車用發動機虛擬仿真實訓平臺架構的設計與研究

王放 蘇娜 孫艷妮 文玉芳

基金項目：西安汽車職業大學2021年度科學研究基金項目“發動機虛擬仿真平臺開發及應用”（2021KJ001）；2020年度陜西省教育廳專項科學研究計劃項目“基于風向標大眾帕薩特發動機故障診斷試驗臺架教學顯示功能擴展的研究”（20JK0827）

摘要：以“虛擬仿真實訓平臺”為課題，對虛擬實驗軟件平臺的構建以及運用VR虛擬仿真技術開發軟件平臺步驟的詳細介紹。將虛擬仿真軟件的搭建內容、步驟和所依托的軟件作為研究對象，具體分析了虛擬仿真平臺的技術特點和實現過程，以期根據用戶需求設計出適合的技術路徑和實現方案，為高校自主研發虛擬仿真實驗平臺提供參考，并將此類虛擬仿真實訓軟件應用在各種實訓臺架上，解決臺架技術落后問題，如在風向標帕薩特臺架搭載并運用此虛擬仿真開發技術拓展臺架功能。

關鍵詞：虛擬現實；發動機；虛擬仿真實訓平臺；模擬；Unity 3D；3DMax

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401014

1 虛擬實訓軟件平臺的研究意義

虛擬實訓（實驗）仿真技術是一種可以創設和體驗虛擬情境的計算機系統，是利用虛擬仿真技術[1]，在電腦上建立起一種能夠全部或部分取代真實情境中實訓（實驗）操作的仿真環境，從而能夠進行各種實驗、實訓操作，了解實驗原理、實驗步驟，或是練習操作技巧?？梢酝ㄟ^開發和設計一款具備現代主流技術發動機的虛擬仿真實訓平臺，包括發動機的選擇、發動機建模、模型修復、虛擬環境的建立、模型交互，以及功能的實現。該平臺可為培養學生的專業核心技能提供幫助，以及為實訓教學提供新思路。

2 發動機虛擬仿真實訓軟件的設計

2.1 互聯網平臺搭建

發動機模擬訓練系統的搭建，在多媒體教室中有兩種情況：如果使用本地局域網絡，只需要一臺電腦就可以充當網絡服務器；使用外網，所選發動機引擎的訓練可以讓學員隨時隨地進行訓練。平臺的架構是實現虛擬仿真實訓的關鍵。在設計時，采取分布式架構，將虛擬仿真軟件和數據存儲分離，實現軟件的遠程訪問功能。采用云計算技術，將多個獨立的實例結合在一起，形成強大的計算力，縮短開發周期，提高開發效率。

數據管理是平臺開發過程中的重點。在實現虛擬仿真的過程中，需要對發動機零部件的數據信息進行管理，例如發動機的性能參數、設計圖紙、三維模型和測試數據等，建立高效的數據管理系統，將這些數據集中存儲，并提供與用戶交互的接口。

虛擬仿真實訓平臺的搭建需要考慮架構設計、數據管理、交互體驗和安全性等因素，并采取相應的策略來實現平臺的高效性和安全性。

2.2 零部件三維建模與模型渲染

2.2.1 零部件三維建模

使用三維掃描工具對發動機零部件進行掃描的過程如圖1所示。軟件開發主要通過三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來構建實訓工具、發動機總成及虛擬實訓場景模型；物體運動由iTween插件控制；三維場景及發動機總成由Unity3D引擎完成交互和渲染。為了制作發動機實訓部件、操作工具以及實訓室場景的模型，建立發動機型資源庫，并采用編輯多邊形的建模方式。利用法線貼圖技術將高精度的模型烘焙到優化后的低模上，可呈現逼真的效果，同時降低面數和資源消耗。為保證發動機建模精準度，采用三維掃描儀對發動機零部件進行數據采集，并通過三維建模軟件構建發動機模型資源庫[2]。

缸體是整個發動機的主體結構，它需要三維建模并考慮其內部氣缸布局和冷卻水路系統。曲軸是發動機的重要組成部分，需要根據其轉動角度進行細致的三維建模，以便在軟件中模擬各個工作階段的轉動角度和速度。發動機的連接件連桿等，在建模時需要考慮其長度、直徑和支撐點的位置等因素?；钊诮r需要細致地分析其受力情況和摩擦等因素，以便在虛擬仿真軟件中模擬并分析各個工作狀態下的運動狀態。氣門在建模時需要考慮其在吸氣、排氣過程中的運動狀態，氣門的開度和關閉對發動機的工作狀態有著重要的影響，因此需要在虛擬仿真軟件中模擬和分析各個工作狀態下氣門的運動狀態和效果。

2.2.2 模型的交互和渲染

發動機虛擬仿真實訓平臺是一種基于計算機技術的實訓教學工具。其中，模型的交互和渲染是其兩個核心環節。模型的交互包括用戶與模型的交互和模型與模型的交互兩個方面。

在模型的渲染方面，主要涉及圖形學中的三個核心技術：建模、渲染和動畫。建模技術主要負責將實際物體的幾何形狀、物理特性、材質屬性等信息轉化為計算機可以理解的形式，并生成相應的幾何模型。幾何模型通常采用多邊形網格模型表示，其大小和精度會直接影響渲染和動畫的效果。渲染技術則負責將幾何模型轉化為圖像，包括光照、紋理、透視、陰影等視覺效果。動畫技術則負責實現模型的動態變化，通常采用關鍵幀技術和插值算法[3]。

發動機虛擬仿真實訓平臺的設計可以提高實踐操作能力，有助于學生的職業發展和就業競爭力的提升。同時，該平臺運用計算機圖形學、計算機輔助工程、高性能計算等領域的前沿技術和理論，具有行業內和學術界雙重影響力和推廣價值。

2.3 發動機拆裝腳本的撰寫

a.針對不同的使用場景和操作習慣優化腳本的設計，提供更人性化的腳本操作界面和更完善的腳本功能。例如，在拆裝過程中，用戶需要通過操作螺栓、螺母等零件來拆卸和安裝發動機，為滿足操作的復雜性和正確性，腳本需要實現模擬零件的動態變化、力學特性和碰撞檢測等。

b.發動機拆裝腳本的核心是算法的設計和優化。在實際拆裝過程中，發動機零件的復雜性和數量是非常大的，需要通過算法來實現對零件的快速定位、動態變形和碰撞檢測等操作。此外，為提高算法的效率和性能，需要進行算法優化。例如采用基于神經網絡的機器學習算法進行優化，減少計算量和提高計算速度。

c.發動機拆裝腳本的撰寫還需要考慮軟件的可擴展性和靈活性。隨著發動機技術的不斷發展，軟件需要不斷更新和優化，因此需要提供易于擴展的接口和架構設計。同時，為了便于用戶根據實際需求進行個性化設置和拓展功能，還需要提供相應的可配置性和可定制性。

發動機拆裝腳本的撰寫是發動機虛擬仿真軟件中的重要環節，需要根據用戶需求優化腳本設計，進行算法設計和優化，同時考慮軟件的可擴展性和靈活性。

2.4 虛擬環境的編輯、角色設置與功能展示

2.4.1 虛擬環境的編輯

車用發動機虛擬仿真實訓平臺的設計中，虛擬環境的編輯是不可或缺的一個環節。該環節中，通過對虛擬環境的建模和設計，實現對發動機模擬和仿真操作。虛擬環境的編輯需要注意以下幾個方面：

a.仿真的實時性和精度。在建模的過程中，對發動機各參數進行精細化調整和補充，確保仿真結果的準確性和實時性。同時考慮虛擬環境所需要的運算，進行合理的分配和優化，提高仿真的效率和精度[3]。

b.用戶的使用體驗和交互性。通過界面設計和交互操作，使用戶能夠輕松地進行模擬和實驗操作，加強用戶的參與感和情感認知，避免因操作麻煩或界面設計問題而導致用戶放棄使用。

c.系統的可擴展性和靈活性。以模塊化的方式來構建虛擬環境，以便在需要增加新功能或改進系統性能時，能夠快速地進行擴展和改進，從而實現系統的適應性和靈活性。

d.系統的安全性和穩定性?？紤]到系統在運行過程中的數據安全和權限管理問題，以及在系統崩潰或出現異常情況時的自動備份和恢復機制。這樣能夠確保系統的穩定性和安全性。

此款發動機虛擬仿真軟件設計中搭載的環境主要為兩個：在拆裝車間進行結構的認知；在虛擬車間進行拆裝和測量的模擬操作，圖2為氣缸蓋拆卸演示。

2.4.2 仿真實訓平臺中角色設置

通過對仿真的組裝進行多次的模擬，采用各種方式進行拆卸，整個仿真實訓過程成為一個研究性的學習過程。將仿真實訓進行網絡化，在仿真空間中進行實訓。

2.4.3 虛擬仿真軟件的功能展示

在車用發動機虛擬仿真實訓平臺中，虛擬仿真軟件可模擬發動機的工作過程，還可了解發動機的總體構造、工作原理、模擬裝配、裝配時所用工具的認知、資料查詢、在線考核以及檢查測量等功能，如圖3所示。

軟件操作功能的設定：在模擬裝配中有演示、報錯功能、計時功能、計算分數功能等。在結構認知中具備發動機爆炸、結構系統分類認知展示和部件隱藏功能、搜索功能、名稱顯示功能、部件旋轉、縮放功能等，如圖4所示。

3 實訓臺架仿真軟件功能的升級

隨著汽車技術的更新，很多試驗臺架最初設計時不具備升級和技術同步更新的功能，久而久之面臨著閑置或者瀕臨報廢，也是職業院校的一個窘境。老舊臺架成為閑置和瀕臨報廢品，造成了場地的嚴重浪費。自主開發的發動機虛擬仿真軟件搭載在相關試驗臺架中，完成試驗臺架的升級和功能完善，使之具備先進性與技術性，不僅可以解決老舊設備的問題，也給其注入新的活力和使用價值［4］。

4 結語

車用發動機虛擬仿真軟件在教學中的應用已經得到了廣泛的關注和應用。它具有以下優勢：

a.軟件開發主要通過三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來構建實訓工具、發動機總成及虛擬實訓場景模型；物體運動由iTween插件控制；三維場景及發動機總成則由Unity3D引擎完成交互和渲染。

b.發動機虛擬仿真軟件車用發動機虛擬仿真實訓平臺的設計中，虛擬環境的編輯是不可或缺的一個環節。

c.發動機虛擬仿真軟件可以提供更多、更靈活的實訓機會，通過虛擬仿真軟件，可以進行更多、更復雜的實驗實訓，亦可隨時隨地進行操作，通過反復訓練，增加學生對發動機的實際操作經驗。

參考文獻：

[1]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷，等國內外虛擬仿真教學的發展現狀[J]教育教學論壇，2020（17）：124-126.

[2趙敬杰凈煙器結構與造型設計研究[D]長春：長春工業大學，2021.

[3]楊遠滿虛擬現實技術應用于發動機拆裝實訓的探索與實踐——以北京汽車技師學院為例[J]汽車維護與修理，2019（14）：18-20.

[4]高林虛擬現實技術在虛擬仿真實訓中的應用[J]科技資訊，2022（4）：177-180.

作者簡介：

王放，男，1970年生，副教授，研究方向為汽車改裝技術、虛擬仿真技術和職業教育。