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(kù)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(duì)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(dòng)畫(huà)制作。通過(guò)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(hào)：G6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)去10年中國(guó)汽車產(chǎn)量高速增長(zhǎng)，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(chǎng)。2016年，中國(guó)車市再創(chuàng)佳績(jī)，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(wàn)輛和2 082.82萬(wàn)輛。在汽車工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，社會(huì)對(duì)汽車及相關(guān)專業(yè)人才的需求也迅速增長(zhǎng)，這使得近年來(lái)越來(lái)越多的高等院校開(kāi)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(guò)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(dòng)手能力[1]。然而，汽車是一臺(tái)由上萬(wàn)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(dòng)、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(dòng)原理，使得理論教學(xué)講解過(guò)程中耗時(shí)耗力，效率低；對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難于理解、不易接受，聽(tīng)起來(lái)枯燥、乏味、毫無(wú)興趣。

為滿足新形勢(shì)下對(duì)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(kù)，實(shí)現(xiàn)化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)、化抽象為具體、化復(fù)雜多變?yōu)橹庇^明了、化不可見(jiàn)為可見(jiàn)[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(huì)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(lái)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(kù)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(guò)程，學(xué)生通過(guò)觀看動(dòng)畫(huà)演示，了解真實(shí)的裝拆過(guò)程；還可以通過(guò)鼠標(biāo)操作仿真零部件進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)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(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)。因此，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是對(duì)汽車構(gòu)造課程教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)，提高教學(xué)效果的一種重要手段。

此資源庫(kù)建設(shè)針對(duì)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(kù)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(cè)量出尺寸進(jìn)行建模。該資源庫(kù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)、底盤總成的三維模型是資源庫(kù)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(guò)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(huì)延長(zhǎng)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(jiàn)圖1、圖2。

同時(shí)有一些簡(jiǎn)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(méi)有圓滑的過(guò)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(duì)邊緣進(jìn)行處理加工。但這樣處理的結(jié)果會(huì)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(jiàn)圖3）。

圖3所表現(xiàn)的是對(duì)多邊形模型的局部表面進(jìn)行光滑處理，即只對(duì)需要處理的表面進(jìn)行平滑處理。在圖3中的模型對(duì)中間的圓形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平滑處理，對(duì)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(jué)效果的同時(shí)提高了模型精度，且不會(huì)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(tái)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(yè)上建立互動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)渲染等特性；同時(shí)瀏覽者還可通過(guò)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(dòng)態(tài)交互展示，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的ASP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)做單個(gè)模型的展示，如果要制作一個(gè)大的三維仿真場(chǎng)景，面對(duì)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(dòng)的世界和操作的對(duì)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(duì)模型的放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作。

C3D Designer提供的交互操作很多。在動(dòng)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(dòng)作，見(jiàn)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(guò)拖曳鼠標(biāo)可以對(duì)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(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)的所有零部件按順序組裝起來(lái)成為一個(gè)整體，也可以對(duì)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(dòng)，便于全方位的觀察。這里主要將Cult3D的“世界啟動(dòng)”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(dòng)鼠標(biāo)時(shí)可以旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)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(dòng)物體。施加行為后拖動(dòng)鼠標(biāo)的結(jié)果見(jiàn)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(dòng)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(duì)象、隱藏對(duì)象，以及節(jié)點(diǎn)層級(jí)動(dòng)畫(huà)事件對(duì)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(dòng)形式、工作過(guò)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(lái)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(kù)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(dòng)態(tài)原理圖，如發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)原理圖（見(jiàn)圖6）、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓原理圖（見(jiàn)圖7）所示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)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(huì)需要的應(yīng)用型人才，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)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(dòng)畫(huà)、視頻、三維交互顯示等素材的教學(xué)資源庫(kù)，將汽車構(gòu)造課程和教學(xué)資源庫(kù)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(guó)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(dòng)變速器虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)與信息化教育，2014（5）：75-78.