王增勝，楊漢嵩，劉萬(wàn)福

（黃河科技學(xué)院工學(xué)院，河南鄭州450063）

0 引言

動(dòng)、靜載特性參數(shù)的研究是滑動(dòng)軸承研究中的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)就此問(wèn)題作了大量的研究，同時(shí)也有許多相關(guān)計(jì)算軟件出現(xiàn)。但這些軟件主要以油膜特性的分析和科學(xué)計(jì)算為目的，大多采用FOR?TRAN，C 等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)。近年來(lái)，也出現(xiàn)了滑動(dòng)軸承油膜特性可視化方面的研究。例如，中南大學(xué)研究設(shè)計(jì)了“HS-B 滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)”，提出了一種滑動(dòng)軸承油膜周向壓力分布的仿真方法，獲得了仿真曲線［1］。西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)了“滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬、測(cè)量及多媒體CAI系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了用于滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的多功能系統(tǒng)，以面向?qū)ο蠹夹g(shù)和多媒體技術(shù)理論為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬［2］。江蘇大學(xué)開(kāi)發(fā)了“動(dòng)載滑動(dòng)軸承的熱流體動(dòng)壓（THD）潤(rùn)滑油膜可視化計(jì)算軟件”，以O(shè)bjectARX3.0 工具為中介，以Visu?alC++6.0和AutoCAD2000繪圖平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了油膜特性的可視化［3］。

上述系統(tǒng)中對(duì)油膜特性的可視化僅以平面圖形或是基于Matlab 的三維圖形而出現(xiàn)。平面圖形不夠直觀，無(wú)法全面反映滑動(dòng)軸承整體的油膜厚度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)；基于Matlab的三維圖形不利于用戶的交互控制，也不便于觀察；兩者都不便于移植。而基于OpenGL的油膜特性可視化系統(tǒng)則不多見(jiàn)，鑒于此，本研究對(duì)流體動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承的油膜特性進(jìn)行研究，以O(shè)penGL為工具開(kāi)發(fā)其可視化系統(tǒng)。

1 OpenGL 技術(shù)在油膜特性可視化中的實(shí)現(xiàn)

可視化需要解決的問(wèn)題有科學(xué)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理、科學(xué)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及顯示、科學(xué)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的及時(shí)繪制及交互處理等。

油膜特性的可視化，包括油膜厚度場(chǎng)的可視化、油膜溫度場(chǎng)的可視化、油膜壓力場(chǎng)的可視化等。

1.1 三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化的基本流程

盡管三維空間數(shù)據(jù)的類型各不相同，數(shù)據(jù)分布及連接關(guān)系的差別也很大，但是其可視化的基本流程卻大體相同，三維空間數(shù)據(jù)可視化的幾個(gè)主要步驟如圖1所示［4-6］。

圖1 數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化基本流程

1.2 油膜特性可視化模型的表現(xiàn)方案

油膜特性的可視化模型可以用3種方式來(lái)表示：①高度表示法以高度的不同來(lái)表現(xiàn)油膜的厚度、溫度和壓力，這里作為三維立體模型則表現(xiàn)為空間曲面的起伏，直觀地表現(xiàn)出其相應(yīng)數(shù)值的大小；②顏色表示法也常用來(lái)表現(xiàn)數(shù)值的大小，對(duì)不同大小的數(shù)值賦予不同的顏色來(lái)表示；③“高度+顏色”雙重表示法是用高度和顏色同時(shí)表示數(shù)值的大小。本研究采用第3種方案。

1.3 OpenGL建模技術(shù)

該模型包括軸瓦模型、膜厚場(chǎng)空間模型、壓力場(chǎng)空間模型、溫度場(chǎng)空間模型、油膜動(dòng)力學(xué)特性隨載荷及軸頸轉(zhuǎn)速變化而變化的線圖。

軸瓦模型簡(jiǎn)化為圓柱面來(lái)處理，略去其厚度，為方便繪制和觀察，本研究將膜厚場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)建立在軸瓦曲面的外表面上，即將膜厚、壓力、溫度的值由軸承表面向外生長(zhǎng)表現(xiàn)出來(lái)［7-8］。

1.3.1 軸瓦曲面模型

軸瓦繪制原理如圖2所示。本研究以數(shù)值計(jì)算程序劃分網(wǎng)格的劃分為標(biāo)準(zhǔn)，即以角度為單位沿軸瓦周向?qū)⑵鋭澐譃槿舾煞?，以長(zhǎng)度為單位沿軸瓦軸向劃分為若干份，便完成了整個(gè)軸瓦的網(wǎng)格劃分。由軸承半徑可以得到圓柱面上各節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，加入該節(jié)點(diǎn)在軸向的位置便得到了節(jié)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，即(rcosθi,rsinθi,-li)。由于軸瓦是規(guī)則的圓柱面，這里僅需要軸向兩個(gè)端面上節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，前端面坐標(biāo)為(rcosθi,rsinθi,0)，后端面坐標(biāo)為(rcosθi,rsinθi,-l)，而后以長(zhǎng)四邊形來(lái)逼近圓柱面即可，四邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)即上述節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，用到的OpenGL 庫(kù)函數(shù)為glBegin（GL_POLYGON）［9］。

圖2 軸瓦曲面繪制原理圖

1.3.2 膜厚場(chǎng)曲面模型

以上瓦為例，筆者繪制的原理圖如圖3所示，以軸瓦曲面為基礎(chǔ)，向外生長(zhǎng)，考慮到膜厚分布沿軸向是均勻的，故也可用長(zhǎng)四邊形來(lái)逼近膜厚曲面，前后端面節(jié)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)分別為。

1.3.3 溫度場(chǎng)曲面模型

由于溫度分布沿軸向也是均勻的，溫度曲面的建立與膜厚曲面的相同，其繪制原理可參照?qǐng)D3的膜厚繪制原理，以前后端面節(jié)點(diǎn)為長(zhǎng)四邊形頂點(diǎn)由長(zhǎng)四邊形逼近而成，其頂點(diǎn)位置空間坐標(biāo)為。

1.3.4 壓力場(chǎng)曲面模型

壓力場(chǎng)的模型不同于膜厚場(chǎng)和溫度場(chǎng)模型，因?yàn)閴毫υ谳S向不是均勻分布的，研究者不可用長(zhǎng)度為軸承長(zhǎng)度的四邊形來(lái)逼近，本研究選擇三角形片元，其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為。

1.4 OpenGL中的顏色及光照

本研究采用RGBA顏色模式，將顏色的R、G、B 值設(shè)為變量，即glColor3f（r，g，b），設(shè)置不同的值域?qū)?yīng)不同的R、G、B值以獲得相應(yīng)的顏色，對(duì)于不同的可視化模型，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖3 膜厚場(chǎng)繪制原理圖

（1）膜厚場(chǎng)可視化模型。判斷膜厚曲面節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo){(r+hi)cosθi,(r+hi)sinθi,-li}中hi所處的值域，匹配相應(yīng)的顏色，匹配原則為膜厚的“大小”對(duì)應(yīng)顏色的“暖冷”，即當(dāng)膜厚從大到小時(shí)，對(duì)應(yīng)的顏色從暖色系到冷色系。

（2）溫度場(chǎng)可視化模型。判斷溫度曲面節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo){(r+ti)cosθi,(r+ti)sinθi,-li}中ti值所處的值域，匹配相應(yīng)的顏色。

（3）壓力場(chǎng)可視化模型。判斷壓力曲面節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo){(r+pij)cosθi,(r+pij)sinθi,-lj}中pij值所處的值域，匹配相應(yīng)的顏色。

在真實(shí)世界中，三維物體的可見(jiàn)性是由物體自身的特性和加在物體上的光照共同決定的。如果沒(méi)有光照，大多數(shù)的物體看起來(lái)根本沒(méi)有三維效果。這里用到的是glLightfv（）函數(shù)。

1.5 油膜特性三維可視化模型交互控制的實(shí)現(xiàn)

1.5.1 模型的旋轉(zhuǎn)

本研究調(diào)用函數(shù)glRotatef（q,xx,yy,zz）結(jié)合timer控件分別實(shí)現(xiàn)了模型繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)。繞不同的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)使對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)參數(shù)為1，其余為0 即可，q以一定角度遞增。

1.5.2 模型的縮放

通過(guò)在高度模型前乘以比例因子的方法得以實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)油膜厚度放大的數(shù)學(xué)模型為{(r+(1+m)hi)cosθi,(r+(1+m)hi)sinθi,li}，每點(diǎn)擊一次放大按鈕，可使m增加0.1，即放大到原來(lái)膜厚的1.1 倍，縮小時(shí)只須改為1-m即可。壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)可視化模型的縮放同理。

2 油膜特性可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能及程序流程

油膜特性可視化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化對(duì)象的選擇、可視化模型模塊的選擇和模型的交互控制等功能。可視化對(duì)象的選擇是指選擇某種工況下的軸承，同時(shí)顯示其油膜特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果；可視化模塊的選擇是選取膜厚場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等對(duì)象；交互模塊是指相應(yīng)模型的旋轉(zhuǎn)和縮放操作。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

2.2 仿真系統(tǒng)示例

用戶進(jìn)入登錄界面后選擇所要顯示的軸承對(duì)象，同時(shí)顯示其數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)入可視化界面，菜單欄可供選擇的有膜厚場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、油膜動(dòng)特性等選項(xiàng)，選擇后有二級(jí)菜單，可選整瓦、上瓦、下瓦的相應(yīng)模型，選擇膜厚場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)時(shí)的場(chǎng)景圖如圖5所示。

圖5 膜厚場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)可視化模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究利用可視化手段，以O(shè)penGL為開(kāi)發(fā)工具，研究開(kāi)發(fā)了流體動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承油膜特性的可視化系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)例，筆者詳細(xì)闡述了油膜特性可視化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，形象、直觀地表現(xiàn)了油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力的分布規(guī)律，從而為油膜特性的研究提供了新的手段，同時(shí)也豐富了可視化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

（References）：

［1］南亦民.HS-B滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2004：25-30.

［2］楊洛偉.滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬、測(cè)量及多媒體CAI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2000：18-20.

［3］何志霞，李德桃.可視化技術(shù)在動(dòng)載滑動(dòng)軸承THD計(jì)算中的應(yīng)用［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003，32（4）：19-22.

［4］戴晨光，鄧雪清，張永生.海量地形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化技術(shù)研究［J］.測(cè)繪信息與工程，2004，29（6）：6-9.

［5］戴光明，李慶華.三維體可視化若干問(wèn)題研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2002，29（7）：48-81.

［6］付 平，化工設(shè)備可視化管理系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械，2010，37（7）：29-32.

［7］范紅紅，張小棟，李單龍.基于OpenGL技術(shù)的滑動(dòng)軸承油膜特性的可視化研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2008，33（11）：81-83.

［8］趙 棟，陳顯頻，蘭秀菊，等.基于MES的可視化質(zhì)量管理系統(tǒng)［J］.輕工機(jī)械，2011，29（2）：123-127.

［9］王增勝.基于OpenGL技術(shù)的滑動(dòng)軸承油膜特性可視化研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2007：30-32.