1 虛擬實(shí)驗(yàn)

　　虛擬實(shí)驗(yàn)是指利用開放的互聯(lián)網(wǎng)或者廣泛的局域網(wǎng)開展各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動(dòng)，將計(jì)算機(jī)上各種虛擬儀器按實(shí)驗(yàn)要求和過程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括原材料的添加、實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)的采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析等。

　　本研究所述的“虛擬實(shí)驗(yàn)”是指利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺，把一系列軟件和硬件有機(jī)地結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)。這種虛擬實(shí)驗(yàn)是建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，對實(shí)驗(yàn)所使用的元器件、儀器設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過鼠標(biāo)和鍵盤的操作，完成整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過程的。

　　虛擬實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)代教育思想為依據(jù)，以現(xiàn)代教育技術(shù)手段為支撐，以計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真為核心，在教學(xué)實(shí)踐中表現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：自主性、開放性和高效性。

　　在國內(nèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)得到了應(yīng)有的重視。目前，已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。例如：清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng);華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實(shí)驗(yàn)室將虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠(yuǎn)程教育使用;四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng);復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校，也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。

　　在國外，目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室在發(fā)達(dá)國家已十分普及。美國作為當(dāng)今的科技強(qiáng)國，為繼續(xù)保持其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，尤其重視信息技術(shù)的研究，并已將虛擬實(shí)驗(yàn)室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。在1991年底，美國科學(xué)基金會(huì)、美國國家科學(xué)研究顧問委員會(huì)所屬的計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程通信部組成了一個(gè)“全國(科學(xué))合作實(shí)驗(yàn)室委員會(huì)”，其任務(wù)是調(diào)查科學(xué)家對信息技術(shù)的需求，協(xié)調(diào)科研合作關(guān)系，組織并實(shí)施具體的信息技術(shù)開發(fā)。此后，美國聯(lián)邦政府投入資金在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)域建造了各自的虛擬實(shí)驗(yàn)室作為示范工程，開展了一系列探索性研究并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。美國一些政府部門，如能源部，正在制定計(jì)劃將其所屬的科研機(jī)構(gòu)過渡到虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

　　2 相關(guān)軟件技術(shù)

　　Basic語言是20世紀(jì)60年代由JohnG.Kemeny和ThomasK untz發(fā)明的。它是一種非結(jié)構(gòu)化語言，易于理解，易于學(xué)習(xí)。Visual Basic是一種可視化的，面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計(jì)語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。在Visual Basic環(huán)境下，可以高效、快速地開發(fā)出Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

　　Unigraphics軟件(UG)起源于美國麥道飛機(jī)公司，二十世紀(jì)六十年代起成為商業(yè)化軟件，被眾多美國公司采用。如今，UG軟件已經(jīng)成為世界上一流的集成化CAD/CAE/CAM軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、通用機(jī)械、模具和家用電器等領(lǐng)域。許多著名公司均選用UG作為企業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造的標(biāo)準(zhǔn)。如美國通用汽車公司、波音飛機(jī)公司、貝爾直升機(jī)公司、英國宇航公司、惠普發(fā)動(dòng)機(jī)公司等均以UG作為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的軟件平臺。美國通用汽車公司是UG軟件的最大用戶。自1990年進(jìn)入中國市場以來，UG軟件在我國得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為我國工業(yè)主要使用的大型CAD/CAE/CAM軟件之一。

　　3 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及功能

　　發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中能輸出動(dòng)力，除了直接將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的燃燒室和曲柄連桿機(jī)構(gòu)外，還必須具有一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)予以保證，并且這些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)是互相緊密聯(lián)結(jié)和協(xié)調(diào)工作的。不同類型和用途的發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的形式不同，但其功用是完全一致的，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)包括機(jī)體和汽缸蓋、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、供給系、配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火系、冷卻系、潤滑系和啟動(dòng)裝置等。

　　4 發(fā)動(dòng)機(jī)各零/部件的建模

　　UG軟件模塊將基于約束的特征建模和顯示幾何建模方法緊密地結(jié)合成一體，使用戶可充分運(yùn)用集成于特征環(huán)境中的傳統(tǒng)的實(shí)體、表面和線框造型的優(yōu)勢，方便地建立二維和三維線框造型、掃描和旋轉(zhuǎn)實(shí)體、進(jìn)行布爾運(yùn)算及參數(shù)化編輯。它還提供用于快速、有效的概念設(shè)計(jì)的變量草圖工具和用于一般建模和編輯任務(wù)的工具。

　　對于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其組成部件就是各個(gè)零/部件，它把燃?xì)庾饔迷诨钊系牧D(zhuǎn)化為曲柄的扭矩，以向工作機(jī)械輸出機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功用，而發(fā)動(dòng)機(jī)零/部件建模的關(guān)鍵也在于曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)體模型的建立。采用UG建立發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零/部件的模型如圖1所示。

　　5 發(fā)動(dòng)機(jī)各零/部件的虛擬裝配

　　裝配模塊UG/Assembly是UG集成環(huán)境中的一個(gè)模塊，用于實(shí)現(xiàn)將零件(或部件)的模型裝配成一個(gè)最終的產(chǎn)品模型，或者從裝配開始產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。與產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程不同，UG的裝配模塊是一種虛擬裝配。將一個(gè)零件(或部件)模型引入到一個(gè)裝配模型時(shí)，并不是將該零件(或部件)模型的所有數(shù)據(jù)“復(fù)制”或“移動(dòng)”過來，而只是建立裝配模型與被引用零件(或部件)模型文件之問的引用(或鏈接)關(guān)系，即有一個(gè)指針從模型指向被引用的每一個(gè)零件(或部件)。一旦被引用的零件(或部件)模型被修改，其裝配模型也會(huì)隨之更新。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)各影部件模型建立后，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)影部件模型進(jìn)行虛擬裝配，包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體組和配氣機(jī)構(gòu)等，使各個(gè)零/部件不再是一個(gè)個(gè)的小的零件，而是要建立起發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的整體模型，使其成為一個(gè)整體，為所要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)仿真搭好平臺。

　　最終形成的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿配氣機(jī)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)裝配圖如圖2、圖3所示。

　　6 發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

　　雖然建立了發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)的裝配模型，但是卻不能將發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)清晰地表現(xiàn)出來，這就需要建立發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，使各機(jī)構(gòu)工作原理和過程清晰地表現(xiàn)出來。

　　運(yùn)動(dòng)分析方案的建立是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵。在UG中，運(yùn)動(dòng)分析方案的創(chuàng)建在Motion模塊中進(jìn)行，分三個(gè)步驟進(jìn)行：創(chuàng)建連桿;創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)付;定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方案已經(jīng)設(shè)置好，如圖4所示，這時(shí)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，再選擇復(fù)選框J1單擊向前步進(jìn)按鈕，即可看到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。

　　7 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的用戶化

　　建立了發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零/部件實(shí)體模型，并進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)分析，只是完成了發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)的一部分，所要做的工作最終是為了方便利用、方便教學(xué)，不可能每次觀看發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和分析工作原理的時(shí)候都要進(jìn)人到UG工作界面中，所以對前面所做工作進(jìn)行整理和編輯是不可缺少的工作，這里主要采用VB進(jìn)行適當(dāng)編程，從而真正實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的用戶化，具體過程如下。

　　1)將UG界面下所產(chǎn)生的*.part文件以*.wrl格式進(jìn)行導(dǎo)出。

　　2)下載VRML瀏覽器插件BS_Contact_Stereo_62.exe.。

　　3)采用VB進(jìn)行適當(dāng)編程，創(chuàng)建控件，實(shí)現(xiàn)用戶化。

　　在用戶化界面中，使用者只需在確定安裝目錄與程序一致的前提下，打開Forml文件，便會(huì)呈現(xiàn)圖5所示的界面，這時(shí)用戶只需點(diǎn)擊界面中任何一個(gè)按鈕，便可以從上面的窗口中看到所要查看的對象，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)各零/部件及其裝配圖，也可以清晰地看到曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)工作原理。

　　8 結(jié)語

　　該系統(tǒng)在UG平臺上建立了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專用CAD系統(tǒng)，本課題首先應(yīng)用UG軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體零/部件進(jìn)行建模;在保證裝配關(guān)系正確的情況下，對UG建立起來的實(shí)體裝配模型通過調(diào)入U(xiǎn)G運(yùn)動(dòng)分析模塊，對發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從而將各機(jī)構(gòu)的工作原理清楚地表現(xiàn)出來。

　　將UG工作界面下的*.part文件格式改變?yōu)?.wrl文件格式，然后下載瀏覽器，再采用VB語言編程對瀏覽器進(jìn)行控件的編輯從而實(shí)現(xiàn)用戶化。因此，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的基本目的，可用于課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，是一種切實(shí)可行的方法。

　　由于系統(tǒng)是建立在UG平臺上的，實(shí)質(zhì)上將通用CAD系統(tǒng)與VB語言系統(tǒng)共同處于統(tǒng)一結(jié)構(gòu)下，相互協(xié)調(diào)工作，從而使建立起來的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)效率和水平的提高，并為其他虛擬實(shí)驗(yàn)研究提供切實(shí)可行的經(jīng)驗(yàn)與方法。