發動機仿真教學系統設計

劉光宇 王偉蔚 王馗

（63996部隊，北京 100094）

發動機仿真教學系統設計

劉光宇 王偉蔚 王馗

（63996部隊，北京 100094）

隨著三維動畫技術的發展，仿真技術可生動地展示設備的結構及工作原理。本文介紹了利用SolidWorks、3DVIA Composer等軟件開發動機仿真教學系統的方法及步驟。系統的開發能夠讓學習人員通過交互式動畫操作快速地掌握發動機的構造及工作原理，彌補了實習的不足，提高了學習效率。

發動機仿真教學SolidWorks 3DVIA Composer

1 引言

在職業技能教育中，學員實際動手能力的培養是教學中的重點，這種能力的培養的主要方法是加強教學實習，通過大量的實習操作強化技能。然而在職業培訓中，如汽車維修技工培訓中，實習設備價格高，培訓成本大，多數培訓機構實習設備少，實習時間短，從而制約了學員實際動手能力的培養。隨著計算機技術的發展，三維仿真動畫技術應運而生，利用三維動畫軟件開發的仿真教學系統可以對實體設備進行真實、準確地模擬。為此，我們針對勇士越野車CYQD32TI型發動機進行了三維仿真教學系統的開發。

2 系統的主要內容及開發步驟

2.1 系統的主要內容

發動機總成包括兩大機構、五大系統：曲柄連桿機構、配氣機構，啟動系統、潤滑系統、冷卻系統、燃油供給系統、點火系統[1]。針對這七大組成部分，本仿真系統主要包含以下主要教學內容：

（1）發動機總成及各部件的主要參數、工作原理講解，零部件構造、及裝配關系展示。

（2）零部件拆裝練習。以交互式三維動畫的方式摸擬發動機維修中零部件的折裝。通過鼠標點擊操作拆裝零件，掌握正確的拆裝順序，當發生拆裝順序錯誤時，無法完成下一步的拆裝操作。

（3）考核。就學習知識點建立考核數據庫，考核中采用隨機抽題折方式組題。主要題型包括填空、選擇、判斷、簡答、三維動畫拆裝實作考核。其中客觀題可自動判分。

2.2 表現方式

總成及零部件主要參數及工作原理的講解主要以文字、圖片展示，并伴隨同步音頻講解。而零部件的構造、裝配關系及傳動關系主要通過交互式三維動畫進行展示。SolidWorks相比3DVIA Composer的Digger工具使其動畫功能更加強大。

Digger工具主要包含洋蔥皮、X光、剖切平面、縮放四種工作模式[4]。在洋蔥皮模式下可以實現對裝配實體外部結構的逐層剝離以展示內部結構；X光模式可實現對實體的內部透視；剖切平面模式可以任意定義剖切平面位置，動態地對實體剖切，以展示內部結構；縮放模式下展示任意位置的局部視圖，通過調節縮放比，展示零件的局部細節。這些展示方式是學員在實習中通過觀察實物也無法觀察到的。

3 開發軟件的選擇及開發步驟

仿真軟件的開發核心工作是交互式三維動畫的制作，包括發動機零件的3D建模、零件的裝配、動畫設計、編輯及發布。其中3D建模是基礎，零件的裝配及動畫設計是重點。

3.1 建模

在開發中選用SolidWorks作為3D建模軟件。SolidWorks是基于特征的參數化實體建模軟件，是一款Windows平臺下的三維CAD軟件，其繪圖功能強大，簡單易用[2]。利用它可以方便創建任何復雜實體，快捷地組成裝配體。SolidWorks具有零件圖、裝配體、工程圖三個模塊，三個模塊相互關聯，在任一模塊中的修改，都會自動反映到其它模塊中。利用零件圖或實測零件尺寸參數，采用拉伸、旋轉、掃描、放樣多種方式進行快速建模。在建模中可以對模型進行干涉檢查，以便及時發現繪制中的錯誤。SolidWorks集成了大量的插件，極大地拓展了其功能。其中Toolbox插件是一個智能化的標準件庫，常用的螺栓、軸承、鍵、銷等標準件可以直接調用，該插件的應用可大大提高建模效率。在零件模型創建完成后可進行零件的顏色、材質、紋理、透明度等屬性設置，同時對環境光源進行必要的設置、調整，以便使零件更加生動、逼真。

3.2 交互動畫合成

SolidWorks集成的Animator等插件可以進行高級渲染及交互動畫合成等工作，但這里選用功能更強大的3DVIA Composer作為三維動畫制作工具，該軟件可以高效地完成圖形文檔編輯、三維交互動畫制作工作[3]。3DVIA Composer與SolidWorks高度集成，3DVIA Composer可以直接打開包括SolidWorks在內的多種三維CAD軟件建立的零件及裝配體三維模型。3DVIA Composer很好地繼承了SolidWorks中的操作，例如爆炸圖、爆炸引線及配置等，避免重復性的工作。3DVIA Composer制作的動畫中，可以通過鼠標實現對三維實體的平移、縮放、任意角度的旋轉等基本動畫操作，還可以生成爆炸視圖展示零件的裝配關系，生成局部視圖展示零件的細節，通過對外部零件的消隱展示內部零件的結構。此外與

Digger的剖切平面模式

Digger的縮放模式

在動畫制作中應合理設置攝像機，通過設置攝像機的位置、角度、鏡頭參數等確定角色在視口中合理的布局。可通過復制變換，設置樞軸、對齊、鏈接父子關系、創建選擇集等工具快速地設置角色的運動關系，同時要根據需要添加起輔助作用的協同角色，如標簽、箭頭、2D圖片和文本、編號、非關聯路徑、標記、測量、照明、坐標系、切除面等。根據運動關系及特點在時間窗口中設置合理的動畫時間及關鍵幀，經過預覽無誤后渲染、導出動畫文件。

3.3 系統合成

作為一個教學軟件，必須依據發動機的組成部分，按照學習章節把文字、講解配音、圖片、三維動畫等素材及考核題庫有機地組織起來。這里我們選用Director作為后期合成軟件。Director是Adobe公司開發的一款項目集成軟件，利用該軟件可把高品質圖像、數字視頻、音頻、動畫、三維模型、文本、超文本等素材合成交互式多媒體系統[5]。基于調取3DVIA Composer三維動畫的需要，系統要嵌入3DVIA Play播放插件進行動畫播放。在系統合成中還創建了導航工具條，可以讓用戶在使用時方便地在各章節快速跳轉到新的學習點。

4 結束語

交互式三維仿真教學系統在汽車維修技工教學中雖然不能代替實習教學，但可作為一種輔助教學手段。學員使用該系統能更清楚地了解發動機零部件構造、零件的裝配關系、傳動關系、拆裝順序等，從而有效地提高了教學效果。

[1]于增信.汽車發動機構造、原理與維修[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]詹迪維.SolidWorks高級應用教程[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]張志利,褚識廣,等,基于CATIA和3DVIA Composer的液壓元件虛擬裝配仿真[A].全國先進制造技術高層論壇暨第九屆制造業自動化與信息化技術研討會論文集[C].2010: 35-37

[4]李大磊.3DVIA Composer工程應用基礎與實例[M].北京：化學工業出版社，2012.

[5]許曉潔，仲福根，顧彩莉等.Director多媒體應用教程.[M]電子工業出版社，2014.

The Design of Engine Simulation Teaching System

LIU Guang-yu,WANG Wei-wei,Wang Kui
（The 63996th troop of the PLA,Beijing 100094,China）

With the development of the three dimensional animation technology,the structure and working principle of machines can be displayed vividly with simulation technology.This paper introduced the methods of engine simulation teaching system by SolidWorks and 3DVIA Composer.Base on this interactive system,students can quickly master the structure and working principle of engine,which make up for the deficiency of the operation practice and improve the learning efficiency.

engine;simulation;education;Solidworks;3DVIA compose

TP311

A

1008-1739（2015）05-71-3

定稿日期：2015-02-12