基于计算机仿真技术的汽车构造课程教学资源库建设

业红玲++王鹏飞

摘 要：结合汽车构造课程特点、教学现状，该文阐述了基于计算机仿真技术的教学资源库建设。运用Pro/E三维建模软件建立汽车零部件模型，3ds Max软件对模型修改、渲染，Cult3D软件实现零部件三维交互显示，Flash软件工作原理动画制作。通过建设的教学资源与汽车构造课程融合，提高课程教学质量。

关键词：汽车构造 仿真 教学资源

中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：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

过去10年中国汽车产量高速增长，以超出几乎所有人预期步伐跃升为全球第一大汽车市场。2016年，中国车市再创佳绩，汽车产销量分别实现了14.46%和13.65%的同比增幅，达到了2 811.88万辆和2 082.82万辆。在汽车工业飞速发展的同时，社会对汽车及相关专业人才的需求也迅速增长，这使得近年来越来越多的高等院校开设一些汽车工程类专业，如车辆工程、汽车运用工程、汽车服务工程等。

汽车构造是汽车工程类专业必修的一门系统性、实践性较强的专业课，是衔接基础课和专业课的纽带，在整个汽车工程类专业人才培养方案和课程体系中占有举足轻重的地位。通过汽车构造课程的学习，了解和掌握汽车总体及其各总成部件的结构、组成和工作原理，并培养一定汽车拆装的实际动手能力[1]。然而，汽车是一台由上万个设计原理精巧、结构复杂的零部件组成的机器，且种类繁多。传统的教学由于教学资源缺乏，主要是基于课本，运用插图、多媒体课件和实物零件等教学手段，很难方便、生动、交互、直观、具体在课堂教学上体现汽车部件的构造、外形、装配和运动原理，使得理论教学讲解过程中耗时耗力，效率低；对学生来说难于理解、不易接受，听起来枯燥、乏味、毫无兴趣。

为满足新形势下对汽车高等工程技术人员培养的需求，改变传统的教学方法和观念，结合汽车新技术、新结构、新工艺和新材料，利用计算机仿真技术建立适用于应用型本科高校的汽车构造课程教学资源库，实现化静态为动态、化抽象为具体、化复杂多变为直观明了、化不可见为可见[2]的立体化、精品化教学，帮助学生克服空间想象的障碍，大大激发学生的学习兴趣，为后续专业的学习打下良好的理论与实践基础，有效地提高教学质量，培养出社会所需要的理论和实践层面均出色的高技能、应用型人才。

近年来计算机仿真技术飞速发展，这为汽车构造课程资源库建设提供了有力的工具和帮助。利用仿真技术可以方便地进行汽车各总成三维模型建立，再现性好；可以实现汽车重要总成的装配、拆解过程，学生通过观看动画演示，了解真实的装拆过程；还可以通过鼠标操作仿真零部件进行放大、缩小、旋转、移动等零部件的三维交互显示。同时计算机仿真技术也具有不受时间、气候、场地限制等优点。因此，计算机仿真技术是对汽车构造课程教学资源库建设，提高教学效果的一种重要手段。

此资源库建设针对大众1.8T帕萨特轿车，包括汽车零部件的三维模型建立、三维交互显示，汽车重要总成及零部件的工作原理等。

1 汽车零部件三维模型建立

资源库三维仿真模型的建立中，借助三维建模软件Pro/E、3ds Max构建帕萨特轿车零部件和总成模型，实现三维仿真及模型渲染、分解和装配。首先采用三维建模软件Pro/E按照原车零部件利用游标卡尺测量出尺寸进行建模。该资源库建立了1.8T帕萨特轿车约几千个零部件的三维模型。发动机是汽车的“心脏”，包括两大机构、五大系统，底盘是汽车的“骨架”，由四个系统组成，在汽车构造课程教学中学时占比偏大，理解较为困难，為了更好的使学生掌握、了解发动机、底盘的结构、工作原理及在整个汽车的作用，发动机、底盘总成的三维模型是资源库建设的重点，尤其结构极为复杂的缸体、缸盖、变速器等壳体类零部件。每个模型建成后，都需导出格式为STL（STereo Lithography，立体光造型文件）的模型格式文件。

值得注意的是，导出时为了防止模型失真，需要修改模型的导出数据格式和偏差控制。其数据格式应选择二进制和允许负值两个选项，偏差控制中的弦高度和角度控制中的数据适中，太大出现模型的失真，太小导致模型导出到3ds Max中面片太多，数据量过大，在进行模型处理时计算机计算量较大，并且会延长最终输出的方针模型的载入时间。

Pro/E中以STL导出的三维模型需要载入到3ds MAX进行修改、装配、组合、切割、贴图，其中渲染是3ds MAX一个非常强大的功能，可以将汽车各总成及零部件模型进行着色渲染，逼近实物，尤其是一些结构、原理复杂的零部件，在教学中取得良好效果。以下是帕萨特轿车部分零部件的建模图片见图1、图2。

同时有一些简单的汽车零部件模型可直接在3ds MAX中进行建模。边形建模是3ds MAX的又一大亮点，但其模型的基本元素是点、线、面，没有圆滑的过渡。为了达到汽车物体边缘的圆滑效果，通常采用网格光滑、涡轮光滑等技术对边缘进行处理加工。但这样处理的结果会大大增加模型的面数，使得系统后期工作的负担加重，因此，建模阶段的模型需要优化（见图3）。

图3所表现的是对多边形模型的局部表面进行光滑处理，即只对需要处理的表面进行平滑处理。在图3中的模型对中间的圆形结构进行了平滑处理，对不需要平滑的齿部分保持原样，可以看到效果很好，且模型的顶点只有780个。因此，应用适当的优化方法，在保证视觉效果的同时提高了模型精度，且不会产生较多的面数。

3ds MAX模型不能被Cult3D等三维交互处理软件直接使用，为此Cult3D提供了专用的导出工具“Cult3D Exporter”，安装后3DMAX就能将3D模型输出成Cult3D Design的C3D格式。

2 汽车零部件三维交互显示

Cult3D是人机交互的软件之一，是基于跨平台的3D引擎，可以把高质量图像、实时交互的物体用于在网页上建立互动的三维模型[3]。运用Cult3D技术和三维模型嵌入控件技术进行汽车零部件三维虚拟动态展示，不仅能够展示出外形，还包括结构布局以及仿真效果，真正实现了动态交互、实时渲染等特性；同时浏览者还可通过鼠标操纵模型，从各个角度观察三维交互模型的内外结构形状，实现总成模型的三维仿真显示。另外，三维交互仿真模型可载入到Director、PowerPoint等多媒体中进行三维模型动态交互展示，还可通过网络环境下的ASP动态网页技术及网络数据库技术实现汽车零部件三维模型在线展示。

交互设计是Cult3D最重要的功能，使用广泛。目前绝大多数的Cult3D技术都用来做单个模型的展示，如果要制作一个大的三维仿真场景，面对众多的分支选择，就必须制作作品导航，设置必要的交互控制，比如在其中显示操作提示，帮助操作等。如果建模给Cult3D创造了活动的世界和操作的对象，那么交互设计就是给静止的虚拟世界增加了生气与灵魂。Cult3D具有强大的交互功能，在Cult3D里可以方便的实现对模型的放大、缩小、移动、旋转等操作。

C3D Designer提供的交互操作很多。在动作窗口中，提供了一系列在设计工作中可以使用的交互动作，见图4。

Cult3D中的操作关键在于交互行为的添加，以活塞连杆为例子了解Cult3D完成的3种交互操作：

（1）通过拖曳鼠标可以对组装完成的活塞连杆机构进行旋转、放大、缩小，从而可进行全方位的观察。

（2）将鼠标置于任一个零部件模型时，可以显示零部件名称或相应注释。

（3）可对活塞连杆机构的所有零部件按顺序组装起来成为一个整体，也可以对活塞连杆机构按组装顺序进行分解。以便全面理解活塞连杆机构的组成及各零部件的相互位置，真正建立一个完整的、基于空间概念的活塞连杆机构形象。

首先，完成第一步的交互操作，即拖曳鼠标使活塞连杆机构实现任意方向的转动，便于全方位的观察。这里主要将Cult3D的“世界启动”事件和Action行為窗口的Object Motion下的Arcball行为施加于所有的活塞连杆机构各零部件。Archall行为的主要作用有：在窗口中拖动鼠标时可以旋转、移动或缩放物体，缺省的设置是左键旋转物体，有键拉近、推远物体，左右键同时按下移动物体。施加行为后拖动鼠标的结果见图5，可以随意从不同角度进行观察。

其次设置第二步的交互操作，即将鼠标置于任何一个零部件上时显示零部件名称或者注释：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这一步工作。右键点击Toohips按钮为每个零部件创建一个工具提示，这样当鼠标移动到每个零部件上时相应的提示就在鼠标的位置出现。另外可运用Event中的触发事件、复位事件、激活事件和渲染中的显示对象、隐藏对象，以及节点层级动画事件对三维模型总成进行控制，可实现三维模型总成的模拟拆装。

最后，渲染作品成为能够在internet发布的作品，其方法是：在File菜单中选择Save internet File命令，将其保存为（*.CO）格式文件，这种格式的文件是Cult3D最终能在internet、Adobe的Acrobat、PowerPoint、Director里发布的文件。

3 汽车结构工作原理

汽车构造课程教学中，其中一个非常重要的部分是系统的讲解汽车结构的工作原理，分析汽车各大系统及零部件的运动形式、工作过程和理论基础等。通常其工作原理较为复杂，传统的教学方法是基于课本、课件和口头阐述来讲授，教学效果差。为了使学生真正掌握其工作原理，重视或强化课程的重点——汽车结构工作原理，教学资源库利用Flash软件等计算机技术建设一系列直观展现给学生的平面、三维仿真动态原理图，如发动机工作循环原理图（见图6）、发动机进气增压原理图（见图7）所示，激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性。

在当今汽车制造技术日新月异的时代，为培养出社会需要的应用型人才，发挥学生学习的主动性，需要改变传统的教学方法和观念，利用计算机仿真技术建立丰富多彩的三维结构模型图、动画、视频、三维交互显示等素材的教学资源库，将汽车构造课程和教学资源库很好地融合，构建以学生为主体的教学课件，帮助学生理解抽象、复杂的重难点，使学生真正掌握汽车结构及其工作原理，提高课程教学质量，为后续专业课学习打下坚实基础。

参考文献

[1] 吴海荣.多媒体技术在汽车构造教学中的运用[J].中国现代教育装备，2012（23）：39-41.

[2] 金云龙.多媒体技术在汽车专业教学中的应用分析[J].现代商贸工业，2011（12）：219-220.

[3] 肖名涛.基于VB的自动变速器虚拟实验平台设计[J].工业与信息化教育，2014（5）：75-78.