发动机仿真教学系统设计

刘光宇 王伟蔚 王馗

（63996部队，北京 100094）

发动机仿真教学系统设计

刘光宇 王伟蔚 王馗

（63996部队，北京 100094）

随着三维动画技术的发展，仿真技术可生动地展示设备的结构及工作原理。本文介绍了利用SolidWorks、3DVIA Composer等软件开发动机仿真教学系统的方法及步骤。系统的开发能够让学习人员通过交互式动画操作快速地掌握发动机的构造及工作原理，弥补了实习的不足，提高了学习效率。

发动机仿真教学SolidWorks 3DVIA Composer

1 引言

在职业技能教育中，学员实际动手能力的培养是教学中的重点，这种能力的培养的主要方法是加强教学实习，通过大量的实习操作强化技能。然而在职业培训中，如汽车维修技工培训中，实习设备价格高，培训成本大，多数培训机构实习设备少，实习时间短，从而制约了学员实际动手能力的培养。随着计算机技术的发展，三维仿真动画技术应运而生，利用三维动画软件开发的仿真教学系统可以对实体设备进行真实、准确地模拟。为此，我们针对勇士越野车CYQD32TI型发动机进行了三维仿真教学系统的开发。

2 系统的主要内容及开发步骤

2.1 系统的主要内容

发动机总成包括两大机构、五大系统：曲柄连杆机构、配气机构，启动系统、润滑系统、冷却系统、燃油供给系统、点火系统[1]。针对这七大组成部分，本仿真系统主要包含以下主要教学内容：

（1）发动机总成及各部件的主要参数、工作原理讲解，零部件构造、及装配关系展示。

（2）零部件拆装练习。以交互式三维动画的方式摸拟发动机维修中零部件的折装。通过鼠标点击操作拆装零件，掌握正确的拆装顺序，当发生拆装顺序错误时，无法完成下一步的拆装操作。

（3）考核。就学习知识点建立考核数据库，考核中采用随机抽题折方式组题。主要题型包括填空、选择、判断、简答、三维动画拆装实作考核。其中客观题可自动判分。

2.2 表现方式

总成及零部件主要参数及工作原理的讲解主要以文字、图片展示，并伴随同步音频讲解。而零部件的构造、装配关系及传动关系主要通过交互式三维动画进行展示。SolidWorks相比3DVIA Composer的Digger工具使其动画功能更加强大。

Digger工具主要包含洋葱皮、X光、剖切平面、缩放四种工作模式[4]。在洋葱皮模式下可以实现对装配实体外部结构的逐层剥离以展示内部结构；X光模式可实现对实体的内部透视；剖切平面模式可以任意定义剖切平面位置，动态地对实体剖切，以展示内部结构；缩放模式下展示任意位置的局部视图，通过调节缩放比，展示零件的局部细节。这些展示方式是学员在实习中通过观察实物也无法观察到的。

3 开发软件的选择及开发步骤

仿真软件的开发核心工作是交互式三维动画的制作，包括发动机零件的3D建模、零件的装配、动画设计、编辑及发布。其中3D建模是基础，零件的装配及动画设计是重点。

3.1 建模

在开发中选用SolidWorks作为3D建模软件。SolidWorks是基于特征的参数化实体建模软件，是一款Windows平台下的三维CAD软件，其绘图功能强大，简单易用[2]。利用它可以方便创建任何复杂实体，快捷地组成装配体。SolidWorks具有零件图、装配体、工程图三个模块，三个模块相互关联，在任一模块中的修改，都会自动反映到其它模块中。利用零件图或实测零件尺寸参数，采用拉伸、旋转、扫描、放样多种方式进行快速建模。在建模中可以对模型进行干涉检查，以便及时发现绘制中的错误。SolidWorks集成了大量的插件，极大地拓展了其功能。其中Toolbox插件是一个智能化的标准件库，常用的螺栓、轴承、键、销等标准件可以直接调用，该插件的应用可大大提高建模效率。在零件模型创建完成后可进行零件的颜色、材质、纹理、透明度等属性设置，同时对环境光源进行必要的设置、调整，以便使零件更加生动、逼真。

3.2 交互动画合成

SolidWorks集成的Animator等插件可以进行高级渲染及交互动画合成等工作，但这里选用功能更强大的3DVIA Composer作为三维动画制作工具，该软件可以高效地完成图形文档编辑、三维交互动画制作工作[3]。3DVIA Composer与SolidWorks高度集成，3DVIA Composer可以直接打开包括SolidWorks在内的多种三维CAD软件建立的零件及装配体三维模型。3DVIA Composer很好地继承了SolidWorks中的操作，例如爆炸图、爆炸引线及配置等，避免重复性的工作。3DVIA Composer制作的动画中，可以通过鼠标实现对三维实体的平移、缩放、任意角度的旋转等基本动画操作，还可以生成爆炸视图展示零件的装配关系，生成局部视图展示零件的细节，通过对外部零件的消隐展示内部零件的结构。此外与

Digger的剖切平面模式

Digger的缩放模式

在动画制作中应合理设置摄像机，通过设置摄像机的位置、角度、镜头参数等确定角色在视口中合理的布局。可通过复制变换，设置枢轴、对齐、链接父子关系、创建选择集等工具快速地设置角色的运动关系，同时要根据需要添加起辅助作用的协同角色，如标签、箭头、2D图片和文本、编号、非关联路径、标记、测量、照明、坐标系、切除面等。根据运动关系及特点在时间窗口中设置合理的动画时间及关键帧，经过预览无误后渲染、导出动画文件。

3.3 系统合成

作为一个教学软件，必须依据发动机的组成部分，按照学习章节把文字、讲解配音、图片、三维动画等素材及考核题库有机地组织起来。这里我们选用Director作为后期合成软件。Director是Adobe公司开发的一款项目集成软件，利用该软件可把高品质图像、数字视频、音频、动画、三维模型、文本、超文本等素材合成交互式多媒体系统[5]。基于调取3DVIA Composer三维动画的需要，系统要嵌入3DVIA Play播放插件进行动画播放。在系统合成中还创建了导航工具条，可以让用户在使用时方便地在各章节快速跳转到新的学习点。

4 结束语

交互式三维仿真教学系统在汽车维修技工教学中虽然不能代替实习教学，但可作为一种辅助教学手段。学员使用该系统能更清楚地了解发动机零部件构造、零件的装配关系、传动关系、拆装顺序等，从而有效地提高了教学效果。

[1]于增信.汽车发动机构造、原理与维修[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]詹迪维.SolidWorks高级应用教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]张志利,褚识广,等,基于CATIA和3DVIA Composer的液压元件虚拟装配仿真[A].全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C].2010: 35-37

[4]李大磊.3DVIA Composer工程应用基础与实例[M].北京：化学工业出版社，2012.

[5]许晓洁，仲福根，顾彩莉等.Director多媒体应用教程.[M]电子工业出版社，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