基于SolidWorks的流體運動模擬仿真技術研究

劉春東 劉 愛 張東輝 鄒義龍 陳 龍

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口075024;2.張家口市新城建設資集集團盛華熱力有限公司，河北 張家口075000)

0 引言

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，是市場份額增長最快、技術發展最快、市場前景最好、性價比最優的一款三維軟件.SolidWorks的運動仿真及動畫制作通過其自帶插件animator進行的.通過animator可以將產品運動及旋轉制作成avi格式的動畫［1］.

1 SolidWorks 動畫制作技術［2，3］

SolidWorks軟件動畫制作是在已建立的三維模型基礎上，通過零部件外觀漸隱與色彩變化、零部件位置變化等方法獲得動畫效果.其動畫產生原理和一些CAE分析軟件得到的動畫是不同的.animator得到是視覺效果，她的作用在于記錄屏幕的視像變化，然后通過自動合成各幀獲得影片.

1.1 animator動畫模擬

animator依靠編輯零部件關鍵點(Key Frame)來實現模擬模型轉動、產品的拆卸和裝配過程，展示裝配體中零部件的配合關系，捕捉和錄制產品在實際工作中發生的運動.

1.2 模擬工具動畫模擬

在裝配體環境下，可以通過簡單的物理模擬工具，如馬達、彈簧及引力等的施用效果制作動畫，如鉆床鉆頭的轉動，利用animator手動添加回轉體的關鍵點，將十分繁復.而且animator不考慮零部件相互之間的干涉和碰撞，不涉及動力學分析，而物理模擬工具能夠對零部件的碰撞進行實時偵測.

1.3 VBA編程和關聯設計動畫模擬

使用SolidWorks支持的開發語言VBA編程、數學方程式及函數、關聯設計等完成零件及裝配體較為復雜的動畫制作過程，并使用animator捕捉屏幕畫面，從而生成動畫影片.

2 流體運動模擬動畫制作

在以往的文獻中，都是研究如何利用SolidWorks制作具有固定形狀三維模型的動畫.而對流體的動畫模擬大多采用Flash等動畫制作軟件，制作出的動畫缺乏立體感，視覺效果不甚理想.下面以換熱罐中重力熱管為例，利用SolidWorks制作重力熱管內工質蒸汽流動過程的動畫.

2.1 重力熱管的三維模型建立

重力熱管一般由管殼、毛細多孔材料吸液芯和工質組成，如圖1所示.在管內蒸發段吸熱熱量氣化成氣體，在冷凝段放出氣化潛熱凝結成液體，并依靠自身重力從冷凝段回流到加熱段，換熱功能［4］.SolidWorks構建的熱管三維模型如圖2所示.

2.2 制作箭頭的三維模型

本文采用箭頭的方式代表蒸汽流動，箭頭均三維的實體模型代替.由于箭頭運動過程中要表示出冷凝段和蒸發段的不同溫度，因此可以通過箭頭的類型和顏色來實現.一共需要兩種箭頭模型，一種是表示冷凝段和蒸發段的箭頭模型，一種是代表管內蒸汽流動的模型，由于在冷凝段和蒸發段溫度差異很大，因此，在兩段處的兩種箭頭分別采用不同的顏色:蒸發段管外箭頭采用橙色，管內箭頭采用紅色;冷凝段管內，管外箭頭均采用淺橙色.

2.3 動畫的制作

打開重力熱管裝配體界面，切換至animator的動畫制作界面，用鼠標調整裝配體視圖，使其處于最佳觀看位置.

用鼠標拖動時間滑桿到00::0:05處，轉到工作區域，利用鼠標拖動箭頭到5s后應達到位置，如圖3所示.

在用鼠標將時間滑桿拖動至00::0:10處，轉到工作區域，將箭頭拖到10s后所處的位置，如圖4所示.

2.4 動畫保存

動畫制作完成后，單擊animator工具欄上的“保存到.avi文件”按鈕，在彈出的對話框中對影片命名為“重力熱管流體動畫”，如圖5所示.生成的avi影片如圖6所示.

3 結束語

本文利用animator插件模擬了重力熱管水蒸氣流動的動畫效果，通過三維實體“箭頭”模型，模擬流體的流動，給表示不同溫度的箭頭添加不同的顏色，使模擬效果具有較強的立體感.改變了人們對SolidWorks只能模擬固定形狀實體運動的認識.當然，在此基礎上，還可以制作出更為逼真的流體動畫效果.

［1］黃陽，楊行超，肖啟敏.基于SolidWorks的機構運動仿真及其動畫制作技術研究，煤礦機械，2004，11:67～68

［2］江洪，陸利鋒，魏峰.SolidWorks動畫演示與運動分析實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］上官林建，孔垂雨，邰金華等.基于SolidWorks2009的動畫制作技術.華北水利水電學院學報，Oct.2010 Vol.31 No.5:104～105

［4］蘇明軍.重力熱管在礦井空調系統中的應用.煤礦機械，Vol.29 No.11 Nov.2008:161 －162