1 虛擬實驗

　　虛擬實驗是指利用開放的互聯網或者廣泛的局域網開展各種教學實驗，以調動學生學習興趣，提高學習效率，培養創新能力為目標的學習活動。在虛擬實驗中，學生可利用鼠標的點擊、拖動，將計算機上各種虛擬儀器按實驗要求和過程組裝成一個完整的實驗系統，同時在這個系統上完成整個實驗，包括原材料的添加、實驗條件的改變、數據的采集以及實驗結果的模擬、分析等。

　　本研究所述的“虛擬實驗”是指利用計算機軟件技術實驗平臺，把一系列軟件和硬件有機地結合起來，從而實現對真實實驗操作和實驗結果的計算機模擬仿真技術。這種虛擬實驗是建立在真實實驗的基礎之上，對實驗所使用的元器件、儀器設備進行計算機模擬，通過鼠標和鍵盤的操作，完成整個虛擬實驗過程的。

　　虛擬實驗以現代教育思想為依據，以現代教育技術手段為支撐，以計算機實時仿真為核心，在教學實踐中表現出以下幾個特點：自主性、開放性和高效性。

　　在國內，虛擬實驗的建設得到了應有的重視。目前，已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如：清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統;華中科技大學機械學院工程測試實驗室將虛擬實驗室成果在網上公開展示，供遠程教育使用;四川聯合大學基于虛擬儀器的設計思路，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;復旦大學、上海交通大學等高校，也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研。

　　在國外，目前，虛擬實驗室在發達國家已十分普及。美國作為當今的科技強國，為繼續保持其在科學技術領域的領先地位，尤其重視信息技術的研究，并已將虛擬實驗室列入其科研發展的戰略規劃。在1991年底，美國科學基金會、美國國家科學研究顧問委員會所屬的計算機與遠程通信部組成了一個“全國(科學)合作實驗室委員會”，其任務是調查科學家對信息技術的需求，協調科研合作關系，組織并實施具體的信息技術開發。此后，美國聯邦政府投入資金在海洋學、天體物理學和分子生物學三大領域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程，開展了一系列探索性研究并取得了實質性進展。美國一些政府部門，如能源部，正在制定計劃將其所屬的科研機構過渡到虛擬實驗室環境中。

　　2 相關軟件技術

　　Basic語言是20世紀60年代由JohnG.Kemeny和ThomasK untz發明的。它是一種非結構化語言，易于理解，易于學習。Visual Basic是一種可視化的，面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，可用于開發Windows環境下的各類應用程序。在Visual Basic環境下，可以高效、快速地開發出Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。

　　Unigraphics軟件(UG)起源于美國麥道飛機公司，二十世紀六十年代起成為商業化軟件，被眾多美國公司采用。如今，UG軟件已經成為世界上一流的集成化CAD/CAE/CAM軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、通用機械、模具和家用電器等領域。許多著名公司均選用UG作為企業計算機輔助設計、分析和制造的標準。如美國通用汽車公司、波音飛機公司、貝爾直升機公司、英國宇航公司、惠普發動機公司等均以UG作為企業產品開發的軟件平臺。美國通用汽車公司是UG軟件的最大用戶。自1990年進入中國市場以來，UG軟件在我國得到了越來越廣泛的應用，已成為我國工業主要使用的大型CAD/CAE/CAM軟件之一。

　　3 發動機結構及功能

　　發動機在工作過程中能輸出動力，除了直接將燃料的熱能轉變為機械能的燃燒室和曲柄連桿機構外，還必須具有一些機構和系統予以保證，并且這些機構和系統是互相緊密聯結和協調工作的。不同類型和用途的發動機，其結構和系統的形式不同，但其功用是完全一致的，發動機結構包括機體和汽缸蓋、曲柄連桿機構、供給系、配氣機構、點火系、冷卻系、潤滑系和啟動裝置等。

　　4 發動機各零/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合成一體，使用戶可充分運用集成于特征環境中的傳統的實體、表面和線框造型的優勢，方便地建立二維和三維線框造型、掃描和旋轉實體、進行布爾運算及參數化編輯。它還提供用于快速、有效的概念設計的變量草圖工具和用于一般建模和編輯任務的工具。

　　對于發動機而言，其組成部件就是各個零/部件，它把燃氣作用在活塞上的力轉化為曲柄的扭矩，以向工作機械輸出機械能從而實現發動機的功用，而發動機零/部件建模的關鍵也在于曲柄連桿機構實體模型的建立。采用UG建立發動機各個零/部件的模型如圖1所示。

　　5 發動機各零/部件的虛擬裝配

　　裝配模塊UG/Assembly是UG集成環境中的一個模塊，用于實現將零件(或部件)的模型裝配成一個最終的產品模型，或者從裝配開始產品的設計。與產品的實際裝配過程不同，UG的裝配模塊是一種虛擬裝配。將一個零件(或部件)模型引入到一個裝配模型時，并不是將該零件(或部件)模型的所有數據“復制”或“移動”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)關系，即有一個指針從模型指向被引用的每一個零件(或部件)。一旦被引用的零件(或部件)模型被修改，其裝配模型也會隨之更新。

　　發動機各影部件模型建立后，需要對發動機各機構影部件模型進行虛擬裝配，包括曲柄連桿機構、機體組和配氣機構等，使各個零/部件不再是一個個的小的零件，而是要建立起發動機各機構系統的整體模型，使其成為一個整體，為所要進行的運動仿真搭好平臺。

　　最終形成的發動機曲柄連桿配氣機構和總體結構裝配圖如圖2、圖3所示。

　　6 發動機各機構的運動仿真

　　雖然建立了發動機各機構的裝配模型，但是卻不能將發動機曲柄連桿機構和配氣機構的運動清晰地表現出來，這就需要建立發動機各機構的運動仿真，使各機構工作原理和過程清晰地表現出來。

　　運動分析方案的建立是進行運動仿真的關鍵。在UG中，運動分析方案的創建在Motion模塊中進行，分三個步驟進行：創建連桿;創建運動付;定義運動驅動。

　　發動機曲柄連桿機構和配氣機構運動分析方案已經設置好，如圖4所示，這時可以進行運動仿真，再選擇復選框J1單擊向前步進按鈕，即可看到機構運動情況。

　　7 發動機虛擬實驗的用戶化

　　建立了發動機各個零/部件實體模型，并進行裝配和運動分析，只是完成了發動機虛擬試驗的一部分，所要做的工作最終是為了方便利用、方便教學，不可能每次觀看發動機結構和分析工作原理的時候都要進人到UG工作界面中，所以對前面所做工作進行整理和編輯是不可缺少的工作，這里主要采用VB進行適當編程，從而真正實現發動機虛擬實驗的用戶化，具體過程如下。

　　1)將UG界面下所產生的*.part文件以*.wrl格式進行導出。

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

　　3)采用VB進行適當編程，創建控件，實現用戶化。

　　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，便會呈現圖5所示的界面，這時用戶只需點擊界面中任何一個按鈕，便可以從上面的窗口中看到所要查看的對象，其中包括發動機各零/部件及其裝配圖，也可以清晰地看到曲柄連桿機構和配氣機構工作原理。

　　8 結語

　　該系統在UG平臺上建立了汽車發動機專用CAD系統，本課題首先應用UG軟件對發動機實體零/部件進行建模;在保證裝配關系正確的情況下，對UG建立起來的實體裝配模型通過調入UG運動分析模塊，對發動機各機構進行運動仿真，從而將各機構的工作原理清楚地表現出來。

　　將UG工作界面下的*.part文件格式改變為*.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行控件的編輯從而實現用戶化。因此，該系統實現了汽車發動機虛擬實驗的基本目的，可用于課堂實驗的教學，是一種切實可行的方法。

　　由于系統是建立在UG平臺上的，實質上將通用CAD系統與VB語言系統共同處于統一結構下，相互協調工作，從而使建立起來的汽車發動機虛擬實驗促進了實踐教學效率和水平的提高，并為其他虛擬實驗研究提供切實可行的經驗與方法。