2涡轮叶片应力与变形分析步骤 23
3.4本章小结 27 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4. 总结与展望 28
4.1总结 28
4.2展望 28
参考文献 29
致谢 30
1. 绪 论
1.1引言
随着近年来汽车制造工业的发展以及更新换代脚步的加快，我国汽车设计制造工业正面临着严酷的机遇与挑战，汽车设计正向着快速发展以及低成本化的方向发展，较短的生产时间周期以及较好的设计理念已成为各个汽车公司的追求目标。在汽车设计过程中，零部件的设计显得尤为重要，若此部分能够快速化设计与生产将会为生产制造带来极大的便利。
随着计算机数字化技术的不断进步，人们在汽车零部件设计中引用了三维扫描技术，也称逆向工程，不同于普通的设计,这个设计理念是一个从原有的设计基础上重新设计的过程，并且再制造相关产品。传统的设计具有用时长、财力成本高、跨度进程漫长等特点，导致后期问题较大。在当今日益激烈的市场竞争中,逆向工程技术在历史性的时刻出现,带来了时间更短，效率更高的新方法，不仅能够有效缩短研发周期，而且能够制造出更加完善的产品，这也就能够更好的适应占领市场，成为优秀企业。
1.2本课题研究背景、目的和意义
涡轮增压器外形及内部零件较为复杂，在传统的设计工作中很难对曲面进行良好的绘画测试。但是计算机技术和三维扫描手艺的更新，使得这一难题逐步得到解决。
本文基于三维扫描逆向技术对涡轮增压器蜗壳和涡轮进行扫描并通过CATIA软件对其进行逆向还原，实验证明此方法能以最小的成本进行研发创新。本文还将对逆向工程的成果进行有限元分析。在进行实验的过程中可以更加理解涡轮增压器的结构与构造并且熟悉三维扫描逆向技术。
1.3国内外涡轮增压器研究现状
近几十年来，世界各国都非常看重对汽车发动机增压技术的研究，不同于机械增压，涡轮增压具有更高的效率与更小的燃油消耗量。并且随着工业产业与新材料研发水平的提高，制造涡轮增压器的材料具有更好的高温耐热性，所以增压器的寿命和使用情况大大提升，并且体积和质量也变的更小，这就使得汽车发动机增压技术得到了快速发展。近些年来国内也对这方面进行了大量的研究工作，并且获得了较大的成效，但是和外国的几十年的技术积累相比还是有较大的落后。
1.3.1国外研究情况
在80年代，日本经济受到了破坏，急需寻找新的发展方向，日本著名公司名古屋与美国几个大企业共同进行逆向技术的研究并取得了重要成果。在此成果的帮助下，日本工业发展迅速，拯救了即将崩溃的日本经济。伴随着市场的多变性，每个企业都改变了原有的陈旧形式，更加缩短了生产周期，降低了成本[1]。到了90年代初，逆向工程技术经过不断的研发挖掘，成为了世界各国不可或缺的技术手段。
随着逆向工程科技与实践的发展，关于逆向技术的软件不断推陈出新。比较著名的有IMAGEWARE系列，GEOMAGIC，PARAFORM,GRADE/CUBENC等[2]。英国的DELCAM产品可以提供产品的全生命周期服务，可以实现产品从设计到制造，再到产品质量检测的一整套功能[3]。它可以完成基于CT数据的整个医学图像建模，并提供曲面分割、生成和检测等逆向曲面建模的工具[4]。法国DUSSAULT公司开发的软件功能强大，涵盖了产品设计和制造的各个方面，包括CAD和CAM[5]。同时，开发了用于逆向工程中点云处理和模型重构的数字形态编辑器和快速表面构造两个模块。CATIA以其杰出的集成环境和有力的轮廓设计能力在市场上吸引到越来越多的关注和认可。这也是我们比较常用的软件[6]。
1.3.2国内研究情况
国内逆向工程的起步较晚，距今仅有20年左右的时间，主要软件技术靠外来引进，但如今许多高校也生产出自主的设备 [7]。浙江大学自主研究开发的RESOFT软件系统[8]、南京航空航天大学CAD/CAM工程研究中心研究的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法[9]。众多企业开始运用逆向技术来研究国外先进产品，这样不仅可以快速提升我国的科技水平，也能大大减少研发成本。尽管我国逆向工程已经取得了一些突破,在中国一些地区得到了发展,但整个逆向工程的发展在中国仍处在初级阶段,尤其是在计算机软件这一领域,缺少自主的软件，大多依赖进口，还需要进一步加快研发脚步[10]。
目 录
1. 绪 论 1
1.1引言 1
1.2本课题研究背景、目的和意义 1
1.3国内外涡轮增压器研究现状 1
1.3.1国外研究情况 2
1.3.2国内研究情况 2
1.4课题研究主要内容 3
2. 废气涡轮增压器三维扫描逆向技术 4
2.1逆向工程简介 4
2.1.1逆向工程概论 4
2.1.2逆向工程的应用 6
2.1.3逆向工程中的关键技术 7
2.1.4 CATIA软件介绍 8
2.1.5 CATIA模型重建过程介绍 8
2.2逆向工程在涡轮增压器数字化设计中的应用 8
2.2.1涡轮增压器重要部件概述 8
2.2.2点的预处理 9
2.2.3曲面重建与误差控制 11
2.3 CATIA模型重建 12
2.3.1叶轮模型完善 12
2.3.2蜗壳模型完善 16
2.4本章小结 20
3. 涡轮增压器叶片的有限元分析 21
3.1有限元法简介 21
3.1.1有限元法的基本思想 21
3.1.2有限元法分类 21
3.1.3求解有限元问题的基本步骤 22
3.2 涡轮增压器材料的选用 22
3.2.1涡轮叶片的材料 22
3.2.2涡轮蜗壳的材料 22
3.3 有限元法在涡轮增压器中的应用 22
3.3.1ANSYS软件介绍 23
3.3.2涡轮叶片应力与变形分析步骤 23
3.4本章小结 27 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4. 总结与展望 28
4.1总结 28
4.2展望 28
参考文献 29
致谢 30
1. 绪 论
1.1引言
随着近年来汽车制造工业的发展以及更新换代脚步的加快，我国汽车设计制造工业正面临着严酷的机遇与挑战，汽车设计正向着快速发展以及低成本化的方向发展，较短的生产时间周期以及较好的设计理念已成为各个汽车公司的追求目标。在汽车设计过程中，零部件的设计显得尤为重要，若此部分能够快速化设计与生产将会为生产制造带来极大的便利。
随着计算机数字化技术的不断进步，人们在汽车零部件设计中引用了三维扫描技术，也称逆向工程，不同于普通的设计,这个设计理念是一个从原有的设计基础上重新设计的过程，并且再制造相关产品。传统的设计具有用时长、财力成本高、跨度进程漫长等特点，导致后期问题较大。在当今日益激烈的市场竞争中,逆向工程技术在历史性的时刻出现,带来了时间更短，效率更高的新方法，不仅能够有效缩短研发周期，而且能够制造出更加完善的产品，这也就能够更好的适应占领市场，成为优秀企业。
1.2本课题研究背景、目的和意义
涡轮增压器外形及内部零件较为复杂，在传统的设计工作中很难对曲面进行良好的绘画测试。但是计算机技术和三维扫描手艺的更新，使得这一难题逐步得到解决。
本文基于三维扫描逆向技术对涡轮增压器蜗壳和涡轮进行扫描并通过CATIA软件对其进行逆向还原，实验证明此方法能以最小的成本进行研发创新。本文还将对逆向工程的成果进行有限元分析。在进行实验的过程中可以更加理解涡轮增压器的结构与构造并且熟悉三维扫描逆向技术。
1.3国内外涡轮增压器研究现状
近几十年来，世界各国都非常看重对汽车发动机增压技术的研究，不同于机械增压，涡轮增压具有更高的效率与更小的燃油消耗量。并且随着工业产业与新材料研发水平的提高，制造涡轮增压器的材料具有更好的高温耐热性，所以增压器的寿命和使用情况大大提升，并且体积和质量也变的更小，这就使得汽车发动机增压技术得到了快速发展。近些年来国内也对这方面进行了大量的研究工作，并且获得了较大的成效，但是和外国的几十年的技术积累相比还是有较大的落后。
1.3.1国外研究情况
在80年代，日本经济受到了破坏，急需寻找新的发展方向，日本著名公司名古屋与美国几个大企业共同进行逆向技术的研究并取得了重要成果。在此成果的帮助下，日本工业发展迅速，拯救了即将崩溃的日本经济。伴随着市场的多变性，每个企业都改变了原有的陈旧形式，更加缩短了生产周期，降低了成本[1]。到了90年代初，逆向工程技术经过不断的研发挖掘，成为了世界各国不可或缺的技术手段。
随着逆向工程科技与实践的发展，关于逆向技术的软件不断推陈出新。比较著名的有IMAGEWARE系列，GEOMAGIC，PARAFORM,GRADE/CUBENC等[2]。英国的DELCAM产品可以提供产品的全生命周期服务，可以实现产品从设计到制造，再到产品质量检测的一整套功能[3]。它可以完成基于CT数据的整个医学图像建模，并提供曲面分割、生成和检测等逆向曲面建模的工具[4]。法国DUSSAULT公司开发的软件功能强大，涵盖了产品设计和制造的各个方面，包括CAD和CAM[5]。同时，开发了用于逆向工程中点云处理和模型重构的数字形态编辑器和快速表面构造两个模块。CATIA以其杰出的集成环境和有力的轮廓设计能力在市场上吸引到越来越多的关注和认可。这也是我们比较常用的软件[6]。
1.3.2国内研究情况
国内逆向工程的起步较晚，距今仅有20年左右的时间，主要软件技术靠外来引进，但如今许多高校也生产出自主的设备 [7]。浙江大学自主研究开发的RESOFT软件系统[8]、南京航空航天大学CAD/CAM工程研究中心研究的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法[9]。众多企业开始运用逆向技术来研究国外先进产品，这样不仅可以快速提升我国的科技水平，也能大大减少研发成本。尽管我国逆向工程已经取得了一些突破,在中国一些地区得到了发展,但整个逆向工程的发展在中国仍处在初级阶段,尤其是在计算机软件这一领域,缺少自主的软件，大多依赖进口，还需要进一步加快研发脚步[10]。
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