单缸发动机三维可视化虚拟装配教学实验系统研究.docx
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单缸发动机三维可视化虚拟装配教学实验系统研究
开题报告
学生姓名
专业
班级
指导教师姓名
职称
工作单位
课题来源
课题性质
课题名称
单缸发动机三维可视化虚拟装配教学实验系统研究
本设计的科学依据
（科学意义和应用前景，国内外研究概况，目前技术现状、水平和发展趋势等）
1. 当前模拟拆装发动机的现状
随着生活质量的提高，汽车快成为每家每户的必备交通工具。
因此对于汽车知识的认识和了解是我们车辆工程专业学生必须掌握的。
发动机是汽车的心脏，那我们就必须更加了解发动机。
在很多高校的实践活动里，都有一门必做的实践，那就是拆装发动机。
但是往往学生在刚接触实物发动机的时候会不知所措，不知道如何下手去拆装。
虽然在实践活动中会有老师反复耐心指导，告诉学生注意事项，但是学生还是会在实际拆装发动机是会出现失误。
这会影响学生对拆装发动机这个实验的兴趣，从而导致学生对拆装发动机顺序会有很多错误的观念[1]。
一位名叫潘鸿彬的硕士曾经也对此虚拟教程做过研究。
他认为虚拟技术的出现是对拆装的研究提供了一个非常好的机会。
在三维可视化的环境下，技术人员可以先通过在计算机里的模拟，熟悉和认识实际的拆装，可以更加充分地发挥人的创造性，达到优化拆装发动机过程和目的[2]。
同时李国勇教授等人也认为在虚拟拆装是拆装过程在计算机里的本质实现，是基于拆装实验的数字化实体模型，在计算机上模拟拆装发动机整个过程，这会提高在实际拆装发动机的效率，减少实际拆装时所遇到的不必要的失误[3]。
针对这种现象，我开发一套适用学生拆装发动机的模拟虚拟教程，能够仿真发动机的拆装过程。
这样学生在进行实际拆装发动前可以先观看这个教程，将复杂的过程变得简单明了，让同学先对拆装发动机有初步了解，然后在实际操作中能够减少错误的操作，让同学更能很好的掌握拆装发动机的知识，让同学学到知识[14]。
这与以往只是在书上文字提到如何拆装发动机相比，这个虚拟教程更直观，更容易让同学接受并记住基本拆装发动机的顺序，具有事半功倍的效果。
2.发动机虚拟拆装系统设计的工具
本次设计用到的主要工具就是SOILWORKS。
SOILWORKS操作软件是美国参数技术公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
SOLIWORKS软件以参数化著称，是参数化技术最早应用者，在三维造型软件领域中占有着重要地位，SOILWORKS作为当今世界机械CAD/CAM/CAE领域的新标准而得到世界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
它可以进行概念设计，工业造型设计，三维模型设计，分析计算，动态模拟与仿真，工程图的输出以及生产加工的全过程，功能非常强大[5]。
本次设计主要用的是SOILWORKS，这个版本相对于其他版本有很大的有点，功能也比较全，在使用界面上更加桌面化，操作更加方便简洁，容易学会和掌握。
用SOILWORKS会比较容易学会，操作相对于其他软件来说比较简单。
而且特别比较适合用于一个模型组对其不同零件进行独立的拆装，选定每个主体，在每个关键帧上进行快照并插入相应的时间，设置每个主体的起始位置与最终位置。
而且可以设置不同时间点的视图位置，能更清楚更全面得观看其拆装过程。
3. 发动机的组成及拆装顺序
3.1发动机的组成
发动机一般由机体组，曲柄连杆机构，配气机构，供给系统，点火系统，冷却系统，润滑系统和起动系统组成，即由一体，两机构和五大系统组成[6]。
3.2发动机的拆装顺序
本次设计主要是针对发动机大的方面拆装模拟，对于一些细节方面本次设计不加以讨论。
主要是让同学先初步认识发动机大的方面的拆装，细节的注意事项还需指导老师告诉学生。
拆装发动机大的方向一般都按照这个顺序：
先是发动机外表附件的拆卸，然后是发动机各组件的拆卸，最后是发动机的装配。
本课题最后会以动态演示视频将大方向的拆装顺序演示出来。
4. 小结
通过查阅大量的资料，初步对该设计有个大体的了解，对于设计整个拆装发动机的虚拟教程也有所认知。
虚拟教程教学是以后教学的一个重要方向，因此本课题研究这个拆装发动机虚拟教程有很大的意义。
研究出这个拆装发动机虚拟教程可以帮助同学更好的了解关于拆装发动机的知识，让我们在实际操作中达到事半功倍的效果。
设计内容和预期成果
（具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和提供的形式）
（1）了解虚拟技术在拆装发动机的意义。
（2）能够熟练掌握SOILWOKS画出零件图。
（3）制作一个仿真拆装动画演示。
（4）撰写符合要求的毕业论文或设计说明书。
拟采取设计方法和技术支持
（设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等）
（1）查阅文献：
通过查阅大量关于发动机拆装的文献，对拆装发动机油更好的了解和认识。
（2）实践体验：
通过自身实际去拆装发动机的体验，从实际中了解拆装发动机的顺序。
（3）软件学习：
学习SOILWORKS画发动机的零件图。
（4）整体研究：
将所有的零件组装，经过多次改进，制作成最后的拆装发动机虚拟教程。
主要参考文献
[1]马喜英，吴精实.谈发动机拆装实习[J].河北农机,1994，第
（2）期：
3-15
[2]潘鸿彬.虚拟环境下可视化互动装配技术研究[D].广东工业大学，2006
[3]李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与CAD——基于MATLAB的控制系统（第2版）[M].电子工业出版社,2010,第（7）期：
9-13
[4]刘怡，崔欣.虚拟现实VRML程序设计[M].天津:
南开大学出版社,2007
[5]齐从谦，甘屹，王士兰SOLIWORKS产品造型设计与机构运动仿真[M].中国电力出版社,2010.3
[6]赵燕山.汽车修理专业拆装口诀[J].现代技能开发,1997，第（10）期：
12-30
各环节拟定阶段性工作进度
（以周为单位）
第1-4周 撰写开题报告；
第5-8周 开始实习同时完成学校分布的任务，做好实习工作的同时记录实习日记，写好实习报告。
并收集论文需要的资料。
第11-12周 根据收集的资料，交给指导老师初稿，画好初版图纸，老师指导，修改，完成二稿。
第13-15周 根据老师的指导，完成二稿，提交，完成修改图纸，并由老师再次修改，完成论文三稿；
第 16 周 完成论文定稿与装订；
第 17 周 毕业论文答辩。
开题报告审定纪要
时间
地点
主持人
参
会
教
师
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
论
证
情
况
摘
要
记录人：
指
导
教
师
意
见
指导教师签名：
年月日
教
研
室
意
见
教研室主任签名：
年月日
摘 要
发动机是广泛使用的机器，其传递动力并将能量转换成机械能。
目前传统的发动机是将燃料化学能转化为热能，然后从热能转化为机械动力，并通过驱动系统底盘驱动汽车驾驶车。
空间很大，但由于发动机的传统发展模式，开发周期长，过程复杂，开发成本高，性能测试困难。
本文将模拟技术引入发动机开发领域，
介绍发动机的发展历史和前景，引擎类型，介绍了模拟技术的背景，国内情况的发展和模拟技术的实际意义。
简要介绍了Solidworks软件在工程设计中的应用。
利用SolidWorks软件画出发动机的曲轴，连杆，活塞，上下箱体还有螺栓等小部件，在画完发动机的主要零部件后再利用SolidWorks软件进行活塞，曲轴，连杆和箱体零部件之间的装配，最后组成完整的发动机并对其进行仿真运动生成爆炸视图。
关键词：
发动机仿真技术三维建模
Abstract
Anengineisawidelyusedmachinethattransmitspowerandconvertsenergyintomechanicalenergy.Thecurrenttraditionalengineisthefuelchemicalenergyintoheat,andthenfromthermalenergyintomechanicalpower,andthroughthedrivesystemchassisdrivecardrivingcar.Spaceiswide,butbecauseofthetraditionaldevelopmentmodeloftheengine,thedevelopmentcycleislong,theprocessiscomplex,thedevelopmentcostishigh,theperformancetestisdifficult.Thispaperintroducessimulationtechnologyintothefieldofenginedevelopment,
Introducethedevelopmenthistoryandprospectoftheengine,theenginetype,introducesthebackgroundofthesimulationtechnology,thedevelopmentofthedomesticsituationandthepracticalsignificanceofthesimulationtechnology.
ThispaperbrieflyintroducestheapplicationofSolidworkssoftwareinengineeringdesign.Theengine'sthree-dimensionalsolidmodelconsistsofSolidworksandassembled.
Keywords:
enginesimulationtechnology3Dmodeling
目录
摘 要I
AbstractII
前言1
第1章 发动机的简介2
第2章 运动仿真技术简介4
2.1 运动仿真技术的背景4
2.2 运动仿真技术4
2.3 国内外运动模拟技术的发展4
2.4 运动模拟技术发展的重要性5
第３章 Solidworks软件简介6
3.1Solidworks软件的基本功能及作用6
3.2发动机主要零件三维实体建模7
3.2.1零件建模7
3.2.2曲轴的生成8
3.2.3曲轴箱体的生成8
3.2.4下曲轴箱盖9
3.2.5连杆10
3.2.6活塞.............................................................................................10
3.2.7飞轮11
3.2.8螺栓等零件绘制11
第4章 零件装配13
4.1新建装配模型14
4.2组装机构模型14
4.2.1活塞与连杆的装配14
4.2.2活塞连杆与曲轴的装配16
4.2.3曲轴箱的装配17
4.2.4曲轴箱与活塞等机构的装配17
第5章 发动机运动仿真19
5.1概述19
5.2定义仿真与分析19
5.2.1定义伺服电动机19
5.2.2定义机构分析22
5.2.3测量活塞的速度23
第6章 结论25
致谢26
参考文献27
前言
随着工程机械的快速发展和日益激烈的市场竞争，如何提高产品质量，提高市场竞争力，缩短产品开发周期，降低成本，成为企业最重要的问题之一。
现代的开发工具是提高企业竞争力的重要保证。
应用Solidworks的可能改变传统的设计方法，它显著降低了新产品的开发周期，以获取新产品的市场创造了有利条件。
是Solidworks软件的实际操作提高了设计的重要作用和应用效果。
在设计零部件的过程中，运动的空间干扰一直是机械设计工程师的头痛。
根据传统设计模式，设计师在一些细节问题上做了大量的努力，降低了设计效率。
而且一些错误往往有很强的隐瞒，对生产造成的损失很大。
因此，利用计算机三维设计工具来解决这些问题无疑具有一定的现实意义。
如今，流行的三维设计软件，主要是时，AutoCAD，Solidworks，等等。
Solidworks软件是简单，易于使用和易于修改和易于成形三种类拉伸件和形成组件简单的设计优点。
进行了流程建模和仿真参数等一系列分析。
在机械三维实体造型设计得到广泛应用。
第1章 发动机的简介
发动机，也被称为一个马达，能够从一个形式转换成机器更加适用的另一种形式的，并且通常将化学能转换成机械能。
（这将电能转换成动能的机器称为马达）有时应用于整个机器包括发电单元和电源，诸如汽油发动机或航空发动机。
首先，发动机在英国出生，所以发动机的概念来自于英语中，它的字面意思是“机械式功率器件。
”
在18世纪中叶，瓦特发明了蒸汽机，之后人们开始思考安装在汽车蒸汽机。
法国是安装汽车蒸汽机的第一家。
1770年居纽制作了一辆三轮蒸汽机车。
这辆车长有7.23米，3.5公里每小时的速度，是世界上第一台蒸汽机车。
1771年古诺改进了蒸汽汽车，时速可达9.5千米，牵引4-5吨的货物。
1858年，雷诺在法国巴黎，发明了燃气发动机，并于1860年申请了专利。
使用空气和蒸汽的气体混合物的发动机来代替往复蒸汽机。
电池和感应线圈产生火花，并且火花点燃混合物。
该发动机具有汽缸，活塞，连杆，飞轮。
燃气发动机是内燃机的主要产物，作为气体发动机的压缩比是零。
1876年，奥托，由雷诺燃气发动机的启发，燃气发动机也做了很多的研究，生产水平气动发动机，法国在1878年得到改善。
该展在国际展览。
由于高效率发动机，引起了参观者的极大兴趣。
在长期的研究中，奥托提出了四冲程内燃机的理论，为将来发明的内燃机奠定了理论基础。
1892年，德国工程师狄塞尔根据恒压热循环原理，研制出一种压缩点火柴油机，并制造了这款发动机专利。
1957年，德国汪克尔发明了转子式发动机，这是发展汽油发动机是一个重要的产业。
该转子式发动机的特征是外座圈和转子，并且在活塞杆的曲轴阀机构内使用圆形轮旋转体组件，活塞可以直接转换到所述凸轮的旋转运动。
比构件往复运动的活塞拥有重量轻，体积小，高速，高功率的优势。
1958年，汪克尔外转子固定到转子的行星运动，22.79千瓦的功率，速度5500转/分，一个新的转子活塞发动机。
许多类型的发动机，工作原理和目标是不一样的。
大多数发动机中的驱动轴，是一种或多种活性动力输出轴的。
这种含有活塞的发动机。
活塞涡轮增压的活塞式发动机，其包括：
一个内燃机，一个热空气机（斯特林发动机），一个旋转活塞发动机（旋转式发动机包括一个三角形），蒸汽等。
还有一些特殊的活塞式发动机，正在使用。
涡轮机类型包括：
燃气轮机，汽轮机，风力发电机，涡轮机也可视为涡轮发动机。
还有特殊场合使用的涡轮发动机，例如用于鱼雷的涡轮发动机，其基本上类似于蒸汽轮机，但是工作流体是气体和蒸汽的混合物。
活塞式+涡轮式，有“自由活塞式发动机”，是采用气缸获得高温高压气体，在涡轮机中做出发动机的输出功率。
涡轮增压内燃机，涡轮复合式内燃机也可以看作是活塞式+涡轮式。
其实各种不同工况下的发动机，还要根据其他方面的不同，分解成多种类型。
例如，内燃机可分为汽油发动机，柴油发动机，气体发动机（使用天然气的燃气发动机涉及内燃机作为也包括在内），多燃料发动机。
燃气轮机可分为单转子，双转子，三转子，也可根据不同的热循环分为热量，中间压缩空气，再热型，以及各种循环循环组成的燃气轮机。
热风机可分为单作用型，双作用型，菱形式，斜盘式，自由活塞型等。
总之，根据每个原则，工作引擎可以有很多不同的分支。
飞机发动机和火箭发动机中，获得高速空气喷射反应推力。
空气动力发动机通常被称为航空发动机，包括涡轮喷气发动机，涡轮风扇发动机（其可分为涡轮风扇发动机的混合排气管道，以及比单独的排气涡扇发动机更大的管道）涡轮发动机，螺旋桨涡轮发动机，冲压式喷气发动机等的轴。
不依赖于空气中，通常被称为燃料火箭发动机是在液体火箭发动机和固体火箭发动机的固体或液体，使用核能火箭发动机，使用电场的火箭发动机等。
第2章 运动仿真技术简介
2.1 运动仿真技术的背景
在21世纪科学技术突飞猛进，社会的快速发展。
个性化的产品，对产品性能的提高越来越迫切的要求的需求，世界经济已经证明了买方市场的特征。
由于这一变化，导致市场竞争更加激烈，核心竞争力主要体现在产品创新上，体现在速度和客户的质量产生相应的影响。
在创新和产品开发的传统物理样机，在中期的发展，开发成本，产品质量已越来越不能满足市场的需求，运动仿真技术是由于市场需求。
2.2 运动仿真技术
运动仿真技术是一种新的产品开发方法，许多相关学科和跨产品的整合集成。
这是数字化设计，基于产品的计算机仿真模型。
它是基于产品生命周期的建模和计算机模拟。
它是基于运动学计算机，电子，计算机图形学，建模，仿真，虚拟现实等机械系统动力学和控制理论。
具有复杂的三维计算机图形技术的帮助下，图形用户界面，信息技术，集成技术，多媒体技术，并行处理，设计和开发，产品分析的变化相结合，使虚拟样机设计的所有产品开发的优化，性能测试一个早期的视觉形象，制造和使用模拟仿真。
换句话说，“运动仿真”的方法来第一技术（物理），使用该系统的计算机模型和可视化仿真系统对象，通过在实际工作环境的变化设计的动态特性反复模拟运动之前创建的软件原型产品的仿真设计，最终得到了优化设计。
2.3 国内外运动模拟技术的发展
国外已广泛应用于各种仿真设计领域。
涉及的产品是从巨型卡车到小型相机的快门，从火箭到船上的卷扬机。
在工程/矿山机械行业，如约翰迪尔利用模拟技术成功解决高速施工机械时，蛇形现象和自重振动在重负荷下一直受到设计师和用户的困扰，大大提高了工程/矿山机械的高速性能和重型作业性能。
卡特彼勒使用虚拟样机在切割任何金属材料之前，可以快速测试数千种设计，降低产品设计成本，缩短开发周期，并创造更多产品。
国外这样模拟技术有很多应用实例，中国也急于加入技术研究。
传统上，在中国引入物理原型，开发人员往往保持在零部件的复制水平，原型在系统层面缺乏理解和研究，虽然结果投入了大量的人力物力资源，但与没有成功。
但是，如果使用虚拟原型技术，技术人员将能够对原型进行深入研究，可以跟踪原型设计，从而真正提高设计师开发产品水平以满足市场需求。
2.4 运动模拟技术发展的重要性
功能传输和交互建模和生产的分析。
在概念设计和程序演示中，设计师将能够将他们的经验和想象力融入计算机的虚拟原型设计中，充分发挥想象力和创造力，而不是虚拟样机仿真性能。
开发人员可以很容易地通过改变设计过程中识别您的电脑，并逐步优化设计。
根据运动模拟器的实验，以及测试集创建设计动态模拟方法保存驱散结合部位的设计和分析技术，提供设备的性能的更完整的画面。
他利用虚拟环境的可视化优势，并可以互动探索虚拟对象的功能，设备几何，安装测试设备和测试仪器等相关成本，更快地确定敏感参数设计参数的性能实现最优化设计目标这样可以大大缩短产品开发周期，降低开发成本，提高设计质量和效率，获得竞争优势的产品。
第３章 Solidworks软件简介
3.1Solidworks软件的基本功能及作用
Solidworks是美国PTC（参数）公司开发的三维软件。
Solidworks以其基于特征的参数建模的新概念而闻名，在单个数据库下完全相关，并具有强大的实体建模和虚拟装配能力。
功能界面清晰明了，让用户有一种视觉和心理感的轻松感。
该软件是一个全面的3D产品开发工具。
机床参数化设计为传统模具设计带来了许多新思路，强调实体模型结构优于传统表面模型结构和线模型架构。
Pro/E还具有良好的数据接口，他可以输出各种格式的图纸，以及AutoCAD，SolidWorks等数据交换软件。
Solidworks为代表的高端3D软件，功能强大，易于使用，易于学习和使用，已成为机械设计，家居设计，模具等行业常用的三维设计软件。
与过去相比，最常用的AutoCAD等流行的绘图软件，直接从一个单一的数据库软件，并与处理，3D建模和二维工程等相关技术关联。
新技术的应用Solidworks能迅速提高设计效率，优化设计，降低了技术人员实力，缩短开发周期，加强设计的标准化。
效率，舒适性显著改善。
机械零件直接解决3D（3D）图形。
二维截面草图的应用后，软件可用于拉伸，旋转，放样，倒角和布尔运算。
所需项目的三维实体模型。
可以直接显示在屏幕上，修改的设计的尺寸上，并且能够检查是否合理的结构，标准化。
组装的组件形成装配后的3D机械部件的装配单元形式的三维的方法。
通过组合键，如果设计不合理或不相称的，我们可以从一个零件或装配的3D视图中的任意位置或角度看，很容易找到，改变细节，以提供部件的相容组合，也能避免，如果一些干扰参与建设可以彼此进行修改，并且是在本变形例是非常有用的，只要该部分的相应部分的大小要被改变的误差的部分，以实现期望的目标，相比于手动牵引，物力和财力资源，以减少垃圾量。
机器部件，以及当我们设计整个机器的部分的表面的有价值的部分计算，一个构件，以确定其形状因数大小，总重量和表面积很多时间的。
Solidworks可以从计算机部件的相关菜单中找到很容易的部分，重量和表面积可用维度。
生成图纸建立三维实体模型后，可以在任何方向观察，看是否满足设计和使用要求，并可以在满意后使用实体模型;自动生成三个视图，也可以生成任何位置，然后进行简单的修改和维度，可以生成二维图。
产生强烈的动画感，强烈的动画形象将由三维实体模型和3DMAX等软件设计，并可以调整照明布置场景，给予机器一定的材质等，可以产生逼真的效果光机模型动画图像。
此外，我们还可以设计运动学和动力学分析的机械部件，在运动学和动力学参数的各个点，应力偏转振动和屈曲等的机械部分获得，以便设计机械结构可以优Solidworks软件结合技术人员的设计思路和习惯，而且建立统一的数据库并拥有完整的数据模型。
其特点是其强大的参数设计和统一的数据库管理。
实现了3D实体和2D绘图的特征和双向相关驱动的尺寸驱动，实体特征的建模，标准零件库的建立，零件的组装，动态模拟，有限元分析，干涉检查，数控加工和快速的产品变异性等，克服二维图形不能包含所有产品设计信息的缺点。
Solidworks功能允许设计人员将设计模型扩展到产品系列，从而将工作负载降低高达90％，大大提高了生产自动化和提高生产力。
3.2发动机主要零件三维实体建模
3.2.1零件建模
在传统的工程设计中，设计师首先在心中形成三个轮廓的产品，然后使用图纸使用二维图纸，其他设计师和技术，生产等部门的员工通过两个产品缩减为二维图像由于图纸的错误和误解，设计师的意图并不总是完全实现，因此设计周期更长，产品质量受到影响。
当产品的形状和结构更复杂时尤其如此。
所以三维设计是发展的趋势。
基本功能是建模中创建的第一个功能，它是零件结构的基本元素。
其他特征取决于基本特征。
基本特征可以是物理基准，并且正交基准面通常用作基本特征。
Solidworks中的零件设计步骤是创建基本特征，然后添加结构特征。
在您开始做零件之前，您应该做好准备，以明确设计意图。
识别设计的关键尺寸，可以改变装配体与装配关系的其他部分之间的关系的尺寸和尺寸。
由于Solidworks的实体模型可以生成各种不同的方法，所以我们需要使用的过程中要更加的
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