内燃机曲柄连杆机构的动态模拟1.pdf

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内燃机曲柄连杆机构的动态模拟

!"""#$天津大学机械工程学院高文志陈泽生
动画文件在播放时会依序显示每一祯，形成动画效
前言
!果。祯中经过编辑而内容状态产生变化的祯，我们
随着计算机技术在社会各个领域的广泛应用和就称之为关键祯（/.0%,’-.），在一个时间轴上可有
多媒体技术的飞速发展，以计算机硬件设备为依托多个关键祯，时间轴上的祯有小圆球就代表关键祯，
的多媒体教学系统被越来越多地应用于各种教学活如图1所示。
动之中。与传统教学模式相比，计算机多媒体教学
系统有其突出的优点，这不仅在于它给学生提供了
丰富而生动的界面，还在于多媒体教学系统的互动
性和浩大的知识容量。此外，多媒体强大的图形功
能及其在演示和实验方面的仿真功能，也是传统的
教学手段所不能比拟的，利用图形演示可以使许多
抽象和难以理解的内容变得生动有趣，收到事半功
图时间轴上关键祯
倍的效果。然而对于结构复杂的内燃机来说，采用!
何种计算机软件才能更好地模拟其机构运动过程是时间轴是由图层与祯组合而成，通过图层与祯
十分重要的，本文以曲柄连杆机构为例阐述了采用的安排，便可产生不同的电影效果。在时间轴上可
%&’()*+"模拟内燃机机构运动过程的原理和步骤。以安排一个以上的图层，每个图层可分别放置一至
多个对象，形成不同对象组合的上下关系，例如主角
动画制作原理
"!"#$%人物与布景的关系。此外，每一个图层都是独立的
%&’()基本上是以时间轴为基础来安排动画的时间轴安排，不同图层间的对象是独立的，不会互相
制作与播放，即在不同的时间点上，搭配各种场景与干扰，即当对某一图层中的对象进行编辑时，不会影
对象的组合，完成一个动画文件的播放流程。同时响到其它图层。
%&’()也提供了各式各样的矢量绘图与编辑工具、内内燃机曲柄连杆机构二维动画创作
建动画效果、管理对象的数据库等，使得制作动画文#
过程
件工作更加简易与多元化。
计算机图形文件有两类，即矢量图形文件和点在%&’()中动画的制作有两种方式，一种是运用
阵图形文件。点阵图形文件是将图像以固定长宽的23453678..6569或:)’;.78..6569运算方式，让%&’()
点阵阵列加以处理，其优点是可以进行丰富的色彩在播放时依照所设置的路径移动或变形，只要指定
处理。但此类文件放大时会出现锯齿现象。矢量图对象或图形开始与结束的位置或状态（一共两个
形文件是利用数学公式将图中内容以直线、曲线等/.0%,’-.）即可。而另一种方式则是分格动画，运
方式加以储存，优点是放大时，可以等比例变动而不用连续的关键祯创建动画（%,’-.<0%,’-.），这就如
会出现锯齿现象。为方便动画的运算与制作，在同卡通电影一般，有多少个动作就有多少关键祯。
%&’()中所绘制的图像都是以矢量方式加以储存的，内燃机机构中的运动不是一般简单的运动，而是相
但%&’()也可以自外部汇入点阵图像文件加以编辑对较为复杂的。显然，第一种动画方式难以满足设
与整合运用。如同制作卡通影片一样，想要制作出计的需要。因此，在创作的过程中主要选择了分格
连续的动画效果，就需要在不同的时间安排显示不动画的方式。四冲程内燃机的工作循环包括四个活
同的画面，也就是所谓的祯（%,’-.），而新增的祯会塞行程，即进气、压缩、膨胀和排气行程。一个工作
自动复制（或延续）前一祯的内容。只有祯才能编辑循环内曲轴转动#$"=。在本动画中，主要是为了说
或显示内容，而祯可以说是组成动画的最基本单位，明活塞在气缸内的运动过程，及形象的表达活塞的
拖拉机与农用运输车!"

上止点、下止点、活塞行程和曲柄半径等基本名词。工具对各关键祯进行必要的调整，以使动画更加形
因此在动画的创作上，力求简化，未将与此无关的零象逼真。之后，直接选择“B*=+9*2!(236”命令（或按
部件表达出来。只是用简单的图形来表达整台内燃“回车”键）来观看动画的播放效果。如不满意，可以
机正、侧面示意图，如图!所示。通过“4*5/06!4*7/8???”选项，来更改动画的播放
速度。

图!内燃机曲柄连杆机构图图"!"#$%%#&编辑修改器

"#$关键祯的制作
虽然内燃机活塞的一个工作行程，曲轴转动
"!#$，活塞来回运动两次，但在本动画的表现上，忽
略了各个行程之间的差别。因此，只要让曲轴转
%&#度，就足以表现活塞的整个运动过程。由此制
作关键祯时，按曲轴每转过%&$计算，需要制作’#个
关键祯。但考虑到此过程的模拟无须过于精确，以
曲轴每转&#$设一关键祯，以便节约大量的制作时
间。制作时，通过扫描仪扫取图片，然后在()*+*,)*-
进行着色处理。要求每幅图片的尺寸保持一致，以
保证动画合成时变得流畅。这些图片共有六幅，如
图!所示，只是每幅图在活塞及曲柄的