基于OpenGL技術的滑動軸承油膜特性可視化研究

王增勝，楊漢嵩，劉萬福

（黃河科技學院工學院，河南鄭州450063）

0 引言

動、靜載特性參數(shù)的研究是滑動軸承研究中的重點，國內外的科研機構就此問題作了大量的研究，同時也有許多相關計算軟件出現(xiàn)。但這些軟件主要以油膜特性的分析和科學計算為目的，大多采用FOR?TRAN，C 等計算機語言進行軟件編寫。近年來，也出現(xiàn)了滑動軸承油膜特性可視化方面的研究。例如，中南大學研究設計了“HS-B 滑動軸承實驗臺微機測試系統(tǒng)”，提出了一種滑動軸承油膜周向壓力分布的仿真方法，獲得了仿真曲線［1］。西安交通大學設計了“滑動軸承實驗臺模擬、測量及多媒體CAI系統(tǒng)”，實現(xiàn)了用于滑動軸承實驗臺模擬和計算機輔助教學的多功能系統(tǒng)，以面向對象技術和多媒體技術理論為基礎，對實驗原理、實驗過程進行了模擬［2］。江蘇大學開發(fā)了“動載滑動軸承的熱流體動壓（THD）潤滑油膜可視化計算軟件”，以ObjectARX3.0 工具為中介，以Visu?alC++6.0和AutoCAD2000繪圖平臺實現(xiàn)了油膜特性的可視化［3］。

上述系統(tǒng)中對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，無法全面反映滑動軸承整體的油膜厚度場、溫度場和壓力場；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，鑒于此，本研究對流體動壓徑向滑動軸承的油膜特性進行研究，以OpenGL為工具開發(fā)其可視化系統(tǒng)。

1 OpenGL 技術在油膜特性可視化中的實現(xiàn)

可視化需要解決的問題有科學計算結果數(shù)據(jù)的后處理、科學計算結果數(shù)據(jù)的實時處理及顯示、科學計算結果數(shù)據(jù)的及時繪制及交互處理等。

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

1.1 三維空間數(shù)據(jù)場可視化的基本流程

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)可視化的幾個主要步驟如圖1所示［4-6］。

圖1 數(shù)據(jù)場可視化基本流程

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種方式來表示：①高度表示法以高度的不同來表現(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)出其相應數(shù)值的大小；②顏色表示法也常用來表現(xiàn)數(shù)值的大小，對不同大小的數(shù)值賦予不同的顏色來表示；③“高度+顏色”雙重表示法是用高度和顏色同時表示數(shù)值的大小。本研究采用第3種方案。

1.3 OpenGL建模技術

該模型包括軸瓦模型、膜厚場空間模型、壓力場空間模型、溫度場空間模型、油膜動力學特性隨載荷及軸頸轉速變化而變化的線圖。

軸瓦模型簡化為圓柱面來處理，略去其厚度，為方便繪制和觀察，本研究將膜厚場、溫度場和壓力場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表現(xiàn)出來［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)值計算程序劃分網(wǎng)格的劃分為標準，即以角度為單位沿軸瓦周向將其劃分為若干份，以長度為單位沿軸瓦軸向劃分為若干份，便完成了整個軸瓦的網(wǎng)格劃分。由軸承半徑可以得到圓柱面上各節(jié)點的X、Y坐標，加入該節(jié)點在軸向的位置便得到了節(jié)點的空間位置坐標，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端面上節(jié)點的坐標，前端面坐標為(rcosθi,rsinθi,0)，后端面坐標為(rcosθi,rsinθi,-l)，而后以長四邊形來逼近圓柱面即可，四邊形的頂點坐標即上述節(jié)點坐標，用到的OpenGL 庫函數(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，向外生長，考慮到膜厚分布沿軸向是均勻的，故也可用長四邊形來逼近膜厚曲面，前后端面節(jié)點的空間位置坐標分別為。

1.3.3 溫度場曲面模型

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，其繪制原理可參照圖3的膜厚繪制原理，以前后端面節(jié)點為長四邊形頂點由長四邊形逼近而成，其頂點位置空間坐標為。

1.3.4 壓力場曲面模型

壓力場的模型不同于膜厚場和溫度場模型，因為壓力在軸向不是均勻分布的，研究者不可用長度為軸承長度的四邊形來逼近，本研究選擇三角形片元，其節(jié)點坐標為。

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 值設為變量，即glColor3f（r，g，b），設置不同的值域對應不同的R、G、B值以獲得相應的顏色，對于不同的可視化模型，具體實現(xiàn)如下：

圖3 膜厚場繪制原理圖

（1）膜厚場可視化模型。判斷膜厚曲面節(jié)點的坐標{(r+hi)cosθi,(r+hi)sinθi,-li}中hi所處的值域，匹配相應的顏色，匹配原則為膜厚的“大小”對應顏色的“暖冷”，即當膜厚從大到小時，對應的顏色從暖色系到冷色系。

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

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

在真實世界中，三維物體的可見性是由物體自身的特性和加在物體上的光照共同決定的。如果沒有光照，大多數(shù)的物體看起來根本沒有三維效果。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現(xiàn)

1.5.1 模型的旋轉

本研究調用函數(shù)glRotatef（q,xx,yy,zz）結合timer控件分別實現(xiàn)了模型繞坐標軸的旋轉。繞不同的轉軸旋轉時使對應轉軸對應參數(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

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

2 油膜特性可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能及程序流程

油膜特性可視化系統(tǒng)可實現(xiàn)可視化對象的選擇、可視化模型模塊的選擇和模型的交互控制等功能?？梢暬瘜ο蟮倪x擇是指選擇某種工況下的軸承，同時顯示其油膜特性的數(shù)值計算結果；可視化模塊的選擇是選取膜厚場、壓力場、溫度場等對象；交互模塊是指相應模型的旋轉和縮放操作。

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

用戶進入登錄界面后選擇所要顯示的軸承對象，同時顯示其數(shù)值計算結果，并進入可視化界面，菜單欄可供選擇的有膜厚場、溫度場、壓力場、油膜動特性等選項，選擇后有二級菜單，可選整瓦、上瓦、下瓦的相應模型，選擇膜厚場、溫度場和壓力場時的場景圖如圖5所示。

圖5 膜厚場、溫度場、壓力場可視化模型

3 結束語

本研究利用可視化手段，以OpenGL為開發(fā)工具，研究開發(fā)了流體動壓徑向滑動軸承油膜特性的可視化系統(tǒng)。通過實例，筆者詳細闡述了油膜特性可視化的實現(xiàn)過程，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，同時也豐富了可視化技術的應用領域。

（References）：

［1］南亦民.HS-B滑動軸承實驗臺微機測試系統(tǒng)的設計與研究［D］.長沙：國防科技大學機械工程學院，2004：25-30.

［2］楊洛偉.滑動軸承實驗臺模擬、測量及多媒體CAI系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)［D］.西安：西安交通大學機械與動力工程學院，2000：18-20.

［3］何志霞，李德桃.可視化技術在動載滑動軸承THD計算中的應用［J］.小型內燃機與摩托車，2003，32（4）：19-22.

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

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

［6］付 平，化工設備可視化管理系統(tǒng)功能模塊的設計及實現(xiàn)［J］.機械，2010，37（7）：29-32.

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

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

［9］王增勝.基于OpenGL技術的滑動軸承油膜特性可視化研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學機電工程學院，2007：30-32.