利用3dsm ax骨骼系统实现机车柴油机曲柄连杆运动仿真动画

李晖

新疆铁道职业技术学院

利用3dsm ax骨骼系统
实现机车柴油机曲柄连杆运动仿真动画

李晖

新疆铁道职业技术学院

本文根据内燃机车教学培训和企业的需要，分析了使用Autodesk 3dsmax软件的骨骼系统对16V240ZJB柴油机的曲柄连杆运动过程进行动画仿真的方法。使用该方法亦可对柴油机检修过程中气门间隙调整和配气正时调整的过程进行动画仿真，以此提高从业人员对柴油机的工作原理认识和提高工作效率。该动画思路在媒体及广告制作方面亦具有一定的价值。

3dsmax；多缸柴油机；仿真动画

1、．柴油机运动仿真动画制作目的

我国东风4B型干线内燃机车装用16V240ZJB机车柴油机，对于新入职从业人员及在校学习人员来说，了解柴油机的工作原理是进行检修工作的必要基础。由于V型多缸柴油机的整体运动和曲柄排列顺序、配气相位等因素有紧密的关系，因此较难理解与掌握。利用3dsmax三维动画软件强大的骨骼动画功能，将柴油机16个气缸曲柄连杆动作全过程进行仿真，能够使复杂的机构运动变得一目了然，对于学习该项内容有巨大的帮助和实用价值。笔者利用3dsmax软件中的骨骼系统，实现了柴油机16个气缸的曲柄连杆运动仿真动画。

2、16V240ZJB机车柴油机简介

16V240ZJB机车柴油机是16缸、缸径240mm、四冲程、增压、中速、水冷柴油机，标定转速1000r/min。柴油机发火顺序为16-1-14-3-10-7-12-5-9-8-11-6-15-2-13-4，曲轴转向面对输出端为顺时针。柴油机曲轴的曲柄为十字镜像结构如图1所示：

图1 柴油机曲柄连杆机构

3、3dsmax的骨骼系统介绍

3.1 关于3dsmax软件

3dsmax是Autodesk公司出品的著名三维动画软件，是世界上应用最为广泛的建模、动画、渲染软件，在各个领域都有大量的应用。3dsmax可完美地支持Autodesk公司Inventor软件的模型导入，因此柴油机主要模型的制作均可采用Inventor软件完成。

3.2 3dsmax的骨骼系统

3dsmax软件提供了强大的动画功能，其中的骨骼系统非常适于动物、人体、机械运动的动画制作，在骨骼系统中提供了对正向运动及反向运动的支持，通过对物体运动条件的继承或约束，能够实现较为复杂的机械动画。

4、柴油机曲柄连杆运动仿真动画的实现

曲柄连杆机构的运动非常典型，制作方法具有一定的通用性。

1）模型导入后设置各个零件的轴心点，曲轴中心为0,0,0，活塞的中心取在连杆小头中心。连杆的中心为大头中心。如图2所示：

图2 1-活塞2-连杆-3-曲轴

2）设置曲轴的运动为旋转运动，旋转周期定为80帧一圈。（160帧为一个工作循环）

3）建立骨骼，由活塞轴线上止点上方开始为bone1，活塞中心为bone2，连杆中心为bone3。

4）在曲轴中心处建立一个圆，半径为活塞行程的一半，此处为137.5mm，将该圆塌陷为样条线后调整起始点位于连杆大头中心。将bone3的运动设置为“路径”方式，选择这个圆作为路径。如图3所示：

5）选中骨骼1，在动画菜单-IK解算器-HD解算器，拉至bone3，形成HD求解关系。

6）约束各个骨骼的运动方向，bone1为禁止任何移动和转动，bone2为禁止移动，可以沿Z轴转动，bone3为禁止任何移动和转动。

7）此时运行动画，即可实现曲柄连杆组的运动。调整bone3的运动方向，即可改变柴油机旋转方向。

8）依样可以制作右缸的曲柄连杆组动画，建立骨骼系统bone4-bone-6，如图4所示：

图4 1-bone4 2-bone5 3-bone6

9）其它缸动画制作均按照此法完成，将活塞和连杆分别绑定为相应的第二和第三个骨骼的跟随对象。需要注意，在16个气缸的柴油机中应当有4个路径圆。

10）制作完毕的效果如图5所示

根据发火顺序配以相应的灯光，可以展示出16缸柴油机的发火全过程。增加或缩短运动速度，只需改变路径线的循环周期即可。或在视频制作中改变速度亦可。

图5 柴油机整机工作循环

[1]张世芳.内燃机车柴油机北京：中国铁道出版社，1991

[2]刘达德.东风4B型内燃机车结构·原理·检修.北京：中国铁道出版社，1998

[3]子午视觉文化.3dsmax影视动画制作：海洋出版社，2013

李晖（1977-），女，汉族，新疆乌鲁木齐人，讲师，主要从事计算机应用教学工作。