1 虚拟实验
虚拟实验是指利用开放的互联网或者广泛的局域网开展各种教学实验，以调动学生学习兴趣，提高学习效率，培养创新能力为目标的学习活动。在虚拟实验中，学生可利用鼠标的点击、拖动，将计算机上各种虚拟仪器按实验要求和过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据的采集以及实验结果的模拟、分析等。
本研究所述的“虚拟实验”是指利用计算机软件技术实验平台，把一系列软件和硬件有机地结合起来，从而实现对真实实验操作和实验结果的计算机模拟仿真技术。这种虚拟实验是建立在真实实验的基础之上，对实验所使用的元器件、仪器设备进行计算机模拟，通过鼠标和键盘的操作，完成整个虚拟实验过程的。
虚拟实验以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计算机实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下几个特点：自主性、开放性和高效性。
在国内，虚拟实验的建设得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中科技大学机械学院工程测试实验室将虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学等高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
在国外，目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。
2 相关软件技术
Basic语言是20世纪60年代由JohnG．Kemeny和ThomasK untz发明的。它是一种非结构化语言，易于理解，易于学习。Visual Basic是一种可视化的，面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。在Visual Basic环境下，可以高效、快速地开发出Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。
Unigraphics软件(UG)起源于美国麦道飞机公司，二十世纪六十年代起成为商业化软件，被众多美国公司采用。如今，UG软件已经成为世界上一流的集成化CAD/CAE/CAM软件，广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家用电器等领域。许多著名公司均选用UG作为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。如美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机公司、英国宇航公司、惠普发动机公司等均以UG作为企业产品开发的软件平台。美国通用汽车公司是UG软件的最大用户。自1990年进入中国市场以来，UG软件在我国得到了越来越广泛的应用，已成为我国工业主要使用的大型CAD/CAE/CAM软件之一。
3 发动机结构及功能
发动机在工作过程中能输出动力，除了直接将燃料的热能转变为机械能的燃烧室和曲柄连杆机构外，还必须具有一些机构和系统予以保证，并且这些机构和系统是互相紧密联结和协调工作的。不同类型和用途的发动机，其结构和系统的形式不同，但其功用是完全一致的，发动机结构包括机体和汽缸盖、曲柄连杆机构、供给系、配气机构、点火系、冷却系、润滑系和启动装置等。
4 发动机各零/部件的建模
UG软件模块将基于约束的特征建模和显示几何建模方法紧密地结合成一体，使用户可充分运用集成于特征环境中的传统的实体、表面和线框造型的优势，方便地建立二维和三维线框造型、扫描和旋转实体、进行布尔运算及参数化编辑。它还提供用于快速、有效的概念设计的变量草图工具和用于一般建模和编辑任务的工具。
对于发动机而言，其组成部件就是各个零/部件，它把燃气作用在活塞上的力转化为曲柄的扭矩，以向工作机械输出机械能从而实现发动机的功用，而发动机零/部件建模的关键也在于曲柄连杆机构实体模型的建立。采用UG建立发动机各个零/部件的模型如图1所示。
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图1 发动机零部件
5 发动机各零/部件的虚拟装配
装配模块UG/Assembly是UG集成环境中的一个模块，用于实现将零件(或部件)的模型装配成一个最终的产品模型，或者从装配开始产品的设计。与产品的实际装配过程不同，UG的装配模块是一种虚拟装配。将一个零件(或部件)模型引入到一个装配模型时，并不是将该零件(或部件)模型的所有数据“复制”或“移动”过来，而只是建立装配模型与被引用零件(或部件)模型文件之问的引用(或链接)关系，即有一个指针从模型指向被引用的每一个零件(或部件)。一旦被引用的零件(或部件)模型被修改，其装配模型也会随之更新。
发动机各影部件模型建立后，需要对发动机各机构影部件模型进行虚拟装配，包括曲柄连杆机构、机体组和配气机构等，使各个零／部件不再是一个个的小的零件，而是要建立起发动机各机构系统的整体模型，使其成为一个整体，为所要进行的运动仿真搭好平台。
最终形成的发动机曲柄连杆配气机构和总体结构装配图如图2、图3所示。
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图2 曲柄连杆及配气机构 图 3 发动机总体机构的装配
6 发动机各机构的运动仿真
虽然建立了发动机各机构的装配模型，但是却不能将发动机曲柄连杆机构和配气机构的运动清晰地表现出来，这就需要建立发动机各机构的运动仿真，使各机构工作原理和过程清晰地表现出来。
运动分析方案的建立是进行运动仿真的关键。在UG中，运动分析方案的创建在Motion模块中进行，分三个步骤进行：创建连杆；创建运动付；定义运动驱动。
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图4 曲柄连杆及配气机构运动仿真
发动机曲柄连杆机构和配气机构运动分析方案已经设置好，如图4所示，这时可以进行运动仿真，再选择复选框J1单击向前步进按钮，即可看到机构运动情况。
7 发动机虚拟实验的用户化
建立了发动机各个零/部件实体模型，并进行装配和运动分析，只是完成了发动机虚拟试验的一部分，所要做的工作最终是为了方便利用、方便教学，不可能每次观看发动机结构和分析工作原理的时候都要进人到UG工作界面中，所以对前面所做工作进行整理和编辑是不可缺少的工作，这里主要采用VB进行适当编程，从而真正实现发动机虚拟实验的用户化，具体过程如下。
1)将UG界面下所产生的*.part文件以*.wrl格式进行导出。
2)下载VRML浏览器插件.。
3)采用VB进行适当编程，创建控件，实现用户化。
在用户化界面中，使用者只需在确定安装目录与程序一致的前提下，打开Forml文件，便会呈现图5所示的界面，这时用户只需点击界面中任何一个按钮，便可以从上面的窗口中看到所要查看的对象，其中包括发动机各零/部件及其装配图，也可以清晰地看到曲柄连杆机构和配气机构工作原理。
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图5 用户化界面的最终实现
8 结语
该系统在UG平台上建立了汽车发动机专用CAD系统，本课题首先应用UG软件对发动机实体零/部件进行建模；在保证装配关系正确的情况下，对UG建立起来的实体装配模型通过调入UG运动分析模块，对发动机各机构进行运动仿真，从而将各机构的工作原理清楚地表现出来。
将UG工作界面下的*.part文件格式改变为*.wrl文件格式，然后下载浏览器，再采用VB语言编程对浏览器进行控件的编辑从而实现用户化。因此，该系统实现了汽车发动机虚拟实验的基本目的，可用于课堂实验的教学，是一种切实可行的方法。
由于系统是建立在UG平台上的，实质上将通用CAD系统与VB语言系统共同处于统一结构下，相互协调工作，从而使建立起来的汽车发动机虚拟实验促进了实践教学效率和水平的提高，并为其他虚拟实验研究提供切实可行的经验与方法。
