基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的汽車構(gòu)造課程教學(xué)資源庫建設(shè)

業(yè)紅玲++王鵬飛

摘 要：結(jié)合汽車構(gòu)造課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀，該文闡述了基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的教學(xué)資源庫建設(shè)。運(yùn)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(shí)現(xiàn)零部件三維交互顯示，F(xiàn)lash軟件工作原理動畫制作。通過建設(shè)的教學(xué)資源與汽車構(gòu)造課程融合，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車構(gòu)造 仿真 教學(xué)資源

中圖分類號：G6 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)量高速增長，以超出幾乎所有人預(yù)期步伐躍升為全球第一大汽車市場。2016年，中國車市再創(chuàng)佳績，汽車產(chǎn)銷量分別實(shí)現(xiàn)了14.46%和13.65%的同比增幅，達(dá)到了2 811.88萬輛和2 082.82萬輛。在汽車工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，社會對汽車及相關(guān)專業(yè)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(shè)一些汽車工程類專業(yè)，如車輛工程、汽車運(yùn)用工程、汽車服務(wù)工程等。

汽車構(gòu)造是汽車工程類專業(yè)必修的一門系統(tǒng)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課，是銜接基礎(chǔ)課和專業(yè)課的紐帶，在整個(gè)汽車工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程體系中占有舉足輕重的地位。通過汽車構(gòu)造課程的學(xué)習(xí)，了解和掌握汽車總體及其各總成部件的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理，并培養(yǎng)一定汽車拆裝的實(shí)際動手能力[1]。然而，汽車是一臺由上萬個(gè)設(shè)計(jì)原理精巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件組成的機(jī)器，且種類繁多。傳統(tǒng)的教學(xué)由于教學(xué)資源缺乏，主要是基于課本，運(yùn)用插圖、多媒體課件和實(shí)物零件等教學(xué)手段，很難方便、生動、交互、直觀、具體在課堂教學(xué)上體現(xiàn)汽車部件的構(gòu)造、外形、裝配和運(yùn)動原理，使得理論教學(xué)講解過程中耗時(shí)耗力，效率低；對學(xué)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(shù)人員培養(yǎng)的需求，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法和觀念，結(jié)合汽車新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新材料，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立適用于應(yīng)用型本科高校的汽車構(gòu)造課程教學(xué)資源庫，實(shí)現(xiàn)化靜態(tài)為動態(tài)、化抽象為具體、化復(fù)雜多變?yōu)橹庇^明了、化不可見為可見[2]的立體化、精品化教學(xué)，幫助學(xué)生克服空間想象的障礙，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專業(yè)的學(xué)習(xí)打下良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出社會所需要的理論和實(shí)踐層面均出色的高技能、應(yīng)用型人才。

近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)飛速發(fā)展，這為汽車構(gòu)造課程資源庫建設(shè)提供了有力的工具和幫助。利用仿真技術(shù)可以方便地進(jìn)行汽車各總成三維模型建立，再現(xiàn)性好；可以實(shí)現(xiàn)汽車重要總成的裝配、拆解過程，學(xué)生通過觀看動畫演示，了解真實(shí)的裝拆過程；還可以通過鼠標(biāo)操作仿真零部件進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動等零部件的三維交互顯示。同時(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也具有不受時(shí)間、氣候、場地限制等優(yōu)點(diǎn)。因此，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是對汽車構(gòu)造課程教學(xué)資源庫建設(shè)，提高教學(xué)效果的一種重要手段。

此資源庫建設(shè)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(gòu)建帕薩特轎車零部件和總成模型，實(shí)現(xiàn)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(biāo)卡尺測量出尺寸進(jìn)行建模。該資源庫建立了1.8T帕薩特轎車約幾千個(gè)零部件的三維模型。發(fā)動機(jī)是汽車的“心臟”，包括兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)，底盤是汽車的“骨架”，由四個(gè)系統(tǒng)組成，在汽車構(gòu)造課程教學(xué)中學(xué)時(shí)占比偏大，理解較為困難，為了更好的使學(xué)生掌握、了解發(fā)動機(jī)、底盤的結(jié)構(gòu)、工作原理及在整個(gè)汽車的作用，發(fā)動機(jī)、底盤總成的三維模型是資源庫建設(shè)的重點(diǎn)，尤其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的缸體、缸蓋、變速器等殼體類零部件。每個(gè)模型建成后，都需導(dǎo)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(dǎo)出時(shí)為了防止模型失真，需要修改模型的導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式和偏差控制。其數(shù)據(jù)格式應(yīng)選擇二進(jìn)制和允許負(fù)值兩個(gè)選項(xiàng)，偏差控制中的弦高度和角度控制中的數(shù)據(jù)適中，太大出現(xiàn)模型的失真，太小導(dǎo)致模型導(dǎo)出到3ds Max中面片太多，數(shù)據(jù)量過大，在進(jìn)行模型處理時(shí)計(jì)算機(jī)計(jì)算量較大，并且會延長最終輸出的方針模型的載入時(shí)間。

Pro/E中以STL導(dǎo)出的三維模型需要載入到3ds MAX進(jìn)行修改、裝配、組合、切割、貼圖，其中渲染是3ds MAX一個(gè)非常強(qiáng)大的功能，可以將汽車各總成及零部件模型進(jìn)行著色渲染，逼近實(shí)物，尤其是一些結(jié)構(gòu)、原理復(fù)雜的零部件，在教學(xué)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(shí)有一些簡單的汽車零部件模型可直接在3ds MAX中進(jìn)行建模。邊形建模是3ds MAX的又一大亮點(diǎn)，但其模型的基本元素是點(diǎn)、線、面，沒有圓滑的過渡。為了達(dá)到汽車物體邊緣的圓滑效果，通常采用網(wǎng)格光滑、渦輪光滑等技術(shù)對邊緣進(jìn)行處理加工。但這樣處理的結(jié)果會大大增加模型的面數(shù)，使得系統(tǒng)后期工作的負(fù)擔(dān)加重，因此，建模階段的模型需要優(yōu)化（見圖3）。

圖3所表現(xiàn)的是對多邊形模型的局部表面進(jìn)行光滑處理，即只對需要處理的表面進(jìn)行平滑處理。在圖3中的模型對中間的圓形結(jié)構(gòu)進(jìn)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(diǎn)只有780個(gè)。因此，應(yīng)用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，在保證視覺效果的同時(shí)提高了模型精度，且不會產(chǎn)生較多的面數(shù)。

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(dǎo)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(jī)交互的軟件之一，是基于跨平臺的3D引擎，可以把高質(zhì)量圖像、實(shí)時(shí)交互的物體用于在網(wǎng)頁上建立互動的三維模型[3]。運(yùn)用Cult3D技術(shù)和三維模型嵌入控件技術(shù)進(jìn)行汽車零部件三維虛擬動態(tài)展示，不僅能夠展示出外形，還包括結(jié)構(gòu)布局以及仿真效果，真正實(shí)現(xiàn)了動態(tài)交互、實(shí)時(shí)渲染等特性；同時(shí)瀏覽者還可通過鼠標(biāo)操縱模型，從各個(gè)角度觀察三維交互模型的內(nèi)外結(jié)構(gòu)形狀，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行三維模型動態(tài)交互展示，還可通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的ASP動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車零部件三維模型在線展示。

交互設(shè)計(jì)是Cult3D最重要的功能，使用廣泛。目前絕大多數(shù)的Cult3D技術(shù)都用來做單個(gè)模型的展示，如果要制作一個(gè)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(dǎo)航，設(shè)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(chuàng)造了活動的世界和操作的對象，那么交互設(shè)計(jì)就是給靜止的虛擬世界增加了生氣與靈魂。Cult3D具有強(qiáng)大的交互功能，在Cult3D里可以方便的實(shí)現(xiàn)對模型的放大、縮小、移動、旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)工作中可以使用的交互動作，見圖4。

Cult3D中的操作關(guān)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(biāo)可以對組裝完成的活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，從而可進(jìn)行全方位的觀察。

（2）將鼠標(biāo)置于任一個(gè)零部件模型時(shí)，可以顯示零部件名稱或相應(yīng)注釋。

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

首先，完成第一步的交互操作，即拖曳鼠標(biāo)使活塞連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任意方向的轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)各零部件。Archall行為的主要作用有：在窗口中拖動鼠標(biāo)時(shí)可以旋轉(zhuǎn)、移動或縮放物體，缺省的設(shè)置是左鍵旋轉(zhuǎn)物體，有鍵拉近、推遠(yuǎn)物體，左右鍵同時(shí)按下移動物體。施加行為后拖動鼠標(biāo)的結(jié)果見圖5，可以隨意從不同角度進(jìn)行觀察。

其次設(shè)置第二步的交互操作，即將鼠標(biāo)置于任何一個(gè)零部件上時(shí)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(diǎn)擊Toohips按鈕為每個(gè)零部件創(chuàng)建一個(gè)工具提示，這樣當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個(gè)零部件上時(shí)相應(yīng)的提示就在鼠標(biāo)的位置出現(xiàn)。另外可運(yùn)用Event中的觸發(fā)事件、復(fù)位事件、激活事件和渲染中的顯示對象、隱藏對象，以及節(jié)點(diǎn)層級動畫事件對三維模型總成進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)三維模型總成的模擬拆裝。

最后，渲染作品成為能夠在internet發(fā)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(fā)布的文件。

3 汽車結(jié)構(gòu)工作原理

汽車構(gòu)造課程教學(xué)中，其中一個(gè)非常重要的部分是系統(tǒng)的講解汽車結(jié)構(gòu)的工作原理，分析汽車各大系統(tǒng)及零部件的運(yùn)動形式、工作過程和理論基礎(chǔ)等。通常其工作原理較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是基于課本、課件和口頭闡述來講授，教學(xué)效果差。為了使學(xué)生真正掌握其工作原理，重視或強(qiáng)化課程的重點(diǎn)——汽車結(jié)構(gòu)工作原理，教學(xué)資源庫利用Flash軟件等計(jì)算機(jī)技術(shù)建設(shè)一系列直觀展現(xiàn)給學(xué)生的平面、三維仿真動態(tài)原理圖，如發(fā)動機(jī)工作循環(huán)原理圖（見圖6）、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣增壓原理圖（見圖7）所示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

在當(dāng)今汽車制造技術(shù)日新月異的時(shí)代，為培養(yǎng)出社會需要的應(yīng)用型人才，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法和觀念，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立豐富多彩的三維結(jié)構(gòu)模型圖、動畫、視頻、三維交互顯示等素材的教學(xué)資源庫，將汽車構(gòu)造課程和教學(xué)資源庫很好地融合，構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)課件，幫助學(xué)生理解抽象、復(fù)雜的重難點(diǎn)，使學(xué)生真正掌握汽車結(jié)構(gòu)及其工作原理，提高課程教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳海榮.多媒體技術(shù)在汽車構(gòu)造教學(xué)中的運(yùn)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012（23）：39-41.

[2] 金云龍.多媒體技術(shù)在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011（12）：219-220.

[3] 肖名濤.基于VB的自動變速器虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)[J].工業(yè)與信息化教育，2014（5）：75-78.