冷凝器虛擬模型的制作與開發(fā)

劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 動力工程系，遼寧 葫蘆島125000）

0 引言

當(dāng)前，高校教學(xué)設(shè)備依然存在某些缺陷及孤立性等問題，未能把每個設(shè)備的實驗課都開展起來。為了在教學(xué)過程中使學(xué)生盡可能多地理解一些難度較大的設(shè)計與操作，我們通常應(yīng)充分、合理、有效地運(yùn)用多媒體教學(xué)課件，以節(jié)省教學(xué)時間，降低實驗教學(xué)的成本來提高其實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量［1］。

冷凝器仿真課件的作用體現(xiàn)在以下幾個方面：a.運(yùn)用臥式冷凝器仿真課件進(jìn)行講解可以提高教師的教學(xué)效果，比傳統(tǒng)教學(xué)中的掛圖更生動，可以使學(xué)生快速掌握臥式殼管式冷凝器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)備裝配過程，為冷凝器的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；b.采用三維實體仿真課件可以提高學(xué)生對冷凝器實體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識；c.冷凝器仿真課件可使復(fù)雜問題由繁化簡，既提高了教學(xué)效果，又提高了專業(yè)教師運(yùn)用多媒體技術(shù)講授專業(yè)知識的能力，為教師教學(xué)多樣化提供了條件。

1 虛擬模型的制作過程

以SolidWorks為設(shè)計平臺，應(yīng)用三維繪圖技術(shù)，進(jìn)行臥式殼管式冷凝器的虛擬仿真。在三維環(huán)境下實現(xiàn)冷凝器與蒸發(fā)器零部件的可視化三維造型設(shè)計、動態(tài)可視化裝配過程。本課件以制冷實驗室一臺ST-8HP臥式殼管式冷凝器為實體模型，查閱該設(shè)備的二維圖紙，應(yīng)用三維實體軟件進(jìn)行冷凝器的實體建模，針對冷凝器機(jī)體、冷卻水盤管、折流板、筒體、端蓋進(jìn)行實體三維構(gòu)建，然后對各個組件進(jìn)行實體裝配，形成一臺完整的冷凝器，進(jìn)行課堂演示，讓學(xué)生快速掌握冷凝器內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)和拆裝順序。制作過程包括技術(shù)資料獲取→運(yùn)用三維繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理→系統(tǒng)集成→動態(tài)效果顯示。具體制作過程如下：

1）技術(shù)資料獲取。查閱ST-8HP臥式殼管式冷凝器的技術(shù)圖紙構(gòu)建實體模型，收集圖紙進(jìn)行匯總，運(yùn)用CAD軟件對圖形進(jìn)行繪制，形成二維圖紙。

2）運(yùn)用三維繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。借助常用的三維繪圖軟件將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維建模的技術(shù)圖紙，常見的三維繪圖軟件有 Pro/E、UG、SolidWorks、3Dmax 等，三維造型軟件可以通過創(chuàng)建的三維模型自動生成各種視圖，包括基本視圖、輔助視圖、剖視圖、斷面圖等各種二維投影圖。其中在三維繪圖軟件中，SolidWorks具有較好的視圖自動生成功能，而且視圖能隨著三維立體的變化而改變；其投影方法也可以在第一角投影和第三角投影之間進(jìn)行切換。

3）對臥式冷凝器中的主要零部件進(jìn)行三維建模。在機(jī)械制圖領(lǐng)域，二維圖紙包含了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，有的產(chǎn)品還包括生產(chǎn)過程所需的主要信息，如形狀、材料等，在三維建模的過程中，應(yīng)該充分利用二維圖紙資源進(jìn)行三維建模。SolidWorks三維繪圖軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，以二維平面圖為依據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兼容，實現(xiàn)*.dwg文件的輸入輸出。在SolidWorks軟件中，提供了AutoCAD各種軟件的模擬器，使得課件設(shè)計者在原有圖紙的基礎(chǔ)上，順利地將二維圖紙設(shè)計轉(zhuǎn)化成三維實體模型的設(shè)計。

4）系統(tǒng)集成。完成冷凝器機(jī)體三維實體構(gòu)建，完成臥式殼管式冷凝器圓筒形、外殼、端蓋、管板和管束實體的構(gòu)建，形成一臺冷凝器的三維實體模型。將冷凝器零部件進(jìn)行裝配，進(jìn)行渲染，形成冷凝器的裝配文件。

5）動態(tài)效果顯示。冷凝器實現(xiàn)動態(tài)仿真，實現(xiàn)可視化拆裝過程，學(xué)生可移動鼠標(biāo)進(jìn)行臥式殼管式冷凝器拆裝。

圖1

2 制作虛擬模型的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 融入模塊功能

根據(jù)冷凝器模型庫的制作過程，結(jié)合工作過程和生產(chǎn)制作工藝，在與企業(yè)技術(shù)人員溝通、協(xié)調(diào)下分析設(shè)計冷凝器的虛擬模型動畫。能夠根據(jù)網(wǎng)站布局要求選擇合適的動畫尺寸，分析設(shè)計網(wǎng)站宣傳動畫，根據(jù)不同的動畫選擇不同的元件創(chuàng)建補(bǔ)間動畫、引導(dǎo)層動畫和遮罩效果認(rèn)識幀（Frame）、時間軸和圖層等模塊功能，進(jìn)一步制作圖形元件、按鈕元件和影片剪輯元件的補(bǔ)間動畫、制作引導(dǎo)層動畫和遮罩效果，使模塊功能融入到冷凝器的模型動畫中，根據(jù)現(xiàn)場的教學(xué)要求和設(shè)計要求，確定了Flash設(shè)計制作，以達(dá)到增加頁面動態(tài)效果和美化頁面的效果。

2.2 有效實現(xiàn)人機(jī)交互

人機(jī)交互、人機(jī)互動，簡稱HCI或HMI，系統(tǒng)與用戶進(jìn)行互動和交流，系統(tǒng)可以是計算機(jī)的操作系統(tǒng)和軟件。人機(jī)交互界面通常是指用戶可見的部分，通過用戶與人機(jī)交互界面的系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作與執(zhí)行。進(jìn)行冷凝器三維動態(tài)實體虛擬拆卸與裝配，形成冷凝器可執(zhí)行仿真拆裝文件，有效實現(xiàn)人機(jī)交互。學(xué)生可以通過計算機(jī)將一臺完整的冷凝器進(jìn)行完整的拆裝，實現(xiàn)模擬真實的拆裝環(huán)境。

2.3 采用網(wǎng)頁和flash形式將臥式冷凝器虛擬模型深度融合

三維繪圖軟件在虛擬模型動畫演示方面美中不足，特別是設(shè)備的安裝拆卸等方面，對于復(fù)雜的工藝流程通過Flash軟件通過電腦演示出來，將極大地提高學(xué)生對元部件的感性認(rèn)識，同時對系統(tǒng)的流程、動態(tài)過程也有了一個清醒的認(rèn)識，因此將兩款軟件有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，從而制作出教學(xué)虛擬模型進(jìn)行專業(yè)教學(xué)。利用Flash制作的課件動畫具有雙向的信息傳遞功能，不僅可以向用戶演示冷凝器的結(jié)構(gòu)與裝配過程，同時也允許用戶使用交互命令進(jìn)行設(shè)備的拆裝操作，經(jīng)過深度融合，增強(qiáng)了課件的交互功能。

3 結(jié)語

三維實體虛擬仿真環(huán)境下的冷凝器拆裝課件解決了教學(xué)中的難題。通過三維技術(shù)創(chuàng)建虛擬設(shè)備，能彌補(bǔ)教學(xué)實體設(shè)備不能快速更新的問題，達(dá)到資源庫的最優(yōu)化；由于是仿真設(shè)備，可以使元器件和設(shè)備庫的建設(shè)降低成本，實現(xiàn)無限制的使用和復(fù)制，并減少人為損壞的可能性。所以，此課件的開發(fā)既對高校學(xué)生的實景訓(xùn)練、虛擬仿真產(chǎn)生積極影響，同時對研究和開拓三維仿真課件的新方法和新手段也具有重大的現(xiàn)實意義。

［1］ 劉孝剛．三維實體虛擬仿真環(huán)境下的壓縮機(jī)拆裝課件開發(fā)［J］船舶職業(yè)教育，2013（2）：15-19．

［2］ 高磊，李征濤，王芳.空氣源熱泵熱水機(jī)性能測試臺的研制［J］．制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2009（2）：6-25．

［3］ 邵雙全，石文星，陳華俊，等．制冷空調(diào)系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)綜述［J］．制冷與空調(diào)，2002，2（3）：10-13．