軟件仿真技術(shù)在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

杜 峰，關(guān)志偉，劉春輝

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

軟件仿真技術(shù)在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

杜 峰，關(guān)志偉，劉春輝

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

為了克服汽車?yán)碚摻虒W(xué)中實(shí)驗(yàn)課程難以完全開展的不足，提出了利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)來促進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的建議。針對課程的特點(diǎn)，研究了將AVL/Cruise仿真軟件引入汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，探討了軟件可實(shí)現(xiàn)的功能、對學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助程度以及實(shí)際的教學(xué)效果。實(shí)踐證明：該仿真平臺能夠增加汽車專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對汽車?yán)碚摰恼J(rèn)識水平和理解深度，適合在汽車專業(yè)汽車?yán)碚撜n程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣應(yīng)用。

Cruise仿真；汽車?yán)碚?；?dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性；教學(xué)實(shí)驗(yàn)

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，我國汽車產(chǎn)銷已連續(xù)五年蟬聯(lián)全球第一，成為汽車第一生產(chǎn)大國。但相關(guān)數(shù)據(jù)也表明，我國的民族品牌汽車仍然存在著自主研發(fā)能力弱、核心技術(shù)缺乏、專業(yè)人才匱乏、自主創(chuàng)新與持續(xù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)差等諸多問題，這表明我國離真正的世界汽車強(qiáng)國仍有巨大差距。其中，汽車從業(yè)人員數(shù)量偏少、知識陳舊、整體技術(shù)素質(zhì)較低是造成我國汽車產(chǎn)業(yè)落后的主要原因之一。為了改善這種情況，開設(shè)車輛專業(yè)的各個(gè)高校及職業(yè)院校有必要作出如下應(yīng)對:增加汽車專業(yè)學(xué)生的招生量，加大對汽車從業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)；緊跟國際汽車技術(shù)發(fā)展新趨勢，不斷更新專業(yè)教學(xué)內(nèi)容；采取理論與實(shí)踐并舉，動(dòng)腦與動(dòng)手相結(jié)合的教學(xué)舉措等[1-2]。對于汽車專業(yè)學(xué)生而言，《汽車?yán)碚摗放c《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》是2門非常重要的專業(yè)核心課程，學(xué)好這2門課程，對于學(xué)生在今后工作中的工程實(shí)踐、科學(xué)研究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有非常重要的作用，也決定了學(xué)生今后在本專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。但這2門理論課程都具有學(xué)起來抽象難懂、教起來手段單一的教學(xué)特點(diǎn)，課程中涉及到不少公式及其分析推導(dǎo)過程，仍需要板書演算方能達(dá)到最好的效果，而不像其他專業(yè)課程那樣可以采用掛圖、動(dòng)畫、視頻等多媒體輔助教學(xué)手段[3]。此外，這2門課程還需要學(xué)生具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，譬如《理論力學(xué)》、《高等數(shù)學(xué)》及《工程熱力學(xué)》等前期專業(yè)基礎(chǔ)課的知識儲(chǔ)備。針對以上課程特點(diǎn)，為了提高教學(xué)效果，最有效的措施便是加大汽車試驗(yàn)的力度，通過學(xué)生的親身操作與數(shù)據(jù)采集，來直觀地體現(xiàn)車輛各種性能變化與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，解釋車輛實(shí)際行駛過程中所遇到的不同現(xiàn)象等。但受到各學(xué)校試驗(yàn)條件的限制以及基于安全性等方面的考慮，汽車試驗(yàn)在院校理論教學(xué)中普遍展開還有難度。這種情況下，采用車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件AVL/Cruise進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬來幫助學(xué)生加深課堂知識與試驗(yàn)結(jié)果的理解便是一種非常有效的輔助教學(xué)方法，尤其是對于將來要直接從事車輛設(shè)計(jì)與制造工作的車輛工程專業(yè)的學(xué)生，則意義更為深遠(yuǎn)。本文對AVL/Cruise仿真軟件引入汽車?yán)碚搶?shí)踐教學(xué)的可行性進(jìn)行了分析，并探討了該軟件在實(shí)際教學(xué)中可實(shí)現(xiàn)的功能以及實(shí)際教學(xué)效果。

1 AVL/Cruise整車仿真軟件的功能簡介

Cruise是奧地利李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司開發(fā)的研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的仿真分析軟件，其模塊化建模理念使用戶可以方便地建立各種不同結(jié)構(gòu)形式的車輛模型，并采用完善的求解器保證計(jì)算的快速性。Cruise仿真平臺通過其便捷通用的模型元件、直觀易懂的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及基于工程應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)的建模流程和軟件接口，已經(jīng)成功地在整車生產(chǎn)商和零部件供應(yīng)商之間搭建起了溝通的橋梁。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段，利用Cruise軟件進(jìn)行車輛性能的仿真分析，很容易達(dá)到車輛系統(tǒng)開發(fā)的3方面目標(biāo):找到符合客戶需求的車輛不同性能間的“最佳平衡”；尋求滿足設(shè)計(jì)要求的不同系統(tǒng)和零部件之間的“合理組合”；實(shí)現(xiàn)開發(fā)過程中所需開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本的“有效降低”。概括而言，Cruise軟件具有如下功能[4]:①對車輛的基本性能進(jìn)行分析和評價(jià)；②對車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配及參數(shù)優(yōu)化（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎的選型及匹配優(yōu)化）；③對概念性新車進(jìn)行評價(jià)（如:純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車、燃料電池車等）；④先進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分析評價(jià)（自動(dòng)變速器換擋控制策略的生成及優(yōu)化等）；⑤車輛零部件子系統(tǒng)的特性分析；⑥復(fù)雜條件下的車輛性能研究（包括“軟件在環(huán)”直到“硬件在環(huán)”的實(shí)驗(yàn)測試等）。

Cruise軟件具有以下特點(diǎn)[4]:①采用模塊化建模理念，早期建模階段所需參數(shù)較少，車輛模型的搭建過程簡捷易懂，在短時(shí)間內(nèi)可以便捷地改變車輛結(jié)構(gòu)布置形式，且伴隨開發(fā)過程的不斷深入，整個(gè)模型會(huì)不斷完善。②內(nèi)置有大量電氣部件，可以用于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)開發(fā)，也可以快速便捷地將傳統(tǒng)車輛改變?yōu)榛旌蟿?dòng)力汽車。③可以快速實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)概念（AMT、DCT，…），便于車輛控制系統(tǒng)的開發(fā)和研究。④軟件提供與Oracle系統(tǒng)的接口，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。⑤內(nèi)置大量的計(jì)算任務(wù)，可以進(jìn)行多元件多任務(wù)的匹配優(yōu)化計(jì)算等。

在汽車專業(yè)的教學(xué)中，Cruise的典型應(yīng)用是在車輛傳動(dòng)系和發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中，用于計(jì)算和優(yōu)化車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和車輛的動(dòng)力性（原地起步加速能力、超車加速能力）、變速箱速比、制動(dòng)性能以及為應(yīng)力計(jì)算和傳動(dòng)系的振動(dòng)生成載荷譜等等。這些內(nèi)容涉及汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摰群诵恼n程的重點(diǎn)內(nèi)容，是本科學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識。如果通過學(xué)習(xí)實(shí)踐，學(xué)生能夠利用Cruise軟件熟練搭建整車模型，正確選擇車輛各項(xiàng)仿真參數(shù)，合理設(shè)定求解目標(biāo)并順利完成解算任務(wù)，對相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)或圖表給出合理的解釋與分析，對于學(xué)生熟悉汽車構(gòu)造、加深對車輛動(dòng)力學(xué)及各種性能的理解有很大幫助。

2 AVL/Cruise仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

汽車的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車最重要的2個(gè)基本性能，動(dòng)力性決定了汽車的平均行駛速度，決定著汽車運(yùn)輸效率的高低；燃油經(jīng)濟(jì)性決定著車輛使用成本的多少，尤其是在能源日益緊張的今天則更為重要。但動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性在車輛設(shè)計(jì)中是一對矛盾，為了增加動(dòng)力性，就要選擇更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而造成燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化[5]。現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中，通常會(huì)在設(shè)計(jì)前期通過計(jì)算對車輛動(dòng)力裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，采用性能折衷的方法來同時(shí)兼顧二者的基本要求，即在保證動(dòng)力性基本要求的前提下，盡可能增加變速器擋位數(shù)，并優(yōu)化其傳動(dòng)比，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[6]。下面列舉一個(gè)利用Cruise軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力裝置與傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配的具體實(shí)例，該實(shí)例對幫助學(xué)生加深理解《汽車?yán)碚摗氛n程前3章的內(nèi)容有非常重要的作用。

實(shí)例選用一中型轎車，為獲得合理的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，分別選用了1種發(fā)動(dòng)機(jī)、2種5擋手動(dòng)變速器（各擋速比不同）、3種主減速器（速比分別為i0=2.85、3和3.75），總計(jì)6種動(dòng)力傳動(dòng)裝置的組合，而仿真分析的目的則是從這6種組合中優(yōu)選出最佳的匹配。

利用Cruise軟件最終建立的整車模型如圖1所示。整車及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示，所選2種變速器的傳動(dòng)比如表2所示。通過在軟件中進(jìn)行任務(wù)設(shè)置和矩陣仿真計(jì)算，最終可得到各項(xiàng)性能仿真結(jié)果如表3所示。2種性能仿真曲線實(shí)例如圖2和圖3所示。

圖1 Cruise搭建的手動(dòng)前驅(qū)中型轎車模型

表1 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 手動(dòng)變速器2種方案傳動(dòng)比

表3 車輛性能Cruise仿真結(jié)果

從表3中可以看出，若單純追求動(dòng)力性，則A-3.75與B-3.75的傳動(dòng)系統(tǒng)匹配相對比較理想。如果希望汽車的最高車速、超車加速能力（最高擋60km/h→140 km/h）與爬坡能力都強(qiáng)一些，則可選A-3.75的組合；若希望車輛的原地起步加速能力（0→vmax）、超車加速能力與爬坡能力都不錯(cuò)的話，則可選B-3.75的組合。若單從經(jīng)濟(jì)性角度而言，在3種車速下，各種匹配的等速行駛油耗差別都不大，再參考循環(huán)行駛工況的油耗，則B-2.85的組合最為理想。如果動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性兩方面都要兼顧，即在保證動(dòng)力性的前提下，希望車輛的經(jīng)濟(jì)性要盡量好，則在A-3.75與B-3.75的兩種組合中，只能選B-3.75的組合。通過上述分析可以看出，針對車輛設(shè)計(jì)中追求的目標(biāo)不同，通過仿真計(jì)算可以給設(shè)計(jì)者提供技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。如果再結(jié)合專業(yè)知識，針對各項(xiàng)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析其形成因素，必然會(huì)加深對理論學(xué)習(xí)的理解，增進(jìn)其工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

圖2 原地起步連續(xù)換擋加速曲線

圖3 循環(huán)工況油耗曲線

從以上仿真實(shí)例可以看出，Cruise軟件的學(xué)習(xí)難度小、上手快，是一種非常適合本科生快速掌握的分析軟件，它可以幫助學(xué)生深入理解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的各種理論特性、性能指標(biāo)與控制策略等，這使原本比較枯燥的理論教學(xué)通過數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的方式變得形象、生動(dòng)和直觀，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生處理實(shí)際問題的技能，為車輛專業(yè)的畢業(yè)生在今后從事該領(lǐng)域設(shè)計(jì)研究工作打下了良好的基礎(chǔ)，而對于那些立志于考研深造的同學(xué)也有極大的幫助。

同樣，教師如果在《汽車?yán)碚摗坊颉栋l(fā)動(dòng)機(jī)原理》的教學(xué)中，利用該軟件建模來表達(dá)復(fù)雜的汽車結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型和理論特性，并通過實(shí)時(shí)改變參數(shù)得到不同的結(jié)果來方便地了解各參數(shù)的影響規(guī)律（尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的各種特性、不同動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配效果以及換擋控制規(guī)律等），則能夠幫助學(xué)生對本專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容理解掌握得更加深入透徹。

3 AVL/Cruise仿真軟件在教學(xué)中的實(shí)施效果

3.1 考試成績統(tǒng)計(jì)

課程組已連續(xù)3屆在《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)過程中有意識地引導(dǎo)學(xué)生使用AVL/Cruise仿真軟件來加深理解并完成課程作業(yè)。為了準(zhǔn)確評價(jià)引入Cruise軟件后的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，課程組在總結(jié)學(xué)生作業(yè)完成情況、理論考核情況的基礎(chǔ)上，對3屆學(xué)生最終綜合考核成績進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 《汽車?yán)碚摗房己顺煽兘y(tǒng)計(jì) %

從表4可以看出，3屆學(xué)生成績中的“優(yōu)、良”所占比例在逐年上升，而“中”在逐年下降，第2與第3屆學(xué)生成績“差”的比例基本持平，但相對第1屆都有大幅下降。學(xué)生成績優(yōu)良率的逐年增長一方面體現(xiàn)了教師在指導(dǎo)學(xué)生使用Cruise軟件方面的經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，更重要的是體現(xiàn)了該軟件對幫助學(xué)生理解汽車的基本理論與各項(xiàng)性能確實(shí)起到了明顯的作用。第2屆相對于第1屆學(xué)生中“差”成績比例的下降，也表明該軟件對一些學(xué)習(xí)中基礎(chǔ)薄弱、理解困難但學(xué)習(xí)努力的學(xué)生起到了輔助作用，促進(jìn)了他們對該門課程的認(rèn)知水平。至于第2與第3屆中“差”成績比例基本相同，這是由每屆學(xué)生中總有部分學(xué)生學(xué)習(xí)不努力造成的。3.2 學(xué)生調(diào)查統(tǒng)計(jì)

為了準(zhǔn)確評價(jià)引入軟件仿真代替實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，課程組對第3屆學(xué)習(xí)該門課程的班級進(jìn)行了問卷調(diào)查。結(jié)果表明:認(rèn)為這種教學(xué)模式有利于思維能力提高的學(xué)生占87.7%，認(rèn)為理解能力有提高的占89.1%，認(rèn)為實(shí)踐能力有提高的占92.4%，模式認(rèn)可度占94.2%。這些數(shù)據(jù)說明學(xué)生對采用Cruise仿真平臺來替代《汽車?yán)碚摗凡糠謱?shí)驗(yàn)教學(xué)的模式給予了充分肯定。

3.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)

課程組老師在2屆車輛工程專業(yè)畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，也有意識地選取了部分學(xué)生從事利用Cruise軟件進(jìn)行車輛性能仿真、動(dòng)力系統(tǒng)匹配、傳動(dòng)裝置參數(shù)選取以及電動(dòng)車設(shè)計(jì)等方面的研究課題。這些課題更接近于工廠中的實(shí)際項(xiàng)目，真正能起到練兵、提高工程技能的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2屆中共有8名學(xué)生選擇了這方面的課題，最終有6名同學(xué)的畢業(yè)論文取得優(yōu)良以上成績。這8名同學(xué)中有4人參加了當(dāng)年的研究生入學(xué)考試，專業(yè)課都選取《汽車?yán)碚摗愤@門課程，最終有3名學(xué)生順利升入了不同的高校得以繼續(xù)深造。雖然統(tǒng)計(jì)人數(shù)比較少，但從這8名學(xué)生的學(xué)習(xí)效果看，使用Cruise軟件確實(shí)對《汽車?yán)碚摗氛n程的學(xué)習(xí)起到了較明顯的幫助作用。

4 結(jié)束語

通過上述分析和實(shí)踐結(jié)果證明，與其他車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件相比，AVL/Cruise軟件更易于本科生學(xué)習(xí)使用。利用它進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠克服實(shí)驗(yàn)人員、場地設(shè)備等條件的限制，加深學(xué)生對《汽車?yán)碚摗氛n程中的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和平順性等實(shí)驗(yàn)的理解水平，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。對于教師教學(xué)而言，該仿真平臺難度適中，非常適合在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣應(yīng)用。調(diào)查結(jié)果也證明，利用AVL/Cruise軟件仿真平臺來替代《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)中的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的積極性，提高其自主學(xué)習(xí)能力，改善學(xué)生的思維能力與實(shí)踐能力。無論對優(yōu)秀生、中等生還是落后生的學(xué)習(xí)都能起到幫助作用，輔助學(xué)習(xí)效果顯著。

［1］張學(xué)軍，王鎖萍.全面改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（1）:4-6．

［2］朱禮貴，王永凱.汽車專業(yè)理論與實(shí)踐教學(xué)一體化改革[J].黑龍江交通科技，2011（5）:80.

［3］隗寒冰，李軍.基于AVL/Cruise仿真平臺的汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].科技信息，2010（29）:584-585.

［4］朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動(dòng)汽車匹配計(jì)算與仿真[J].新能源汽車，2012（9）:11-15.

［5］余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［6］倪計(jì)民，陳源.MATLAB軟件在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系匹配計(jì)算中的應(yīng)用[J].上海汽車，2003（1）:24-27.

Application practice of software simulation in course teaching of automotive theory

DU Feng，GUAN Zhi-wei，LIU Chun-hui
（School of Automobile and Transportation,Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to overcome the lack of experimental courses in the teaching of autmobile theory,the computer simulation techniques is proposed to promote the reform of experimental teaching reform.Accrding to the teaching practice features of automobile theory course,the possibility of introducing the AVL/Cruise software into the experimental teaching of automobile theory is studied,the software functions,the helping degree to students and the actual teaching effectiveness are also discussed.Practice proves that this simulation platform can be used to increase learning motivation of students,improve the level of awareness and the depth of understanding to automobile theory,and is suitable for application in the undergraduate experimental teaching.

cruise simulation;automobile theory;dynamic performance;economy;teaching experiment

G712；U46

A

2095－0926（2015）02－0058－05

2015-04-21

杜 峰（1970—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槠嚴(yán)碚撆c汽車試驗(yàn)技術(shù).