基于仿真技術(shù)的汽車專業(yè)課程教學(xué)研究與實(shí)踐*

侯軍興 文振華

【摘 ? 要】利用多款仿真軟件搭建了汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)，分別構(gòu)建了整車模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型和其他子系統(tǒng)模型，將其應(yīng)用到課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中，加深了學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摷鞍l(fā)動(dòng)機(jī)原理等專業(yè)課程的理解，提高了其科研創(chuàng)新能力，取得了良好理論與實(shí)踐教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】汽車工程;教學(xué)改革;仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1671-0568（2015）20-0017-02

基金項(xiàng)目：本文系河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14B470018）資助。

汽車工業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)的支柱，近年我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)從事車輛專業(yè)技術(shù)人才的需求也急劇增加。車輛工程專業(yè)是培養(yǎng)車輛領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造和性能研究的高級(jí)工程技術(shù)人才。汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、發(fā)動(dòng)機(jī)原理等課程是車輛工程的主要專業(yè)課程，目前主要采用先課堂講授教材理論知識(shí)，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。由于理論知識(shí)比較抽象和枯燥，受試驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，眾多學(xué)生進(jìn)行汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的時(shí)間較短，參與科研創(chuàng)新的時(shí)間更短，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)后仍然不能深入認(rèn)識(shí)和理解汽車專業(yè)知識(shí)，特別是涉及到技術(shù)前沿的內(nèi)容;即使有些學(xué)生較好地掌握了理論知識(shí)，但與實(shí)踐知識(shí)脫節(jié)，不能真正應(yīng)用到實(shí)際中，創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)。為了改善汽車專業(yè)課程的教學(xué)效果，同時(shí)減少投資昂貴的試驗(yàn)臺(tái)架，將數(shù)值仿真技術(shù)引入到理論和實(shí)踐教學(xué)中，利用多款仿真軟件建立了汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)，通過(guò)對(duì)整車模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型和零部件模型由整體到局部的構(gòu)建，參數(shù)輸入，模型調(diào)校和驗(yàn)證，最后進(jìn)行性能仿真分析，增加了教學(xué)的直觀性，并且通過(guò)學(xué)生自主進(jìn)行建模優(yōu)化、性能仿真分析，對(duì)車輛的詳細(xì)構(gòu)造，各系統(tǒng)參數(shù)及其對(duì)整車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響有了深入地了解，鞏固了專業(yè)知識(shí)，提高了科研創(chuàng)新能力，改善了理論和實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

一、汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)首先包括整車性能仿真分析平臺(tái)，該平臺(tái)基于Cruise軟件，可以進(jìn)行車輛基本性能和復(fù)雜條件下的性能分析與評(píng)價(jià)，先進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)研究等。它包括車輛組件、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、離合器組件、變速箱組件、主減速器組件、差速器組件、輪胎組件、駕駛室組件等。整車的輸入?yún)?shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù)、萬(wàn)有特性參數(shù)，變速箱檔位速比參數(shù)、后橋主減速比參數(shù)、輪胎參數(shù)和整車參數(shù)。利用Cruise建好仿真模型后需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，即在模型中輸入整車配置參數(shù)，計(jì)算得到仿真結(jié)果，如市區(qū)循環(huán)油耗和綜合油耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、最大爬坡度、最高車速和加速時(shí)間等動(dòng)力性指標(biāo)，然后將其與原車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，完善模型參數(shù)，當(dāng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差在允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明建立的模型是準(zhǔn)確可靠的。建立整車模型的操作簡(jiǎn)單，所用的車輛元件均已模塊化，可直接將元件拖入建模器窗口，再進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)總線連接、計(jì)算任務(wù)設(shè)定和數(shù)據(jù)的后處理分析;簡(jiǎn)單易學(xué)，非常適合本科階段的學(xué)生學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)生的建模可以使其了解掌握復(fù)雜的汽車結(jié)構(gòu)、理論設(shè)計(jì)和汽車動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性、外特性曲線以及傳統(tǒng)車輛、混合動(dòng)力車輛和純電動(dòng)車輛的區(qū)別，通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)輸入可以實(shí)時(shí)了解各參數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響規(guī)律，還可以進(jìn)行加速性能、循環(huán)油耗和牽引力計(jì)算等各種性能計(jì)算分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的基本專業(yè)技能和科研創(chuàng)新能力。

汽車仿真教學(xué)平臺(tái)其次包括發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析平臺(tái)，該平臺(tái)基于AWS軟件，主要包括Boost、Hydsim、Glide、Tycon和Excite，可以分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程循環(huán)模擬、噴油系統(tǒng)模擬、活塞運(yùn)動(dòng)及機(jī)油消耗模擬、配氣機(jī)構(gòu)模擬和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模擬等。以發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程循環(huán)模擬為例，建立某型號(hào)增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)的Boost模型，該模型可以模擬包括燃燒在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程，還可以在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。建立的模型中包括渦輪增壓器、中冷器、容積腔、氣缸、連接管道、測(cè)量點(diǎn)和系統(tǒng)邊界。在模型中輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑、沖程等具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，定義噴油器孔徑和孔數(shù)、噴孔流量系數(shù)和噴油規(guī)律。增壓器模型采用了簡(jiǎn)化模型，放熱模型采用AVL-MCC放熱模型，傳熱模型采用Woschni 1978傳熱模型。從發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型可以清楚地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程：大氣通過(guò)增壓器增壓后進(jìn)入進(jìn)氣道，隨后進(jìn)入各缸進(jìn)行燃燒，燃燒結(jié)束后進(jìn)入排氣道，再通過(guò)渦輪增壓器排入大氣。該模型具有友好的交互式圖形界面系統(tǒng)，具有基本發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模擬技術(shù)的學(xué)生可以在很短的時(shí)間內(nèi)掌握該軟件的所有功能。學(xué)生們可以根據(jù)自己學(xué)習(xí)研究的具體發(fā)動(dòng)機(jī)，從菜單中選擇出所需的單元拖到建模圖層上，用管道將它們連接起來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中的所有單元都連接好后，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)據(jù)、中冷器數(shù)據(jù)、渦輪增壓器數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)等，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定后，學(xué)生們就可以進(jìn)行各種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比、進(jìn)排氣系統(tǒng)和氣門(mén)尺寸等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和消音器設(shè)計(jì)的模擬。

二、汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

首先，汽車專業(yè)課程仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于課堂理論教學(xué)。汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)理論是一門(mén)綜合性學(xué)科，課程教學(xué)內(nèi)容涉及領(lǐng)域較多，如發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)和燃燒過(guò)程涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)和燃燒學(xué)等知識(shí)，十分復(fù)雜，學(xué)生課堂理解和掌握很困難。如果在課堂教學(xué)中加入仿真教學(xué)，一方面直觀地再現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧燃燒過(guò)程，另一方面比單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)形象和具體了，學(xué)生記憶知識(shí)點(diǎn)更容易。這樣不僅提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平和專業(yè)理論知識(shí)，還使他們了解了行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的專業(yè)仿真技術(shù)。其次，仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的了解和感性認(rèn)識(shí)。但是受試驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，學(xué)生們只能在有限的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能開(kāi)展大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成的內(nèi)部狀態(tài)不容易觀測(cè)及測(cè)量。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，學(xué)生們清晰的認(rèn)識(shí)了整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及各個(gè)部件的構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)形式及原理，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)理論知識(shí)指導(dǎo)基本實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助和加深了專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，互相促進(jìn)。再次，仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于專業(yè)課程設(shè)計(jì)。專業(yè)課程設(shè)計(jì)是理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)的綜合能力。例如《汽車設(shè)計(jì)》的課程設(shè)計(jì)，要求保證汽車動(dòng)力性的前提下設(shè)計(jì)的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性最好，學(xué)生需要對(duì)整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)橋和輪胎等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與匹配。通過(guò)各種方案的仿真分析、具體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和方案最終完成，使學(xué)生了解了汽車設(shè)計(jì)的程序和基本方法，為以后從事專業(yè)技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)，同時(shí)自主進(jìn)行的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能。

針對(duì)汽車技術(shù)更新快、測(cè)試設(shè)備昂貴，學(xué)生參與實(shí)踐和科研創(chuàng)新的時(shí)間短等問(wèn)題，利用多款專業(yè)仿真軟件構(gòu)建了汽車課程仿真教學(xué)平臺(tái)，將其應(yīng)用到課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中。學(xué)生利用該平臺(tái)可自主對(duì)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)和部件進(jìn)行建模和性能仿真分析。通過(guò)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐學(xué)習(xí)和綜合學(xué)習(xí)過(guò)程，一方面使其深入理解了汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摵桶l(fā)動(dòng)機(jī)原理等知識(shí);另一方面，提高了其計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，掌握了先進(jìn)的車輛仿真計(jì)算能力;激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了創(chuàng)新研究能力，取得了良好的理論和實(shí)踐綜合教學(xué)效果。

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（編輯：郝嬋）