虛擬樣機(jī)技術(shù)在新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的必要性探討

孫效杰

摘要：隨著高速鐵路、城軌交通的快速發(fā)展及國(guó)家“一帶一路”倡議的實(shí)施，機(jī)車(chē)車(chē)輛一線(xiàn)工程技術(shù)人才的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，一大批本科院校相繼新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)。本文首先列舉了新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)在理論與實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)技術(shù)在專(zhuān)業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用方案，最后歸納闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值：擴(kuò)展專(zhuān)業(yè)教學(xué)手段，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件不足。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；機(jī)車(chē)車(chē)輛；專(zhuān)業(yè)教學(xué)；實(shí)踐課程

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）14-0162-02

一、引言

我國(guó)目前處于高速鐵路、城際軌道交通、城市軌道交通高速發(fā)展階段。預(yù)計(jì)到2020年，250公里/小時(shí)以上鐵路建設(shè)里程將超過(guò)1.8萬(wàn)公里，占世界高速鐵路總里程的一半以上；城市軌道交通線(xiàn)將超過(guò)6000公里，其中截止到20017年底，上海市城軌交通運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)666公里（含磁?。?，預(yù)計(jì)到2020年將超過(guò)830公里。另外，我國(guó)“一帶一路”倡議的實(shí)施，正在逐步向國(guó)外輸出軌道交通工程項(xiàng)目。高速鐵路和城軌交通的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了地方本科院校興辦軌道交通專(zhuān)業(yè)的熱情，其中包括機(jī)車(chē)車(chē)輛作為應(yīng)用型本科特色專(zhuān)業(yè)受到追捧。然而地方高校在實(shí)際辦學(xué)中，機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)一方面必須非常注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)面向一線(xiàn)站段的、應(yīng)用型性的、本科水平的技術(shù)人才要求，另外一方面卻面臨著實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)間短、資金不足，實(shí)踐教學(xué)條件有限的難題。機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)成為限制新辦專(zhuān)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)[1]。

二、新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的困境

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件問(wèn)題。機(jī)車(chē)車(chē)輛是一個(gè)依托軌道交通行業(yè)的特殊專(zhuān)業(yè)。與老牌鐵路院校或鐵路職業(yè)院校多年辦學(xué)不同，地方高校新辦專(zhuān)業(yè)時(shí)，其基礎(chǔ)一窮二白。除師資外，最缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地及器材等硬件，不說(shuō)機(jī)車(chē)車(chē)輛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、綜合實(shí)驗(yàn)線(xiàn)等大型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，甚至連基礎(chǔ)的高速鐵路和城市軌道車(chē)輛教具、模型都不齊全。這是因?yàn)闄C(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般功能單一，如典型的轉(zhuǎn)向架模型、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引傳動(dòng)等演示教學(xué)類(lèi)設(shè)備，基本無(wú)法應(yīng)用于科學(xué)研究，另外價(jià)格昂貴，院校經(jīng)費(fèi)投入比較大，建設(shè)周期比較長(zhǎng)，這些會(huì)嚴(yán)重制約專(zhuān)業(yè)的快速發(fā)展。另外在培養(yǎng)模式上，地方院校新辦機(jī)輛專(zhuān)業(yè)以“重基礎(chǔ)、寬口徑”為出發(fā)點(diǎn)，面向高速鐵路和城市軌道交通兩個(gè)既有統(tǒng)一性、又有突出不同點(diǎn)的就業(yè)方向。這對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件提出了更高的要求，需要同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)不同就業(yè)方向。

2.校外實(shí)訓(xùn)基地不足。以“培養(yǎng)卓越一線(xiàn)工程師”為導(dǎo)向的新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)，校外實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)在整個(gè)課程體系建設(shè)中的作用尤為重要，是解決校內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺，大部分設(shè)備偏教學(xué)演示，學(xué)生接觸實(shí)際系統(tǒng)不足難題的重要手段。然而，由于機(jī)車(chē)車(chē)輛作為非常專(zhuān)業(yè)且相對(duì)獨(dú)立的行業(yè)，使得新辦專(zhuān)業(yè)院校在拓展校外實(shí)訓(xùn)基地時(shí)會(huì)遇到很大困難，主要是因?yàn)椋菏紫龋瑱C(jī)車(chē)車(chē)輛緊密相關(guān)的企業(yè)單位是數(shù)量不多的大型國(guó)企、央企，新辦專(zhuān)業(yè)的院校與它們交流、合作的基礎(chǔ)薄弱，建設(shè)與落實(shí)學(xué)生聯(lián)合培養(yǎng)、實(shí)訓(xùn)基地等方面需要克服較多困難，周期較長(zhǎng)；其次，機(jī)車(chē)車(chē)輛實(shí)踐基地具有繁重的日常運(yùn)維或生產(chǎn)制造工作，安排學(xué)生大規(guī)模、長(zhǎng)期的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目存在一定的困難。

三、虛擬樣機(jī)技術(shù)在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中應(yīng)用

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介。虛擬樣機(jī)（VP，Virtual Prototyping）技術(shù)作為一種全新的、面向產(chǎn)品全壽命周期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化和生產(chǎn)的數(shù)字化研發(fā)方法，具有方案模擬水平高、可重復(fù)性好、修改與優(yōu)化方便等優(yōu)勢(shì)，可縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的成本，已在各行各業(yè)中研發(fā)體系內(nèi)扮演著重要角色，并逐步滲透到專(zhuān)業(yè)教學(xué)中。

2.課程教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析及方案改進(jìn)優(yōu)化，內(nèi)容包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。在機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)實(shí)際教學(xué)中，虛擬樣機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用課程包括：（1）機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程?？衫肕SC.ADAMS的物體、力、鉸接等元件，建立彈簧振子、連桿等機(jī)構(gòu)，學(xué)習(xí)約束、驅(qū)動(dòng)、自由度等概念；使用凸輪、齒輪、軸承、帶、鏈、繩索等機(jī)械包組件，可以搭建虛擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作，設(shè)計(jì)、修改機(jī)械部件，學(xué)習(xí)機(jī)械傳動(dòng)原理，多次重復(fù)觀察如齒輪嚙合、滾動(dòng)接觸、振動(dòng)沖擊等復(fù)雜、難懂的物理現(xiàn)象。[2，3]（2）機(jī)車(chē)總體及走行部、城軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)與原理、動(dòng)車(chē)組運(yùn)用與維修等?？墒褂肬G，CATIA等三維CAD軟件制作零部件圖、裝配圖、爆炸圖等圖片、動(dòng)畫(huà)課件，詳細(xì)展示輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架、車(chē)體等復(fù)雜軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)，配合模型教具，便于學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)與原理；可設(shè)計(jì)虛擬裝配、維修實(shí)踐課程，使得學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)結(jié)構(gòu)拆裝、維修，為到動(dòng)車(chē)所、地鐵車(chē)輛維保等單位工作奠定基礎(chǔ)。（3）列車(chē)牽引、機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、綜合實(shí)踐等?？墒褂肕SC/ADAMS，SIMPACK等動(dòng)力學(xué)軟件，具有友好的操作界面。在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握振動(dòng)與動(dòng)力學(xué)操作界面，學(xué)習(xí)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)后，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作練習(xí)，可以建立各類(lèi)機(jī)械構(gòu)件、機(jī)車(chē)車(chē)輛的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，獲得對(duì)象的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)。典型仿真試驗(yàn)包括：車(chē)輛/輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)、臨界速度仿真試驗(yàn)，車(chē)輛/列車(chē)舒適性、平穩(wěn)性、安全性仿真試驗(yàn)，列車(chē)牽引、制動(dòng)仿真試驗(yàn)。這些仿真試驗(yàn)不僅可以在機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)課中穿插使用，展示動(dòng)力學(xué)相關(guān)概念及知識(shí)，而且可以作為專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐（轉(zhuǎn)向架測(cè)試綜合實(shí)踐和機(jī)車(chē)車(chē)輛綜合實(shí)踐）的一部分，補(bǔ)充試驗(yàn)條件上的不足。[4]使用虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在軌道車(chē)輛教學(xué)中，可強(qiáng)化對(duì)課本理論知識(shí)的理解，可以用于結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并培養(yǎng)動(dòng)手的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維

3.虛擬樣機(jī)應(yīng)用在教學(xué)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（1）教學(xué)與實(shí)驗(yàn)成本降低。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的低成本的優(yōu)勢(shì)，一些實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備價(jià)格高昂，如車(chē)輛牽引制動(dòng)試驗(yàn)、列車(chē)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，這些完全可以借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成。在課程教學(xué)中不用購(gòu)置實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置，也不存在設(shè)備損壞、折舊的風(fēng)險(xiǎn)，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，實(shí)驗(yàn)成本低廉。（2）實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課程可重復(fù)性高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性好，方便指導(dǎo)老師同時(shí)指導(dǎo)多組學(xué)生同時(shí)操作實(shí)驗(yàn)。（3）功能強(qiáng)大、組合靈活。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般功能單一，而虛擬樣機(jī)技術(shù)功能強(qiáng)大，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)、科研需要模擬各類(lèi)實(shí)際工況，開(kāi)展從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)原理觀察實(shí)驗(yàn)到復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，組合靈活多樣，可滿(mǎn)足不同年級(jí)、不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生教學(xué)應(yīng)用。（4）無(wú)危害人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)在實(shí)踐課程中的學(xué)生安全問(wèn)題一直比較棘手，由于在鐵路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行集中實(shí)踐教學(xué)時(shí)指定老師難以照顧到每一個(gè)學(xué)生，人身安全隱患較大，使得動(dòng)手實(shí)踐內(nèi)容與質(zhì)量大打折扣。虛擬樣機(jī)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上模擬，可有效解決在鐵路現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)驗(yàn)人員的安全問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

地方院校機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的目標(biāo)定位與傳統(tǒng)鐵路優(yōu)勢(shì)高校是錯(cuò)位的，其培養(yǎng)的畢業(yè)生主要是面向鐵路車(chē)輛運(yùn)用、維護(hù)與檢修的一線(xiàn)工程師，學(xué)生的動(dòng)手與實(shí)踐能力要求比較高。然而，作為地方院校新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)，因?qū)I(yè)建設(shè)周期短、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備投入不足，在教學(xué)和科研的教具實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)線(xiàn)及校外實(shí)踐基地等方面一般存在不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘玉娜.淺談地方本科院校新辦機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)[J].課程教育研究，2013，（31）：227-228.

[2]董振，唐治宏.虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育觀察，2018，（3）：76-79.

[3]張偉.機(jī)械原理教學(xué)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2014，（2）：152-153.

[4]路永婕，鄭明軍，王軍.虛擬樣機(jī)技術(shù)在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].科技資訊，2015，（31）：177-178.