基于計算機仿真技術的汽車構造課程教學資源庫建設

業紅玲++王鵬飛

摘 要：結合汽車構造課程特點、教學現狀，該文闡述了基于計算機仿真技術的教學資源庫建設。運用Pro/E三維建模軟件建立汽車零部件模型，3ds Max軟件對模型修改、渲染，Cult3D軟件實現零部件三維交互顯示，Flash軟件工作原理動畫制作。通過建設的教學資源與汽車構造課程融合，提高課程教學質量。

關鍵詞：汽車構造 仿真 教學資源

中圖分類號：G6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0238-05

Construction of Automobile Struction Teaching Resource Database Based on Computer Simulation

Ye Hongling Wang Pengfei

（Dean of School of Mechanical and Vehicular Engineering Bengbu University， Bengbu Anhui， 233000， China）

Abstract：According to the characters of automobile struction and the situation of teaching， the thesis discusses construction of automobile struction teaching resource database based on computer simulation. An entity model is set up and amended and rendered and interactive displayed by three-dimensional design software Pro/ E、3dsmax software and cult3D software. The moving picture is made by Flash software about the work principle of automobile part. With fusion of teaching resource database and automobile struction， the teaching quality is improved.

Key Words：Automobile struction； Simulation； Teaching resource

過去10年中國汽車產量高速增長，以超出幾乎所有人預期步伐躍升為全球第一大汽車市場。2016年，中國車市再創佳績，汽車產銷量分別實現了14.46%和13.65%的同比增幅，達到了2 811.88萬輛和2 082.82萬輛。在汽車工業飛速發展的同時，社會對汽車及相關專業人才的需求也迅速增長，這使得近年來越來越多的高等院校開設一些汽車工程類專業，如車輛工程、汽車運用工程、汽車服務工程等。

汽車構造是汽車工程類專業必修的一門系統性、實踐性較強的專業課，是銜接基礎課和專業課的紐帶，在整個汽車工程類專業人才培養方案和課程體系中占有舉足輕重的地位。通過汽車構造課程的學習，了解和掌握汽車總體及其各總成部件的結構、組成和工作原理，并培養一定汽車拆裝的實際動手能力[1]。然而，汽車是一臺由上萬個設計原理精巧、結構復雜的零部件組成的機器，且種類繁多。傳統的教學由于教學資源缺乏，主要是基于課本，運用插圖、多媒體課件和實物零件等教學手段，很難方便、生動、交互、直觀、具體在課堂教學上體現汽車部件的構造、外形、裝配和運動原理，使得理論教學講解過程中耗時耗力，效率低；對學生來說難于理解、不易接受，聽起來枯燥、乏味、毫無興趣。

為滿足新形勢下對汽車高等工程技術人員培養的需求，改變傳統的教學方法和觀念，結合汽車新技術、新結構、新工藝和新材料，利用計算機仿真技術建立適用于應用型本科高校的汽車構造課程教學資源庫，實現化靜態為動態、化抽象為具體、化復雜多變為直觀明了、化不可見為可見[2]的立體化、精品化教學，幫助學生克服空間想象的障礙，大大激發學生的學習興趣，為后續專業的學習打下良好的理論與實踐基礎，有效地提高教學質量，培養出社會所需要的理論和實踐層面均出色的高技能、應用型人才。

近年來計算機仿真技術飛速發展，這為汽車構造課程資源庫建設提供了有力的工具和幫助。利用仿真技術可以方便地進行汽車各總成三維模型建立，再現性好；可以實現汽車重要總成的裝配、拆解過程，學生通過觀看動畫演示，了解真實的裝拆過程；還可以通過鼠標操作仿真零部件進行放大、縮小、旋轉、移動等零部件的三維交互顯示。同時計算機仿真技術也具有不受時間、氣候、場地限制等優點。因此，計算機仿真技術是對汽車構造課程教學資源庫建設，提高教學效果的一種重要手段。

此資源庫建設針對大眾1.8T帕薩特轎車，包括汽車零部件的三維模型建立、三維交互顯示，汽車重要總成及零部件的工作原理等。

1 汽車零部件三維模型建立

資源庫三維仿真模型的建立中，借助三維建模軟件Pro/E、3ds Max構建帕薩特轎車零部件和總成模型，實現三維仿真及模型渲染、分解和裝配。首先采用三維建模軟件Pro/E按照原車零部件利用游標卡尺測量出尺寸進行建模。該資源庫建立了1.8T帕薩特轎車約幾千個零部件的三維模型。發動機是汽車的“心臟”，包括兩大機構、五大系統，底盤是汽車的“骨架”，由四個系統組成，在汽車構造課程教學中學時占比偏大，理解較為困難，為了更好的使學生掌握、了解發動機、底盤的結構、工作原理及在整個汽車的作用，發動機、底盤總成的三維模型是資源庫建設的重點，尤其結構極為復雜的缸體、缸蓋、變速器等殼體類零部件。每個模型建成后，都需導出格式為STL（STereo Lithography，立體光造型文件）的模型格式文件。

值得注意的是，導出時為了防止模型失真，需要修改模型的導出數據格式和偏差控制。其數據格式應選擇二進制和允許負值兩個選項，偏差控制中的弦高度和角度控制中的數據適中，太大出現模型的失真，太小導致模型導出到3ds Max中面片太多，數據量過大，在進行模型處理時計算機計算量較大，并且會延長最終輸出的方針模型的載入時間。

Pro/E中以STL導出的三維模型需要載入到3ds MAX進行修改、裝配、組合、切割、貼圖，其中渲染是3ds MAX一個非常強大的功能，可以將汽車各總成及零部件模型進行著色渲染，逼近實物，尤其是一些結構、原理復雜的零部件，在教學中取得良好效果。以下是帕薩特轎車部分零部件的建模圖片見圖1、圖2。

同時有一些簡單的汽車零部件模型可直接在3ds MAX中進行建模。邊形建模是3ds MAX的又一大亮點，但其模型的基本元素是點、線、面，沒有圓滑的過渡。為了達到汽車物體邊緣的圓滑效果，通常采用網格光滑、渦輪光滑等技術對邊緣進行處理加工。但這樣處理的結果會大大增加模型的面數，使得系統后期工作的負擔加重，因此，建模階段的模型需要優化（見圖3）。

圖3所表現的是對多邊形模型的局部表面進行光滑處理，即只對需要處理的表面進行平滑處理。在圖3中的模型對中間的圓形結構進行了平滑處理，對不需要平滑的齒部分保持原樣，可以看到效果很好，且模型的頂點只有780個。因此，應用適當的優化方法，在保證視覺效果的同時提高了模型精度，且不會產生較多的面數。

3ds MAX模型不能被Cult3D等三維交互處理軟件直接使用，為此Cult3D提供了專用的導出工具“Cult3D Exporter”，安裝后3DMAX就能將3D模型輸出成Cult3D Design的C3D格式。

2 汽車零部件三維交互顯示

Cult3D是人機交互的軟件之一，是基于跨平臺的3D引擎，可以把高質量圖像、實時交互的物體用于在網頁上建立互動的三維模型[3]。運用Cult3D技術和三維模型嵌入控件技術進行汽車零部件三維虛擬動態展示，不僅能夠展示出外形，還包括結構布局以及仿真效果，真正實現了動態交互、實時渲染等特性；同時瀏覽者還可通過鼠標操縱模型，從各個角度觀察三維交互模型的內外結構形狀，實現總成模型的三維仿真顯示。另外，三維交互仿真模型可載入到Director、PowerPoint等多媒體中進行三維模型動態交互展示，還可通過網絡環境下的ASP動態網頁技術及網絡數據庫技術實現汽車零部件三維模型在線展示。

交互設計是Cult3D最重要的功能，使用廣泛。目前絕大多數的Cult3D技術都用來做單個模型的展示，如果要制作一個大的三維仿真場景，面對眾多的分支選擇，就必須制作作品導航，設置必要的交互控制，比如在其中顯示操作提示，幫助操作等。如果建模給Cult3D創造了活動的世界和操作的對象，那么交互設計就是給靜止的虛擬世界增加了生氣與靈魂。Cult3D具有強大的交互功能，在Cult3D里可以方便的實現對模型的放大、縮小、移動、旋轉等操作。

C3D Designer提供的交互操作很多。在動作窗口中，提供了一系列在設計工作中可以使用的交互動作，見圖4。

Cult3D中的操作關鍵在于交互行為的添加，以活塞連桿為例子了解Cult3D完成的3種交互操作：

（1）通過拖曳鼠標可以對組裝完成的活塞連桿機構進行旋轉、放大、縮小，從而可進行全方位的觀察。

（2）將鼠標置于任一個零部件模型時，可以顯示零部件名稱或相應注釋。

（3）可對活塞連桿機構的所有零部件按順序組裝起來成為一個整體，也可以對活塞連桿機構按組裝順序進行分解。以便全面理解活塞連桿機構的組成及各零部件的相互位置，真正建立一個完整的、基于空間概念的活塞連桿機構形象。

首先，完成第一步的交互操作，即拖曳鼠標使活塞連桿機構實現任意方向的轉動，便于全方位的觀察。這里主要將Cult3D的“世界啟動”事件和Action行為窗口的Object Motion下的Arcball行為施加于所有的活塞連桿機構各零部件。Archall行為的主要作用有：在窗口中拖動鼠標時可以旋轉、移動或縮放物體，缺省的設置是左鍵旋轉物體，有鍵拉近、推遠物體，左右鍵同時按下移動物體。施加行為后拖動鼠標的結果見圖5，可以隨意從不同角度進行觀察。

其次設置第二步的交互操作，即將鼠標置于任何一個零部件上時顯示零部件名稱或者注釋：在Cult3D的操作界面的SceneGraph窗口中的Tooltips工具提示命令可以很好的完成這一步工作。右鍵點擊Toohips按鈕為每個零部件創建一個工具提示，這樣當鼠標移動到每個零部件上時相應的提示就在鼠標的位置出現。另外可運用Event中的觸發事件、復位事件、激活事件和渲染中的顯示對象、隱藏對象，以及節點層級動畫事件對三維模型總成進行控制，可實現三維模型總成的模擬拆裝。

最后，渲染作品成為能夠在internet發布的作品，其方法是：在File菜單中選擇Save internet File命令，將其保存為（*.CO）格式文件，這種格式的文件是Cult3D最終能在internet、Adobe的Acrobat、PowerPoint、Director里發布的文件。

3 汽車結構工作原理

汽車構造課程教學中，其中一個非常重要的部分是系統的講解汽車結構的工作原理，分析汽車各大系統及零部件的運動形式、工作過程和理論基礎等。通常其工作原理較為復雜，傳統的教學方法是基于課本、課件和口頭闡述來講授，教學效果差。為了使學生真正掌握其工作原理，重視或強化課程的重點——汽車結構工作原理，教學資源庫利用Flash軟件等計算機技術建設一系列直觀展現給學生的平面、三維仿真動態原理圖，如發動機工作循環原理圖（見圖6）、發動機進氣增壓原理圖（見圖7）所示，激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性。

在當今汽車制造技術日新月異的時代，為培養出社會需要的應用型人才，發揮學生學習的主動性，需要改變傳統的教學方法和觀念，利用計算機仿真技術建立豐富多彩的三維結構模型圖、動畫、視頻、三維交互顯示等素材的教學資源庫，將汽車構造課程和教學資源庫很好地融合，構建以學生為主體的教學課件，幫助學生理解抽象、復雜的重難點，使學生真正掌握汽車結構及其工作原理，提高課程教學質量，為后續專業課學習打下堅實基礎。

參考文獻

[1] 吳海榮.多媒體技術在汽車構造教學中的運用[J].中國現代教育裝備，2012（23）：39-41.

[2] 金云龍.多媒體技術在汽車專業教學中的應用分析[J].現代商貿工業，2011（12）：219-220.

[3] 肖名濤.基于VB的自動變速器虛擬實驗平臺設計[J].工業與信息化教育，2014（5）：75-78.