车用发动机虚拟仿真实训平台架构的设计与研究

王放 苏娜 孙艳妮 文玉芳

基金项目：西安汽车职业大学2021年度科学研究基金项目“发动机虚拟仿真平台开发及应用”（2021KJ001）；2020年度陕西省教育厅专项科学研究计划项目“基于风向标大众帕萨特发动机故障诊断试验台架教学显示功能扩展的研究”（20JK0827）

摘要：以“虚拟仿真实训平台”为课题，对虚拟实验软件平台的构建以及运用VR虚拟仿真技术开发软件平台步骤的详细介绍。将虚拟仿真软件的搭建内容、步骤和所依托的软件作为研究对象，具体分析了虚拟仿真平台的技术特点和实现过程，以期根据用户需求设计出适合的技术路径和实现方案，为高校自主研发虚拟仿真实验平台提供参考，并将此类虚拟仿真实训软件应用在各种实训台架上，解决台架技术落后问题，如在风向标帕萨特台架搭载并运用此虚拟仿真开发技术拓展台架功能。

关键词：虚拟现实；发动机；虚拟仿真实训平台；模拟；Unity 3D；3DMax

中图分类号：U462  收稿日期：2023-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401014

1 虚拟实训软件平台的研究意义

虚拟实训（实验）仿真技术是一种可以创设和体验虚拟情境的计算机系统，是利用虚拟仿真技术[1]，在电脑上建立起一种能够全部或部分取代真实情境中实训（实验）操作的仿真环境，从而能够進行各种实验、实训操作，了解实验原理、实验步骤，或是练习操作技巧。可以通过开发和设计一款具备现代主流技术发动机的虚拟仿真实训平台，包括发动机的选择、发动机建模、模型修复、虚拟环境的建立、模型交互，以及功能的实现。该平台可为培养学生的专业核心技能提供帮助，以及为实训教学提供新思路。

2 发动机虚拟仿真实训软件的设计

2.1 互联网平台搭建

发动机模拟训练系统的搭建，在多媒体教室中有两种情况：如果使用本地局域网络，只需要一台电脑就可以充当网络服务器；使用外网，所选发动机引擎的训练可以让学员随时随地进行训练。平台的架构是实现虚拟仿真实训的关键。在设计时，采取分布式架构，将虚拟仿真软件和数据存储分离，实现软件的远程访问功能。采用云计算技术，将多个独立的实例结合在一起，形成强大的计算力，缩短开发周期，提高开发效率。

数据管理是平台开发过程中的重点。在实现虚拟仿真的过程中，需要对发动机零部件的数据信息进行管理，例如发动机的性能参数、设计图纸、三维模型和测试数据等，建立高效的数据管理系统，将这些数据集中存储，并提供与用户交互的接口。

虚拟仿真实训平台的搭建需要考虑架构设计、数据管理、交互体验和安全性等因素，并采取相应的策略来实现平台的高效性和安全性。

2.2 零部件三维建模与模型渲染

2.2.1 零部件三维建模

使用三维扫描工具对发动机零部件进行扫描的过程如图1所示。软件开发主要通过三维扫描工具以及3ds Max建模软件来构建实训工具、发动机总成及虚拟实训场景模型；物体运动由iTween插件控制；三维场景及发动机总成由Unity3D引擎完成交互和渲染。为了制作发动机实训部件、操作工具以及实训室场景的模型，建立发动机型资源库，并采用编辑多边形的建模方式。利用法线贴图技术将高精度的模型烘焙到优化后的低模上，可呈现逼真的效果，同时降低面数和资源消耗。为保证发动机建模精准度，采用三维扫描仪对发动机零部件进行数据采集，并通过三维建模软件构建发动机模型资源库[2]。

缸体是整个发动机的主体结构，它需要三维建模并考虑其内部气缸布局和冷却水路系统。曲轴是发动机的重要组成部分，需要根据其转动角度进行细致的三维建模，以便在软件中模拟各个工作阶段的转动角度和速度。发动机的连接件连杆等，在建模时需要考虑其长度、直径和支撑点的位置等因素。活塞在建模时需要细致地分析其受力情况和摩擦等因素，以便在虚拟仿真软件中模拟并分析各个工作状态下的运动状态。气门在建模时需要考虑其在吸气、排气过程中的运动状态，气门的开度和关闭对发动机的工作状态有着重要的影响，因此需要在虚拟仿真软件中模拟和分析各个工作状态下气门的运动状态和效果。

2.2.2 模型的交互和渲染

发动机虚拟仿真实训平台是一种基于计算机技术的实训教学工具。其中，模型的交互和渲染是其两个核心环节。模型的交互包括用户与模型的交互和模型与模型的交互两个方面。

在模型的渲染方面，主要涉及图形学中的三个核心技术：建模、渲染和动画。建模技术主要负责将实际物体的几何形状、物理特性、材质属性等信息转化为计算机可以理解的形式，并生成相应的几何模型。几何模型通常采用多边形网格模型表示，其大小和精度会直接影响渲染和动画的效果。渲染技术则负责将几何模型转化为图像，包括光照、纹理、透视、阴影等视觉效果。动画技术则负责实现模型的动态变化，通常采用关键帧技术和插值算法[3]。

发动机虚拟仿真实训平台的设计可以提高实践操作能力，有助于学生的职业发展和就业竞争力的提升。同时，该平台运用计算机图形学、计算机辅助工程、高性能计算等领域的前沿技术和理论，具有行业内和学术界双重影响力和推广价值。

2.3 发动机拆装脚本的撰写

a.针对不同的使用场景和操作习惯优化脚本的设计，提供更人性化的脚本操作界面和更完善的脚本功能。例如，在拆装过程中，用户需要通过操作螺栓、螺母等零件来拆卸和安装发动机，为满足操作的复杂性和正确性，脚本需要实现模拟零件的动态变化、力学特性和碰撞检测等。

b.发动机拆装脚本的核心是算法的设计和优化。在实际拆装过程中，发动机零件的复杂性和数量是非常大的，需要通过算法来实现对零件的快速定位、动态变形和碰撞检测等操作。此外，为提高算法的效率和性能，需要进行算法优化。例如采用基于神经网络的机器学习算法进行优化，减少计算量和提高计算速度。

c.发动机拆装脚本的撰写还需要考虑软件的可扩展性和灵活性。随着发动机技术的不断发展，软件需要不断更新和优化，因此需要提供易于扩展的接口和架构设计。同时，为了便于用户根据实际需求进行个性化设置和拓展功能，还需要提供相应的可配置性和可定制性。

发动机拆装脚本的撰写是发动机虚拟仿真軟件中的重要环节，需要根据用户需求优化脚本设计，进行算法设计和优化，同时考虑软件的可扩展性和灵活性。

2.4 虚拟环境的编辑、角色设置与功能展示

2.4.1 虚拟环境的编辑

车用发动机虚拟仿真实训平台的设计中，虚拟环境的编辑是不可或缺的一个环节。该环节中，通过对虚拟环境的建模和设计，实现对发动机模拟和仿真操作。虚拟环境的编辑需要注意以下几个方面：

a.仿真的实时性和精度。在建模的过程中，对发动机各参数进行精细化调整和补充，确保仿真结果的准确性和实时性。同时考虑虚拟环境所需要的运算，进行合理的分配和优化，提高仿真的效率和精度[3]。

b.用户的使用体验和交互性。通过界面设计和交互操作，使用户能够轻松地进行模拟和实验操作，加强用户的参与感和情感认知，避免因操作麻烦或界面设计问题而导致用户放弃使用。

c.系统的可扩展性和灵活性。以模块化的方式来构建虚拟环境，以便在需要增加新功能或改进系统性能时，能够快速地进行扩展和改进，从而实现系统的适应性和灵活性。

d.系统的安全性和稳定性。考虑到系统在运行过程中的数据安全和权限管理问题，以及在系统崩溃或出现异常情况时的自动备份和恢复机制。这样能够确保系统的稳定性和安全性。

此款发动机虚拟仿真软件设计中搭载的环境主要为两个：在拆装车间进行结构的认知；在虚拟车间进行拆装和测量的模拟操作，图2为气缸盖拆卸演示。

2.4.2 仿真实训平台中角色设置

通过对仿真的组装进行多次的模拟，采用各种方式进行拆卸，整个仿真实训过程成为一个研究性的学习过程。将仿真实训进行网络化，在仿真空间中进行实训。

2.4.3 虚拟仿真软件的功能展示

在车用发动机虚拟仿真实训平台中，虚拟仿真软件可模拟发动机的工作过程，还可了解发动机的总体构造、工作原理、模拟装配、装配时所用工具的认知、资料查询、在线考核以及检查测量等功能，如图3所示。

软件操作功能的设定：在模拟装配中有演示、报错功能、计时功能、计算分数功能等。在结构认知中具备发动机爆炸、结构系统分类认知展示和部件隐藏功能、搜索功能、名称显示功能、部件旋转、缩放功能等，如图4所示。

3 实训台架仿真软件功能的升级

随着汽车技术的更新，很多试验台架最初设计时不具备升级和技术同步更新的功能，久而久之面临着闲置或者濒临报废，也是职业院校的一个窘境。老旧台架成为闲置和濒临报废品，造成了场地的严重浪费。自主开发的发动机虚拟仿真软件搭载在相关试验台架中，完成试验台架的升级和功能完善，使之具备先进性与技术性，不仅可以解决老旧设备的问题，也给其注入新的活力和使用价值［4］。

4 结语

车用发动机虚拟仿真软件在教学中的应用已经得到了广泛的关注和应用。它具有以下优势：

a.软件开发主要通过三维扫描工具以及3ds Max建模软件来构建实训工具、发动机总成及虚拟实训场景模型；物体运动由iTween插件控制；三维场景及发动机总成则由Unity3D引擎完成交互和渲染。

b.发动机虚拟仿真软件车用发动机虚拟仿真实训平台的设计中，虚拟环境的编辑是不可或缺的一个环节。

c.发动机虚拟仿真软件可以提供更多、更灵活的实训机会，通过虚拟仿真软件，可以进行更多、更复杂的实验实训，亦可随时随地进行操作，通过反复训练，增加学生对发动机的实际操作经验。

参考文献：

[1]柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等国内外虚拟仿真教学的发展现状[J]教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[2赵敬杰净烟器结构与造型设计研究[D]长春：长春工业大学，2021.

[3]杨远满虚拟现实技术应用于发动机拆装实训的探索与实践——以北京汽车技师学院为例[J]汽车维护与修理，2019（14）：18-20.

[4]高林虚拟现实技术在虚拟仿真实训中的应用[J]科技资讯，2022（4）：177-180.

作者简介：

王放，男，1970年生，副教授，研究方向为汽车改装技术、虚拟仿真技术和职业教育。