基于SolidWorks的流体运动模拟仿真技术研究

刘春东 刘 爱 张东辉 邹义龙 陈 龙

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口075024;2.张家口市新城建设资集集团盛华热力有限公司，河北 张家口075000)

0 引言

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性价比最优的一款三维软件.SolidWorks的运动仿真及动画制作通过其自带插件animator进行的.通过animator可以将产品运动及旋转制作成avi格式的动画［1］.

1 SolidWorks 动画制作技术［2，3］

SolidWorks软件动画制作是在已建立的三维模型基础上，通过零部件外观渐隐与色彩变化、零部件位置变化等方法获得动画效果.其动画产生原理和一些CAE分析软件得到的动画是不同的.animator得到是视觉效果，她的作用在于记录屏幕的视像变化，然后通过自动合成各帧获得影片.

1.1 animator动画模拟

animator依靠编辑零部件关键点(Key Frame)来实现模拟模型转动、产品的拆卸和装配过程，展示装配体中零部件的配合关系，捕捉和录制产品在实际工作中发生的运动.

1.2 模拟工具动画模拟

在装配体环境下，可以通过简单的物理模拟工具，如马达、弹簧及引力等的施用效果制作动画，如钻床钻头的转动，利用animator手动添加回转体的关键点，将十分繁复.而且animator不考虑零部件相互之间的干涉和碰撞，不涉及动力学分析，而物理模拟工具能够对零部件的碰撞进行实时侦测.

1.3 VBA编程和关联设计动画模拟

使用SolidWorks支持的开发语言VBA编程、数学方程式及函数、关联设计等完成零件及装配体较为复杂的动画制作过程，并使用animator捕捉屏幕画面，从而生成动画影片.

2 流体运动模拟动画制作

在以往的文献中，都是研究如何利用SolidWorks制作具有固定形状三维模型的动画.而对流体的动画模拟大多采用Flash等动画制作软件，制作出的动画缺乏立体感，视觉效果不甚理想.下面以换热罐中重力热管为例，利用SolidWorks制作重力热管内工质蒸汽流动过程的动画.

2.1 重力热管的三维模型建立

重力热管一般由管壳、毛细多孔材料吸液芯和工质组成，如图1所示.在管内蒸发段吸热热量气化成气体，在冷凝段放出气化潜热凝结成液体，并依靠自身重力从冷凝段回流到加热段，换热功能［4］.SolidWorks构建的热管三维模型如图2所示.

2.2 制作箭头的三维模型

本文采用箭头的方式代表蒸汽流动，箭头均三维的实体模型代替.由于箭头运动过程中要表示出冷凝段和蒸发段的不同温度，因此可以通过箭头的类型和颜色来实现.一共需要两种箭头模型，一种是表示冷凝段和蒸发段的箭头模型，一种是代表管内蒸汽流动的模型，由于在冷凝段和蒸发段温度差异很大，因此，在两段处的两种箭头分别采用不同的颜色:蒸发段管外箭头采用橙色，管内箭头采用红色;冷凝段管内，管外箭头均采用浅橙色.

2.3 动画的制作

打开重力热管装配体界面，切换至animator的动画制作界面，用鼠标调整装配体视图，使其处于最佳观看位置.

用鼠标拖动时间滑杆到00::0:05处，转到工作区域，利用鼠标拖动箭头到5s后应达到位置，如图3所示.

在用鼠标将时间滑杆拖动至00::0:10处，转到工作区域，将箭头拖到10s后所处的位置，如图4所示.

2.4 动画保存

动画制作完成后，单击animator工具栏上的“保存到.avi文件”按钮，在弹出的对话框中对影片命名为“重力热管流体动画”，如图5所示.生成的avi影片如图6所示.

3 结束语

本文利用animator插件模拟了重力热管水蒸气流动的动画效果，通过三维实体“箭头”模型，模拟流体的流动，给表示不同温度的箭头添加不同的颜色，使模拟效果具有较强的立体感.改变了人们对SolidWorks只能模拟固定形状实体运动的认识.当然，在此基础上，还可以制作出更为逼真的流体动画效果.

［1］黄阳，杨行超，肖启敏.基于SolidWorks的机构运动仿真及其动画制作技术研究，煤矿机械，2004，11:67～68

［2］江洪，陆利锋，魏峰.SolidWorks动画演示与运动分析实例解析［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］上官林建，孔垂雨，邰金华等.基于SolidWorks2009的动画制作技术.华北水利水电学院学报，Oct.2010 Vol.31 No.5:104～105

［4］苏明军.重力热管在矿井空调系统中的应用.煤矿机械，Vol.29 No.11 Nov.2008:161 －162