李暉

新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學院

利用3dsm ax骨骼系統(tǒng)
實現(xiàn)機車柴油機曲柄連桿運動仿真動畫

李暉

新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學院

本文根據(jù)內(nèi)燃機車教學培訓和企業(yè)的需要，分析了使用Autodesk 3dsmax軟件的骨骼系統(tǒng)對16V240ZJB柴油機的曲柄連桿運動過程進行動畫仿真的方法。使用該方法亦可對柴油機檢修過程中氣門間隙調(diào)整和配氣正時調(diào)整的過程進行動畫仿真，以此提高從業(yè)人員對柴油機的工作原理認識和提高工作效率。該動畫思路在媒體及廣告制作方面亦具有一定的價值。

3dsmax；多缸柴油機；仿真動畫

1、．柴油機運動仿真動畫制作目的

我國東風4B型干線內(nèi)燃機車裝用16V240ZJB機車柴油機，對于新入職從業(yè)人員及在校學習人員來說，了解柴油機的工作原理是進行檢修工作的必要基礎(chǔ)。由于V型多缸柴油機的整體運動和曲柄排列順序、配氣相位等因素有緊密的關(guān)系，因此較難理解與掌握。利用3dsmax三維動畫軟件強大的骨骼動畫功能，將柴油機16個氣缸曲柄連桿動作全過程進行仿真，能夠使復雜的機構(gòu)運動變得一目了然，對于學習該項內(nèi)容有巨大的幫助和實用價值。筆者利用3dsmax軟件中的骨骼系統(tǒng)，實現(xiàn)了柴油機16個氣缸的曲柄連桿運動仿真動畫。

2、16V240ZJB機車柴油機簡介

16V240ZJB機車柴油機是16缸、缸徑240mm、四沖程、增壓、中速、水冷柴油機，標定轉(zhuǎn)速1000r/min。柴油機發(fā)火順序為16-1-14-3-10-7-12-5-9-8-11-6-15-2-13-4，曲軸轉(zhuǎn)向面對輸出端為順時針。柴油機曲軸的曲柄為十字鏡像結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 柴油機曲柄連桿機構(gòu)

3、3dsmax的骨骼系統(tǒng)介紹

3.1 關(guān)于3dsmax軟件

3dsmax是Autodesk公司出品的著名三維動畫軟件，是世界上應用最為廣泛的建模、動畫、渲染軟件，在各個領(lǐng)域都有大量的應用。3dsmax可完美地支持Autodesk公司Inventor軟件的模型導入，因此柴油機主要模型的制作均可采用Inventor軟件完成。

3.2 3dsmax的骨骼系統(tǒng)

3dsmax軟件提供了強大的動畫功能，其中的骨骼系統(tǒng)非常適于動物、人體、機械運動的動畫制作，在骨骼系統(tǒng)中提供了對正向運動及反向運動的支持，通過對物體運動條件的繼承或約束，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復雜的機械動畫。

4、柴油機曲柄連桿運動仿真動畫的實現(xiàn)

曲柄連桿機構(gòu)的運動非常典型，制作方法具有一定的通用性。

1）模型導入后設(shè)置各個零件的軸心點，曲軸中心為0,0,0，活塞的中心取在連桿小頭中心。連桿的中心為大頭中心。如圖2所示：

圖2 1-活塞2-連桿-3-曲軸

2）設(shè)置曲軸的運動為旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)周期定為80幀一圈。（160幀為一個工作循環(huán)）

3）建立骨骼，由活塞軸線上止點上方開始為bone1，活塞中心為bone2，連桿中心為bone3。

4）在曲軸中心處建立一個圓，半徑為活塞行程的一半，此處為137.5mm，將該圓塌陷為樣條線后調(diào)整起始點位于連桿大頭中心。將bone3的運動設(shè)置為“路徑”方式，選擇這個圓作為路徑。如圖3所示：

5）選中骨骼1，在動畫菜單-IK解算器-HD解算器，拉至bone3，形成HD求解關(guān)系。

6）約束各個骨骼的運動方向，bone1為禁止任何移動和轉(zhuǎn)動，bone2為禁止移動，可以沿Z軸轉(zhuǎn)動，bone3為禁止任何移動和轉(zhuǎn)動。

7）此時運行動畫，即可實現(xiàn)曲柄連桿組的運動。調(diào)整bone3的運動方向，即可改變柴油機旋轉(zhuǎn)方向。

8）依樣可以制作右缸的曲柄連桿組動畫，建立骨骼系統(tǒng)bone4-bone-6，如圖4所示：

圖4 1-bone4 2-bone5 3-bone6

9）其它缸動畫制作均按照此法完成，將活塞和連桿分別綁定為相應的第二和第三個骨骼的跟隨對象。需要注意，在16個氣缸的柴油機中應當有4個路徑圓。

10）制作完畢的效果如圖5所示

根據(jù)發(fā)火順序配以相應的燈光，可以展示出16缸柴油機的發(fā)火全過程。增加或縮短運動速度，只需改變路徑線的循環(huán)周期即可?；蛟谝曨l制作中改變速度亦可。

圖5 柴油機整機工作循環(huán)

[1]張世芳.內(nèi)燃機車柴油機北京：中國鐵道出版社，1991

[2]劉達德.東風4B型內(nèi)燃機車結(jié)構(gòu)·原理·檢修.北京：中國鐵道出版社，1998

[3]子午視覺文化.3dsmax影視動畫制作：海洋出版社，2013

李暉（1977-），女，漢族，新疆烏魯木齊人，講師，主要從事計算機應用教學工作。