基于CATI5的汽车发动机仿真教学系统构建方案

摘 要 ：本文是针对目前汽车职业院校普遍面临的实物教学困难、经费投资大的问题,提出建立一个汽车发动机仿真教学系统的构建实施方案.本方案先对汽车发动机的组成与结构进行分析,在CATIA V5平台中,对标准件进行参数化建模,对非标准件进行测绘后建立相关零件库,将零件库的零件由小到大逐步完成装配,最后将这个组装好的发动机进行运动仿真,生成相关的文件使其能便于教学.通过本方案,将发动机内部可视化,从而建立汽车发动机仿真教学系统,很好的解决了课堂教学中发动机结构拆装困难以及职业教育中面临的场地经费问题.

关 键 词 ：汽车教学；发动机；零件库；仿真；CATIA

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 21-0000-02

1.汽车发动机仿真教学系统构建意义

在职业教育教学中,采用虚拟现实技术应用在模拟仿真加工方面的比较多,在汽车仿真教学中应用较少,因此,本系统的创建,对汽车专业学生的实习训练和教学都有重大意义.原因有以下几个方面：

（1）通过本系统,可以缓解职业院校对实训设备投入的不足及实习训练场地的限制,同时也可以代替实物训练,大大缩短了学生训练的时间,提高教学效率,也大量地节约了原材料的消耗.（2）通过本系统在学生训练中的应用,可以极大地提高学生对汽车发动机结构和装配关系的了解,还可以避免产生在实物训练过程中的机械损耗.也可以提高学生的学习积极性,也有利于教师对学生的集中现场指导和因材施教个性化指导；学生在运用本系统进行装配过程中,如对零件的结构有创造性的意见,可以即时对零件进行设计更改,达到零件优化设计的目的,从而提高学生的创新能力.（3）可以在本系统的基础上增加故障排除与检测功能,通过故障再现和模拟处理,可以大大提高学生的实战经验；可以在本系统基础上增加教学考核功能,通过软件中的考核程序让学生实行模拟拆装、故障排除等考核,既准确、快速又能做到及时反馈,提高了教学效果.

2.汽车发动机零件三维模型创建步骤

2.1 零件整理

先对某一型号发动机有一个整体的了解和规划,理清它的组成.然后按部件分类,测绘出每一个零件的二维工程图.在此过程中要对零件用阿拉伯数字或者英文名称命名,以便于零件库创建时使用.同时要认真分析每个零件的设计意图,每一步均要形成文字并记录下来（如表1-1所示）.

2.2 零件分析

逐一对汽车发动机的主要零件的功能及特点进行分析和了解,条件允许或必要时对某些零件进行应力应变分析,以达到零件优化设计的目的.再对某一组件内的零件分为标准件和非标准件两大类,以便于模拟装配式随时从零件库中调用零件.

2.3 创建模型

使用CATIA V5软件逐个创建零件模型,并以表1-1所示命名零件文件.创建模型时,可以针对不同的零件特征,采用不同的建模方式.

1）根据零件特征进行建模.通过实物测绘,分析零件的实体特征,在CATIA的草图工作台上画出草图图形,利用基于草图的特征工具进行增料、除料等工具进行操作完成零件的主体特征,然后进行修饰特征添加材料等操作.像活塞、缸体、曲轴、凸轮轴等都可以采用此种方式进行建模.

2）利用参数化进行零件建模.对于有相似特征,尺寸不同的零件,可以采取参数化建模,这样的话可以避免减少劳动量.像发动机端盖、螺钉、螺栓、活塞、齿轮等零件,因为他们的拓扑结构变化不大,所以在设计过程中,都可以采用参数化设计.

3）利用关系式建模.通过使用关系式,可以控制零件模型中尺寸之间存在的依赖关系或装配过程中各部件之间的链接关系等,从而可以方便地设计出一系列不同的产品.当完成零件或装配关系式的编辑后,对零件设计来说,若改变其中某一个尺寸,则与该尺寸存在关系式的其他尺寸将作相应的变化；对装配件来说,若改变其中的零件,则与其对应的零件将发生相应的变化,同时装配体自动更新.关系式可以用来提供某一尺寸值,或者是当加工的条件违反了关系的限制时,系统将出现警示.像正时齿轮之间的设计,就可以采用关系式.

4.建立发动机零件库和模块化设计

构成发动机的零件众多,在装配过程中如何找到需要的零件是一件非常棘手而且麻烦的事情,如果不对其进行科学系统的管理,势必在装配过程中费时费力,效率低下.

在汽车发动机的建模过程中发现,大部分的零件外形极为相似,如齿轮、螺钉等标准零件,可以直接调用的约有50%左右,还有25%左右的零件不需重新设计与建模,只需在以前设计的零件基础上通过小小的修改或者经过尺寸参数化驱动即可使用,但是每次设计时,由于零件数量较多可能忘记了存放位置,这样不便于提高设计效率.

由上可知,必须建立一个能够对零件进行科学化、系统化的管理系统,采用汽车发动机零件库,可以专门来管理这些文档和零件,在调用时非常方便,大大提高了工作效率.

5.发动机的虚拟装配

虚拟装配零部件的具体步骤：在CATIA所提供的装配工作台上,导入需装配的零部件（CATIA提供的插入部件的方法主要有插入部件、插入产品、插入新部件也插入已存在的部件等）.然后,对零部件进行适当的约束并建立装配关系,根据不同零件的装配要求,选用不同的约束关系.最后得到完整的装配模型.

装配完成后,通过CATIA V5提供的干涉检验和截面分析工具对装配情况进行检验,对装配时出现的干涉现象进行调整.另外还可以由软件自动生成装配分解图,检查各组件的链接关系及装配关系是否正确,观察整机在装配过程中有无遗漏和不合理现象,对存在问题的可及时作出相应的调整.

6.发动机的虚拟仿真

在装配的基础上,可以切换至DMU仿真运动平台,建立相关的运动机构,设置固定件,相对运动副,添加驱动命令,当系统提示可以模拟运动时,即可实现运动仿真.通过仿真,可以再对完成的部件之间进行干涉分析,调整零件模型.

在设计完成后,可以把相关文件保存为FLSH文件,方便教师在授课的过程中给学生动画演示,同时也可以再结合编程软件,设计出一套可以让学生点击装配拆卸的教学软件,从而提高教学效果,节省学校资源开支.