摘 要

随着近年来对实验教学需求的不断增加，网络技术的不断发展，如何在远程，使用虚拟试验台进行实验教学已经成为一个热点问题。相比于传统的实验教学方式，虚拟试验台存在着价格低、维护与时间成本低、使用率高、简单直观、保证安全、能满足大量教学需要等优点。本文以WS-ZHT1型多功能转子教学系统为蓝本，进行虚拟试验台的开发，主要从三个实验入手，实现其功能，分别是：转子临界转速测量、转子结构变化对临界转速的影响与滑动轴承油膜涡动和油膜振荡。从而为提高教学质量、提高工作效率做出一定的贡献。

WS-ZHT1型多功能转子教学实验系统，是配备了数据采集仪、放大器、传感器及相关软件的一套完整的、为高校机械相关专业开发的，能够满足高校理论教学与实践教学的实验装置，除此之外，还能广泛应用于科研工作，能让学生通过直观的感受对理论知识进行实际应用，可以说是教学与科研不可或缺的试验系统。

本文借使用SolidWorks软件对WS-ZHT1 型多功能转子试验台进行建模，使用3ds Max软件转换格式后导入Unity3D虚拟仿真开发软件中，使用C#语言编辑脚本，对转子试验台进行仿真，并采用网页进行交互，发布为webGL格式嵌入网页中，使用Adobe Dreamweaver软件设计网页UI、使用JavaScript脚本完成实验曲线的拟合，从而实现虚拟试验台的转子临界转速测量、转子结构变化对临界转速的影响与滑动轴承油膜涡动和油膜振荡三个虚拟仿真实验。

关键词：虚拟试验台；转子实验；Unity3D；HTML/CSS；JavaScript

Abstract

With the continuous increase in the demand for experimental teaching and the continuous development of network technology in recent years, how to remotely use the virtual test bench for experimental teaching has become a hot issue. Compared with the traditional experimental teaching methods, the virtual test bench has the advantages of low cost, high efficiency, easy maintenance, simple and intuitive, guaranteeing safety, and meeting a large number of teaching needs. Based on the WS-ZHT1 multi-function rotor teaching system, this paper develops a virtual test bench for the experiments of the critical rotor speed measurement, the influence of the rotor structure change on the critical speed, the oil film eddy motion and the oil film oscillation of the sliding bearing. The teaching quality and the efficiency of work have made some contribution.

The WS-ZHT1 multifunctional rotor teaching experimental system is a complete set of equipment, amplifiers, sensors and related software developed for the university's mechanical related professional, and it can meet the theoretical teaching and practical teaching apparatus of the university. In addition, it can also be widely used in scientific research work, allowing students to practically apply theoretical knowledge through intuitive feelings. It can be said to be an indispensable test system for teaching and scientific research.

This article uses the modeling software SolidWorks to model the WS-ZHT1 multifunctional rotor teaching experiment system, uses the 3ds Max software conversion format to import the Unity3D engine development software, uses the C# language editing script, simulates the test bench, and targets web pages. The features of the interactive optimization, published as webGL format embedded in web pages, and use Adobe Dreamweaver software to design the web UI, using JavaScript script to complete the experimental curve fitting, in order to achieve the virtual test stand rotor critical speed measurement, rotor structure change critical The influence of the rotational speed and the three experimental teaching flow of the sliding bearing oil film whirl and oil film oscillation.

Key Words：Virtual Test Bench；Rotor Experiment；Unity3D；HTML/CSS；JavaScript;

目录

第1章 引言 1

1.1 设计背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 设计目的与内容 3

第2章 虚拟试验台仿真技术 4

2.1 虚拟试验台需求分析 4

2.2 虚拟仿真流程设计 4

2.3 实验原理 6

2.3.1 转子临界转速测量 7

2.3.2 转子结构变化对临界转速的影响 7

2.3.3 滑动轴承油膜涡动与油膜振荡 7

第3章 转子虚拟试验台系统设计及实现 9

3.1 使用Solidworks建立虚拟试验台 9

3.2 使用Unity3D设计实现虚拟试验台 12

3.3 网页设计实现 17

3.4 打包发布 24

第4章 总结和展望 25

4.1 设计总结 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致 谢 29

引言

1.1 设计背景与研究意义

实验是科学研究的基本方法之一。而实验教学，是指学生在教师的指导下，使用一定的设备和材料，通过控制条件的操作过程，引起实验对象的某些变化，从观察这些现象的变化中获得新知识或是验证知识的教学方法。

实验教学在传统教学活动中一直占有很大的比重，发挥着重要的作用。然而，其同样存在着一些缺陷。具体而言，传统的实验教学具有准备时间长、器材费用高、养护费时费力、无法满足大规模学习需要、具有一定危险性等缺点。随着教育的不断发展，传统的实验教学已经越来越难以满足教学需求。

随着近年来民用网络、无线网络与4G技术的飞快发展，越来越多的人开始通过网络进行工作、学习。高等教育也不例外。“网络能如此迅速获得成功的一个原因是，任何人都可以在互联网上访问的服务器上创建内容，任何人都可以从世界任何地方访问。^[1]”随着慕课网、Code Academy等国内外公开课网站的盛行，人们接触到高等教育的机会越来越多，信息也越来越透明。与传统教育相比，网络教育的优势在于摆脱了时间、地点的限制，可以随时学，随处学。可以说网络技术与虚拟化技术的出现，为实验教学提供了新的思路：虚拟试验。允许差异化，有机化和实现使用虚拟实验室标准和真实实验室标准相结合，可以优化和加强教育过程^[2]。虚拟实验能克服真实实验的种种弊端，有效解决目前实验教学中存在的种种问题。再加上我国人口基数庞大，实验器材紧缺，教育资源分配不均等问题的存在，将实验与网络技术、虚拟化技术相结合，已经成为一个刻不容缓的课题。而利用虚拟化技术可以开发仿真性非常高的虚拟实验环境，与传统实验环境相比，具有成本低、周期短、复杂度低、开放程度高、可以实现远程实验等优点。但是现实中很多情况无法预料，也无法模拟，因此虚拟实验也有它的不足。目前，将实验与网络技术相结合的主流方法为：首先对实验设备进行建模，使其虚拟化；其次对虚拟的实验设备进行仿真，达到接近或匹配实验真实环境的程度；再次针对实验的核心算法进行设计，根据不同类型的实验进行物理/化学/电信号等数据接收、发送或处理，力求还原真实；接着进行交互与UI设计，对电脑/手机等设备进行优化、改良；最后将其发布至网页平台。

本次毕业设计拟对WS-ZHT1型多功能转子试验台进行虚拟化开发，以缓解日益增长的教学需要与硬件资源不足、成本过高的矛盾。

Unity3D是Unity Technologies开发的多平台综合性开发工具，它不仅仅是一个引擎，更是一个高效的、上手简单、开发快速、支持全面的整合工具。它几乎支持目前市面上主流的所有平台，如Windows、Mac OS、Linux、Android、iOS、网页等等，以图形化操作界面为基础，结合C#或JavaScript语言进行脚本开发，能实现很强的扩展功能。因此，本次设计选择Unity3D作为主要开发工具。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

目前，我国的教学过程中只重视科学的基本理论的教育和传授，对于科学精神、科学与技术的关联等方面涉及较少^[3]。我国的虚拟实验研究和应用工作起步较晚，但受到教育界的高度重视，取得了较大的进步与发展。清华大学、中国科技大学、浙江大学、同济大学等各大高校相继投入了研发工作，其中清华大学的数字防灾与虚拟工程实验室采用了Multigen Vega、Multigen Creator、DI-Guy特效模块等虚拟现实软件进行开发，取得了良好的效果。

1.2.2 国外研究现状

虚拟实验最早由美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔弗(William Walf)教授在1989年提出，在国外已经得到了广泛的应用，研究深度和应用环境都较为成熟。在一篇外国文献中作者提到，Unity3D和Python开发的应用程序允许教师和学生创建和操作所研究的机器人模型的3D交互式表示^[4]。 这些工具的使用已被证明可以帮助学生提高对解决正向和反向运动学练习所需的几何变换和数学运算的理解。

这些应用中比较有代表性和受欢迎的有：

1. Newton虚拟教学软件

Newton是由DesignSoft公司设计开发的物理实验虚拟教学软件。具有模拟物理规律、实验设计、易于交互、扩展性强等特点。其丰富的接口使物理模型的构建更为真实，模型与模型之间的逻辑联系更为紧密，同时可以使用VRML语言进行脚本编写，以实现更为复杂的操作。

1. Learn Anytime Anywhere Physics物理实验室

Learn Anytime Anywhere Physics是基于网页端的，面向大众的虚拟物理实验系统。由Java Applet编写，对真实的物理系统、试验设备进行虚拟化仿真，同时具有留言功能，方便用户之间的学习交流与问题解答通过在服务器端记录用户的学习进度，该平台还开发了针对教师的个性化教学计划定制系统。

1.3 设计目的与内容

本文主要借助SolidWorks、Unity3D、Adobe Dreamweaver软件对WS-ZHT1型多功能转子试验台进行虚拟化开发，目的在于完善虚拟试验的教学模式、提高实验教学质量、满足日益增长的实验教学需求。

具体研究内容包括：

1. 对WS-ZHT1型多功能转子试验台进行结构分析，掌握其工作原理；
2. 使用SolidWorks对试验台进行零件与装配体建模；
3. 使用3ds Max软件将模型转换成Unity3D可以识别的格式（.fbx）；
4. 在Unity3D软件中对模型进行修改、添加控件及功能、设计UI；
5. 发布为webGL格式，嵌入网页中；
6. 对网页界面布局进行设计；
7. 实时曲线及输出曲线设计；

虚拟试验台仿真技术

2.1 虚拟试验台需求分析

该试验台的主要使用用户群体为老师与学生，因此针对该目标用户群体进行需求调研。

通过调研发现，目前的学生对虚拟试验台的需求包括：

1. 更加人性化的操作；
2. 安全、没有损害仪器的风险；
3. 有充分的时间学习、观察。

而老师的需求主要在于：

1. 不需要进行繁琐的维护；
2. 管理试验台方便；
3. 易于对学生进行教学；

而设计实现虚拟试验台需要用到SolidWorks、Unity3D、3ds Max、WebStorm、Adobe Dreamweaver等软件进行建模与代码的编写，从技术角度上来考量，用户需求完全可以实现。为了满足教学的需求，拟定虚拟试验台的主要功能如下：

1. 实现试验台的仿真；
2. 实现真实试验台的操作流程并进行改良；
3. 设计对人机交互友好的UI；
4. 设计完善的功能引导。

通过实现这些功能，满足学生与老师对教学的需求，摆脱传统试验台的种种不便。

2.2 虚拟仿真流程设计

根据虚拟仿真的特点以及Unity3D引擎特点，试拟定两套仿真流程，以不同程度实现预定功能。

1.使用Unity3D的物理引擎实现试验台功能，具体流程如下：

1. 分析试验台结构，对试验台进行建模；
2. 对完成的模型进行分析，实现其运动；
3. 通过脚本实现对试验台的控制；
4. 添加变量，实现试验台功能；
5. 采集数据，绘制曲线；
6. 输出曲线，分析报告。

2. 使用真实实验数据对试验台进行仿真，模拟试验台功能，具体流程如下：

1. 分析试验台结构，对试验台进行建模;
2. 对完成的模型进行分析，实现其运动；
3. 通过脚本实现对试验台的控制；
4. 导入数据，模拟试验台功能；
5. 输出数据，绘制曲线；
6. 输出曲线，分析报告。

比较两个方案可以看出，其流程大致相同，主要的区别在于如何实现试验台的功能。由于Unity3D物理引擎的限制，本次设计最终采用了方案2进行开发。具体分析见第三章Unity3D设计实现部分。

技术路线示意图如下：

图2.2.1 设计总体流程图

2.3 实验原理

试验研究是揭示故障发生的原因及其发展过程的重要手段和措施之一。通过试验，可以早期发现机械设备的故障，防止和避免事故的发生，还可以验证抑制振动的技术和方案的可靠性和可行性^[5]。因此对于试验原理的了解有着重要的意义。

2.3.1 转子临界转速测量

转子在转动时，随着转速的增加，转子的振动会逐渐增大，直到临界转速附近，产生共振，达到最大的增幅，通过临界转速后，振动会逐渐减弱。

真实试验台中，是通过在试验台支座上安装涡流传感器实现振幅的测量，安装转速传感器实现转速的测量。启动试验台后在电脑上观察转速与振动的波形，并使用软件进行曲线分析完成实验。

2.3.2 转子结构变化对临界转速的影响

本实验基本上与转子临界转速测量的原理相同，只需要改变转子的结构（改变转子位置）并记录数据即可。

2.3.3 滑动轴承油膜涡动与油膜振荡

油膜涡动是指滑动轴承受到动载荷时轴颈会随着载荷变化产生偏移，轴颈中心会相对于轴承中心产生一定偏移的位置运转。如果此时施加一个扰动力，轴颈中心会偏离原来的平衡位置。如果扰动能回到原来的平衡位置或者在一个新的平衡点保持，则此时轴承可以认为是稳定的，反之则不稳定。轴颈中心绕着平衡位置运动即称之为涡动。

油膜震荡是指机械转子常用的流体动压滑动轴承的设计存在问题时，当其开始高速旋转，轴承油膜会使转子产生剧烈振动，它与共振不同，不属于强迫振动，而是由轴承油膜引起的旋转轴自激振动。它可能达到共振甚至超过共振的振幅，容易使高速旋转的机械故障，造成轴承甚至机组被破坏，所以应当尽可能避免油膜振荡产生。

油膜振荡具有以下特征，可通过这些特征对其进行判断：

1. 油膜振荡的发生一般在于超过转子的一阶临界转速的两倍之后，它发生时，振幅将急剧增加，同时，增加转速也不会让振幅下降。
2. 发生油膜振荡时，轴心涡动频率通常为转子的一阶固有频率，振型为一阶振型。
3. 油膜振荡的轴心涡动方向与转子旋转方向相同，呈正向涡动。
4. 当转速小于一阶临界转速的两倍时，可能会发生半速涡动。它的频率是转速的一半。它的振幅较小，通常发生在高速轻载轴承的情况下。
5. 油膜振荡有惯性效应，油膜振荡在转速上升过程中的产生与下降过程中消失的转速不同。
6. 正常情况下，轴心按照一定轨迹运动，并在小范围内变化。但是油膜振荡刚发生尚不剧烈时，轴心轨迹图形为絮乱状态。当其发展激烈后，轨迹变化范围会剧烈增大。
7. 油膜振荡时，转轴会承担较大交变应力，其值为转轴旋转频率与轴心涡动频率之差。

为了避免油膜振荡的发生，可以从增大轴承负荷、降低润滑油的粘度、改变轴承间隙、改变轴承结构形式等方面入手。

转子虚拟试验台系统设计及实现

3.1 使用Solidworks建立虚拟试验台

SolidWorks是达索系统（Dassault Systemes S.A.）旗下的SolidWorks公司开发的，运行在微软Windows平台下的三维机械CAD软件。SolidWorks是热门的CAD软件之一：截至2011年第一季度，全球约有150多万工程师，设计师和约15万家公司是SolidWorks的用户。2010年其总收入达到4.17亿美元。其具有使用简单、功能强大、稳定、高效等特点。与UG、PROE等同类软件相比，Solidworks在绘制零件图、装配体上有一定优势，操作步骤较为简单，且绘制三维图方便快速。

SolidWorks是一个可靠的建模工具，它利用PTC（Creo / Pro-Engineer）最初开发的基于参数特征的方法来创建模型和装配。该软件是在Parasolid -kernel 上编写的。

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