基于CATIA V5的汽車發(fā)動機仿真教學系統(tǒng)構建方案

摘要：本文是針對目前汽車職業(yè)院校普遍面臨的實物教學困難、經費投資大的問題，提出建立一個汽車發(fā)動機仿真教學系統(tǒng)的構建實施方案。本方案先對汽車發(fā)動機的組成與結構進行分析，在CATIA V5平臺中，對標準件進行參數(shù)化建模，對非標準件進行測繪后建立相關零件庫，將零件庫的零件由小到大逐步完成裝配，最后將這個組裝好的發(fā)動機進行運動仿真，生成相關的文件使其能便于教學。通過本方案，將發(fā)動機內部可視化，從而建立汽車發(fā)動機仿真教學系統(tǒng)，很好的解決了課堂教學中發(fā)動機結構拆裝困難以及職業(yè)教育中面臨的場地經費問題。

關鍵詞：汽車教學；發(fā)動機；零件庫；仿真；CATIA

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 21-0000-02

1 汽車發(fā)動機仿真教學系統(tǒng)構建意義

在職業(yè)教育教學中，采用虛擬現(xiàn)實技術應用在模擬仿真加工方面的比較多，在汽車仿真教學中應用較少，因此，本系統(tǒng)的創(chuàng)建，對汽車專業(yè)學生的實習訓練和教學都有重大意義。原因有以下幾個方面：

（1）通過本系統(tǒng)，可以緩解職業(yè)院校對實訓設備投入的不足及實習訓練場地的限制，同時也可以代替實物訓練，大大縮短了學生訓練的時間，提高教學效率，也大量地節(jié)約了原材料的消耗。（2）通過本系統(tǒng)在學生訓練中的應用，可以極大地提高學生對汽車發(fā)動機結構和裝配關系的了解，還可以避免產生在實物訓練過程中的機械損耗。也可以提高學生的學習積極性，也有利于教師對學生的集中現(xiàn)場指導和因材施教個性化指導；學生在運用本系統(tǒng)進行裝配過程中，如對零件的結構有創(chuàng)造性的意見，可以即時對零件進行設計更改，達到零件優(yōu)化設計的目的，從而提高學生的創(chuàng)新能力。（3）可以在本系統(tǒng)的基礎上增加故障排除與檢測功能，通過故障再現(xiàn)和模擬處理，可以大大提高學生的實戰(zhàn)經驗；可以在本系統(tǒng)基礎上增加教學考核功能，通過軟件中的考核程序讓學生實行模擬拆裝、故障排除等考核，既準確、快速又能做到及時反饋，提高了教學效果。

2 汽車發(fā)動機零件三維模型創(chuàng)建步驟

2.1 零件整理

先對某一型號發(fā)動機有一個整體的了解和規(guī)劃，理清它的組成。然后按部件分類，測繪出每一個零件的二維工程圖。在此過程中要對零件用阿拉伯數(shù)字或者英文名稱命名，以便于零件庫創(chuàng)建時使用。同時要認真分析每個零件的設計意圖，每一步均要形成文字并記錄下來（如表1-1所示）。

2.2 零件分析

逐一對汽車發(fā)動機的主要零件的功能及特點進行分析和了解，條件允許或必要時對某些零件進行應力應變分析，以達到零件優(yōu)化設計的目的。再對某一組件內的零件分為標準件和非標準件兩大類，以便于模擬裝配式隨時從零件庫中調用零件。

2.3 創(chuàng)建模型

使用CATIA V5軟件逐個創(chuàng)建零件模型，并以表1-1所示命名零件文件。創(chuàng)建模型時，可以針對不同的零件特征，采用不同的建模方式。

1）根據(jù)零件特征進行建模。通過實物測繪，分析零件的實體特征，在CATIA的草圖工作臺上畫出草圖圖形，利用基于草圖的特征工具進行增料、除料等工具進行操作完成零件的主體特征，然后進行修飾特征添加材料等操作。像活塞、缸體、曲軸、凸輪軸等都可以采用此種方式進行建模。

2）利用參數(shù)化進行零件建模。對于有相似特征，尺寸不同的零件，可以采取參數(shù)化建模，這樣的話可以避免減少勞動量。像發(fā)動機端蓋、螺釘、螺栓、活塞、齒輪等零件，因為他們的拓撲結構變化不大，所以在設計過程中，都可以采用參數(shù)化設計。

3）利用關系式建模。通過使用關系式，可以控制零件模型中尺寸之間存在的依賴關系或裝配過程中各部件之間的鏈接關系等，從而可以方便地設計出一系列不同的產品。當完成零件或裝配關系式的編輯后，對零件設計來說，若改變其中某一個尺寸，則與該尺寸存在關系式的其他尺寸將作相應的變化；對裝配件來說，若改變其中的零件，則與其對應的零件將發(fā)生相應的變化，同時裝配體自動更新。關系式可以用來提供某一尺寸值，或者是當加工的條件違反了關系的限制時，系統(tǒng)將出現(xiàn)警示。像正時齒輪之間的設計，就可以采用關系式。

4 建立發(fā)動機零件庫和模塊化設計

構成發(fā)動機的零件眾多，在裝配過程中如何找到需要的零件是一件非常棘手而且麻煩的事情，如果不對其進行科學系統(tǒng)的管理，勢必在裝配過程中費時費力，效率低下。

在汽車發(fā)動機的建模過程中發(fā)現(xiàn)，大部分的零件外形極為相似，如齒輪、螺釘?shù)葮藴柿慵?，可以直接調用的約有50%左右，還有25%左右的零件不需重新設計與建模，只需在以前設計的零件基礎上通過小小的修改或者經過尺寸參數(shù)化驅動即可使用，但是每次設計時，由于零件數(shù)量較多可能忘記了存放位置，這樣不便于提高設計效率。

由上可知，必須建立一個能夠對零件進行科學化、系統(tǒng)化的管理系統(tǒng)，采用汽車發(fā)動機零件庫，可以專門來管理這些文檔和零件，在調用時非常方便，大大提高了工作效率。

5 發(fā)動機的虛擬裝配

虛擬裝配零部件的具體步驟：在CATIA所提供的裝配工作臺上，導入需裝配的零部件（CATIA提供的插入部件的方法主要有插入部件、插入產品、插入新部件也插入已存在的部件等）。然后，對零部件進行適當?shù)募s束并建立裝配關系，根據(jù)不同零件的裝配要求，選用不同的約束關系。最后得到完整的裝配模型。

裝配完成后，通過CATIA V5提供的干涉檢驗和截面分析工具對裝配情況進行檢驗，對裝配時出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象進行調整。另外還可以由軟件自動生成裝配分解圖，檢查各組件的鏈接關系及裝配關系是否正確，觀察整機在裝配過程中有無遺漏和不合理現(xiàn)象，對存在問題的可及時作出相應的調整。

6 發(fā)動機的虛擬仿真

在裝配的基礎上，可以切換至DMU仿真運動平臺，建立相關的運動機構，設置固定件，相對運動副，添加驅動命令，當系統(tǒng)提示可以模擬運動時，即可實現(xiàn)運動仿真。通過仿真，可以再對完成的部件之間進行干涉分析，調整零件模型。

在設計完成后，可以把相關文件保存為FLSH文件，方便教師在授課的過程中給學生動畫演示，同時也可以再結合編程軟件，設計出一套可以讓學生點擊裝配拆卸的教學軟件，從而提高教學效果，節(jié)省學校資源開支。

參考文獻：

[1]謝龍漢.CATIA V5機械設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]楊文.仿真技術在汽車維修教學中的應用[J].汽車維修，2010.1.21-23.

[3]時培成等.虛擬仿真技術在車輛工程實驗教學中的應用[J].科技信息，2009

[作者簡介]

魏冬至（1978-），男，河南鞏義人，武漢理工大學碩士，講師，主要研究方向：汽車電子及電氣方向。張梅紅（1978-），女，山東東明人，武漢理工大學碩士，講師，主要研究方向：汽車新技術。