开发研究
王加钦李寿浪唐守刚文宏华雷蔓”
（贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州毕节551700）
摘要：主要研究了人体头像三维数字化建模。采用三维扫描仪对人像进行360度无死角的扫描以获取人像的三维点云数据，然后对人像点云数据进行后期处理，包括点云数据的拼合对齐、将部分杂点噪点删除、点云数据的光顺性平滑性处理，以及点云数据的精简优化等。然后导入Geomagic软件中进行数字化建模，主要经过点阶段、封装阶段、多边形阶段、曲面阶段获得产品的NURBS曲面模型，快速完成三维数字化曲面模型的重建。对Geomagic Studio与UG进行数据交换，即将NURBS曲面模型导入到UG中进行二次设计，进行实体的构建缝合。采用了三维数字化建模的思想，将人像扫描出来，快速建模，可以减少生产成本、大大提高产話生产效率。数字化建模可以应用于人像纪念，如人物风景照、婚纱照、老人像等，使得纪念品更加生动形象，还可以长期保存，具有十分重要的纪念意义。 关键词：三维数字化建模；点云数据；人像纪念；NURBS曲面模型
水粉盒0引言
三维数字化建模是以现有的实物利用接触式或非接触式三维扫描仪进行扫描，获取实物的点云数据，利用点云数据进行快速NURBS曲面模型重建，对模型进行二次设计优化处理，进而加工出实物的一种高新制造技术。在国外, 20世纪80年代日本名古屋工^研究所和美国UVP公司、美国3M公司提出了三维数字化建模并开始研制开发。_些重要的国际和国内学术会议都将三维数字化建模及相关技术作为一个重要学术议题。三维数字化建模技术是新产品开发和消化吸收先进技术的重要手段之一。对于我国，三维数字化建模技术的研究较国外起步较晚，经费投入也相对较少，创新性的研究也较少。直到20世纪90年代中期，三维数字化建模工程在我国才得到迅速的发展与推广。随着机械制鞍的飞速发展，形状复杂的零件越来越多，传统的加工方式设计困难，周期长，加工难度大，生产成本高，已经满足不了市场的需求。而三维数字化建模技术的发展恰恰能解决好这一问题。目前，平面的照片、影像已经满足不了人们对人像的需求。如果通过三维扫描仪扫描获取人像的点云数据，利用三维数字化重建NURBS曲面模型，经基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201610668035, 201710668043）o
通讯作者：雷蔓（1985-），男，贵州黔西人，硕士，讲师，研究方向为先进制造技术。过二次设计优化，自动编程，数控加工或者利用3D打印技术，制造出三维立体的人像、婚纱照、纪念物像，不但可以逼真地展现，还可以看得见、摸得着真实地感觉到它的存在，不再是一张突兀的平面图片，而且可以长期保存。数字化建模还可以修复破损的雕像、雕刻及艺术造型等，已广泛地应用于航天、航空、水利、考古、制造等诸多领域。
1三维人像点云数据的获取
目前，非接触式三维人体测量方法主要有摄像法、扫
描法和光栅法。国际上常用的人体扫描仪有Telmat的SYMCAD、TurboFlash3D、TC2-3T6、TechMath-RAMSIS、CyberwareWB4、Vitronic-Vitus等。这些三维非接触式扫描系统具有扫描时间短，精确度高，测量部位多等多种优于传统测量技术和工具的特点1110
我们将采用手持式三维扫描仪对人像进行扫描。手持式三维扫描倾准人体头像缓慢转动360。，以获取人体头像的三维点云数据。所谓点云，即通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合。
2基于Geomagic studio的建模步骤
Geomagic studio是由美国Geomagic公司提供的逆向建模软件，可将扫描所得的点云数据或多边形数据进行处理，并以处理后的多边形数据模型为依据，创建出逼近原扫描对象的NURBS曲面模型或CAD曲面模型撚后直接输出模型或将所创建模型输出至多款正向建模或正逆向混合建模软件中聞。然后将扫描所得的人体头像的点云数据导入到Geomagic studio三维数字化建模软件中，注意其格式为stl格式。
（1）点阶段。点阶段在Geomagic studio中对点云数据的预处麒完成被扫描人像完成扫描后的第一步。
它主要是针对初始扫描数据进行一系列的预处理，包括去除杂点、噪音点、非连接项、体外孤点，采样等技术处理，以便得到完整的点云数据，从而进一步封装成可用的多边形数据模型。
（2）封装阶段。在点阶段中点击封装命令进入封装阶段，其实质就是三角网格曲面模型，故也叫三角网格曲面阶段。在该阶段以及后续的多边形阶段可以对模型进行破洞漏洞的修补填充、磨（填）平模型表面凸起（凹陷）的部分等优化处理，使模型看鮮更加光整平顺，更大程度上地还原被扫描的人体头像。
（3）多边形处理阶段。多变形阶段（多边形网格化）是将预处理后的点云数据用多边形相互连接，形成多边形网格，其实质是用三角形网格的形式表现出点云数据中的点
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与点之间的连接关系。进行多边形处理的主要目的是修复由于点云数据的缺失、噪音、顶点数据误差、网格化算法缺陷等原因产生的网格退化、自交、孤立、重叠和孔洞等错误，并且可以通过去噪、松弛、拟合等技术手段将模型表面进一步优化，从而得到一个理想的人体头像多边形数据模型，为多边形高级阶段的处理及曲面的拟合打下基础。
(4)精确曲面处理阶段。精确曲面处理阶段是根据多边形数据模型表面的曲率变化来生成轮廓线，并对轮廓线进行编辑处理，然后通过划分轮廓线将整个模型的表面划分成很多个独立的曲面区域，对各个曲面区域铺设曲面片，使人像数据模型成为一个由若干个较小的四边形曲面片构成的集合体，再将每个四边形曲面片进行格栅处理成为指定分辨率的网格结构，最后将每个曲面片拟合成NURBS 曲面，将曲面进行合并，最后得到精确曲面模型。
3人像数字化建模过程
水过滤板
3.1点云数据的预处理
由于各种因数的影响，获取的点云卿存在误差，使点云
含噪音，存在垃圾面，漏洞，孤点等。磁被扫描人体头像模型重构曲面不理想，它从光顺性和精度等方面影响建断量，因此鋼亍三维数報模型重前要对点云剧进行简单的预处理，删除杂点、躁点、体外孤点、非连接点等。
(1)点阶段处理。打开三维数字化建模软件Geomagic Studio2014点击导入命令导入包含人像点云数据的STL 文件。如图］所示，我们只能看到刚导入的点云数据是一点的集合，并不能清楚的看出人体头像的大体形态，因此在这里我们需要对点云数据进行着处理来更好的显示点云数据。
图1点云数据展示
删除杂点噪点，点击减少噪音命令，减少人像点云数据中包含的噪音点，其实质是将点移动至统计的正确位置，以弥补扫描设备误差(噪音)，这样的点的排列会更加平整。在选择命令的下拉列表中到非连接项以及体外孤点2他令，分步操作，先对非连接项进行删除，它会评估点的邻近性并选择与其他点组相距遥远的一组点。为了使人像点数据看起来更加平丿顷，在非连接项下面的设置中分隔的距离我们选择低，尺寸我们定为2。接下来删除体外孤点，它选择与其他多数点距离保持一定的点，体外孤点下面的设置只有敏感度一项，我们选择高一点，选择98，敏感度越高选择的点就会越多，得到的点云数据就更加精细，点击确定按钮，就会有些点被选中，我们点击删除命令，对人像点云数据的简单预处理就完成了。
(2)统一取样。经过扫描获取的点云数据几十甚至上百万个点，数量十分庞大，这样给我们对点云数据的优化处理造成了很大的困难，所以需要我们运用到三维数字化建模软件Geomagic studio的统一取样，它的主要作用是使平坦曲面上的点数目减少呈一致，但以规定密度减少曲面上点的数目，也就是说对点云数据进行筛减和排序。如图2、图3所示，进行了统一采样之后，点数目由原来的223290变为了135931个。
图2对点云数据进行统一采样
图3统_采样后点数目的变化
3.2封装及多边形处理阶段
在进行了采样处理之后，我们需要对人体头像点云数据进行封装处理，其目的是将点云数据转为网格以将对象转为多边形对象。点击封装命令，点云数据就变成了三角曲面网格模型，如图4所示。
多边形阶段其实是由大量的三角形网格组成的十分接近人体头像的模型，它是利用三角形网格来表现出点云数据中点与点之间的连接关系。
3.3填充孔及简化处理
我们可以从图4看出，人体头像多边形数据模型多处存在破洞漏洞，扫描的人体头像有许多漏洞，需要运用到填充孔命令将孔填充，在填充之前，我们需要对这些孔进行简单的处理，因为有些孔不规则或太细，填充的时候不便于我们操作，可以先删掉需要填充孔周围的一部分，然后结合砂纸适当清除和松弛三角面，再进行填充。相反的是，如果孔
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太大的话，我们也不好进行填充，这就需要我们将需要填充 的孔变小。于是需要用到搭桥命令，其实质是指定一个通 过孔的桥梁以将孔分成可分别填充的孔，使用该功能将复 杂的孔分为更小的孔，以更准确地进行填充，在孔边缘上单
击一点，将其拖至孔边缘另外一个点然后松开以建立桥梁 的一端。重复操作建立桥梁的另一端，再次松开按键时，桥 梁就出现了。
图4封装效果
当前三爲形：219.105驱的
图5填充孔及简化后的效果
接下来我们进行填充孔操作，我们先进行全部填充，但 它并没有识别到全部的孔进行填充，我们点击填充单个孔,
它有按曲率、按平面、按切线、填充内部孔、边界孔、搭桥等
几种操作。将孔填充完毕后，我们在进行简单的处理，修复
三角形相交部分，删除错误的网格，我们还可以对人像模型 进行简化，它的作用是在不影响人像模型特征的前提下，减 少三角形数目，目前多边形数据模型由269192个三角形
构成，我们点击简化，减少模式为三角形计数，减少到百分 比为80%，点击确定按钮，模型的三角形数目变为了
219106个。图5为多边形数据模型在进行填充孔以及简
化过后的效果图。
3.4精确曲面处理阶段
(1)构造曲面片。点击精确曲面之后可以构造曲面片，
精确曲面处理阶段是根据多边形数据模型表面的曲率变
化来生成轮廓线，并对轮廓线进行编辑处理，然后通过划
分轮廓线将整个模型的表面划分成很多个独立的曲面区 域，对各个曲面区域铺设曲面片，使人像数据模型成为一
个由若干个较小的四边形曲面片构成的集合体，构造曲面
片之后，可能会有相交的部分，在这里系统会提示我们，如
图6所示。
图6构造曲面片
接下来我们使用修理曲面片命令对曲面片相交的部分 进行编辑，通过移动顶点的位置使相交的部分不相交，注意
相交的部分会多出一些红的线条，为后续的格栅处理以 及曲面的拟合打下基础。
采集程序
图7格栅示意图
(2)构造格栅。先松弛一下曲面片，然后点击构造格栅
命令后，若弹出探测到相交格栅。请使用松弛格栅或编辑 格栅命令来避免曲面错误对话框，这时探测相交格栅会变
成红，点击格栅，选择松弛格栅，弹出松弛格栅对话框后,
选择在曲面上选项，持续点击应用，直到相交格栅不在相交,
如果松弛格栅也不能解决格栅相交，就采用编辑格栅命令 来解决。图7所示为所构造格栅。
图8完成后的NURBS 曲面模型
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T型暖气管的瞬态流场分析
阵列天线许又文严星武可心
(西安交通工程学院土木工程学院，陕西西安710065)
摘要：寒冷的北方，冬季供暖过程中，暖气管常有漏水现象。其中一种原因是安装过程中管道的接口处没有处理好。为了直观地观察到管道接口处流体的流态，
采用ANSYS有限元软件建立模型，进行瞬态分析。结果表明：管内流体在弯管处流速变化幅度较大，靠近上管壁处流体速度较大，下管壁处流体速度较小，几乎无变化。随着时间的增加，横管处湍动能越趋于边缘化。
关键词：暖气管；流体流态;ANSYS有限元；瞬态
北方冬季供暖当中，暖气管在接口处极易漏水。为了观察排水管的水流形态，以西安交通工程学院某一办公室暖气管为例，建立ANSYS有限元模型模拟流体，可以直观地分析不同时刻管内水的流速、湍动能，为今后相关研究方向提供参考。
1T型暖气管的流态分析
T型暖气管沿Z方向是等截面结构，由于水的流速、湍动能沿Z方向变化较小，可以忽略不计，进而只研究X、Y 方向的变化。球墨铸铁管qiumogg
水的参数见表1。
表1水的参数
名称密度(lig/n?)泊松比
水10000.002
(3)拟合曲面。点击拟合曲面图标，选择常数，拟合方
法设置为常数，控制点设置为18，表面张力设置为0.25，在高级选项下拉箭头下选择优化光顺性，最后合并曲面，可以选择一个面合并，也可选择多个面一起合并，最后生成NURBS曲面模型如图8所示。构建好的NURBS曲面模型在UG、Pro/E等三维软件中进行计算机辅助设计及计算机辅助制造。
4结束语
三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，以被测松的采样点的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速、精确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。正是基于这些优点，三维数字建模技术已广泛地应用于航天、航空、水利、考古、制造等诸多领域。参考文献：
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学报,200&29(5):130-134.
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采用ANSYS有限元软件建立T型暖气管模型。Y方向暖气管的长度取0.45m，直径为0.035m。X方向水管的长度取lm，直径为0.029m。弯管处弧度为90°。水体选用二维的fluid141单元。在笛卡尔坐标系下，
对建立的二维数值模型进行网格划分，将几何体划分为四边形映射
网格，流体网格间距取0.002。
流体设为瞬态问题，激活流体流动方程，经计算，水的流动状态为湍流，激活ALE有限元法，使用流体的动网格功能。其中流体加速度为9.8m/s2o
设计时常采用平均经济流速来确定管径，当D=100〜400mm时，平均经济流速取0.6~0.9m/s；当D M400mm 时，平均经济流速取0.9〜1.4m/s，大管取大值，小管取小
值。本文施加流体荷载时，水的入口流速定义为0.8m/s，入口压强定义为0.6MPa，出口压强为O.IMPa。
3不同时刻的流体分析
因为暖气管取了一小部分计算，所以设定计算时间较
短，分别计算0.1s、0.4s、0.8s的流体流态。下面求解不同时刻流体的流速和湍动能。
T型暖气管几何模型如图］所示。
［Ml.北京：清华大学出版社,2016.
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(收稿日期：2019-04-04)
《湖北农机化》2019年第13期［
