計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用

周紅妮 王保華 馮 櫻

湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院 湖北十堰 442002

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用

周紅妮 王保華 馮 櫻

湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院 湖北十堰 442002

汽車?yán)碚撌擒囕v工程等相關(guān)專業(yè)一門重要的核心課程。傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，影響了課程的教學(xué)效果及學(xué)生能力的培養(yǎng)。結(jié)合汽車?yán)碚撜n程的教學(xué)內(nèi)容與特點(diǎn)，探討了將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到課程教學(xué)的新的現(xiàn)代教學(xué)方法與手段。并以三種常用的汽車性能仿真軟件MATLAB，CRUISE和ADAMS/CAR為例，列舉了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的具體應(yīng)用。論文將為汽車?yán)碚撜n程教學(xué)方法改革提供一定參考。

汽車?yán)碚?；教學(xué)方法；計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

汽車?yán)碚撌擒囕v工程類專業(yè)的必修課程和核心課程。此課程通過系統(tǒng)講述汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性及通過性等主要行駛性能，為汽車專業(yè)的學(xué)生或從事與汽車相關(guān)研究的技術(shù)人員，提供了進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)及使用所必需的專業(yè)基礎(chǔ)知識。汽車?yán)碚撜n程是以力學(xué)為基礎(chǔ)，涉及機(jī)械、電子、控制和數(shù)學(xué)等學(xué)科闡述汽車的各種行駛性能，研究在滿足這些性能要求基礎(chǔ)上選擇汽車設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)原則，并介紹如何利用現(xiàn)代技術(shù)提高汽車行駛性能。［1］由于汽車?yán)碚撋婕皟?nèi)容的綜合性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的教學(xué)方法與手段，使得教師和學(xué)生在此課程的講授和學(xué)習(xí)中都遇到一定的困難和問題。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)全面深入的滲透，特別是在汽車研究領(lǐng)域，多種計(jì)算機(jī)仿真分析軟件在汽車的設(shè)計(jì)和開發(fā)中已的應(yīng)用已日益廣泛和深入。其中對汽車行駛性能的分析與研究中，Matlab，CRUISE，ADAMS等工程軟件的應(yīng)用最為廣泛。而如何利用好這些仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到汽車?yán)碚撜n程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中來，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果是本文要探討的主要問題。

1 課程教學(xué)方法探討

汽車?yán)碚撌且婚T涉及內(nèi)容較多、理論性很強(qiáng)、綜合多個(gè)學(xué)科的專業(yè)課程，不同于其他汽車專業(yè)課程那么形象直觀，學(xué)生普遍反映難以掌握。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容及其特點(diǎn)，選擇適用的教學(xué)方法是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。對于基本概念、工作原理、受力分析圖、曲線圖、數(shù)據(jù)表以及一些結(jié)論性的知識點(diǎn)，可以采用多媒體中的文字、圖表和動畫等方法展示，既可達(dá)到直觀明了的效果，又可提高教學(xué)效率。涉及公式推導(dǎo)和受力分析內(nèi)容的，宜采用傳統(tǒng)的黑板板書教學(xué)方式。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的黑板推演過程更能容易引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯思維和抽象思維，對得到的結(jié)論印象也會更加深刻。對于比較復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容，可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真平臺通過動畫視頻，以及現(xiàn)場調(diào)取模型進(jìn)行分析等方式輔助教學(xué)，將其形象化以提高學(xué)生的感性認(rèn)識，避免了讓教師空洞地陳述、學(xué)生想象地去理解的局面，從而提高教學(xué)效果。對于汽車性能實(shí)驗(yàn)，特別是汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制多數(shù)無法開展。而通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)與實(shí)施一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從而彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足。汽車?yán)碚撜n程除理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之外，一般還附帶課后作業(yè)、課外大作業(yè)、課堂演講以及后續(xù)汽車?yán)碚撜n程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，由于課后題目一致、項(xiàng)目任務(wù)單一、可用的計(jì)算工具也比較局限（常用Excel或Matlab），往往造成大量抄襲，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)與公正的評價(jià)。可以考慮以項(xiàng)目為驅(qū)動將多種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以加深學(xué)生對理論知識的理解，并激發(fā)學(xué)習(xí)和研究的興趣。在教學(xué)過程中，需要根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)方法，使其發(fā)揮各自優(yōu)勢才能獲得更好的教學(xué)效果。［2，3］

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用方法探討

在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中，合理應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將對課程的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、對后續(xù)課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及對學(xué)生工程軟件應(yīng)用能力的培養(yǎng)帶來很大的幫助。下面將從如下幾點(diǎn)探討其應(yīng)用方法：

2.1 建立汽車性能仿真分析輔助教學(xué)模型庫

首先應(yīng)根據(jù)汽車?yán)碚摻滩?，結(jié)合學(xué)生的具體理解情況，合理選擇應(yīng)用點(diǎn)，對某些重點(diǎn)、難點(diǎn)以及不易講述的地方，考慮能否應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件建立汽車性能仿真分析實(shí)例庫與模型庫，在課程教學(xué)中可以隨時(shí)調(diào)用視頻錄像與仿真模型，將汽車的一些結(jié)構(gòu)運(yùn)動、參數(shù)調(diào)整、性能分析、曲線變化等復(fù)雜問題在課堂中進(jìn)行動態(tài)仿真演示。這樣老師就可以方便地進(jìn)行講解，并給學(xué)生提供了直觀、形象的過程與結(jié)論，學(xué)生理解起來會更容易。同時(shí)在教學(xué)過程中，向?qū)W生展示計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，還可激發(fā)學(xué)生利用相關(guān)軟件對理論知識進(jìn)行學(xué)習(xí)和應(yīng)用，為后續(xù)課外實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。由于課程所涉及的應(yīng)用點(diǎn)可能較多，所以模型庫建設(shè)之初，工作量較大，不過這對學(xué)校精品課程建設(shè)和直接改善課程教學(xué)效果來說是十分必要且一勞永逸的。

2.2 各種仿真軟件在專業(yè)教學(xué)中的優(yōu)勢

根據(jù)不同計(jì)算機(jī)仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，合理應(yīng)用于汽車?yán)碚摻虒W(xué)中，使復(fù)雜問題的分析變得直觀、清晰，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Matlab軟件是進(jìn)行汽車性能計(jì)算的常用工具，具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖形功能，可以方便地完成各種汽車性能的計(jì)算；同時(shí)，利用Matlab的數(shù)值計(jì)算函數(shù)和Simulink模塊，可以對汽車?yán)碚撝袕?fù)雜的過程進(jìn)行仿真分析和求解。這些計(jì)算和分析的結(jié)果都可以通過Matlab提供的可視化手段呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于清晰地闡釋抽象的概念。［4］

車輛性能仿真軟件CRUISE是一款專門為汽車傳動系統(tǒng)匹配而設(shè)計(jì)的整車性能仿真軟件。模塊化的建模方式將整車分為發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、主減速器等汽車模塊，同時(shí)設(shè)有循環(huán)行駛工況、爬坡性能分析、穩(wěn)態(tài)行駛性能分析等計(jì)算任務(wù)，可方便地進(jìn)行傳統(tǒng)汽車、新能源汽車整車動力性、經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與動力裝置參數(shù)的匹配分析。與Matlab軟件不同的是，該軟件建模方便，不同的模塊參數(shù)和計(jì)算任務(wù)可以詳細(xì)、方便地進(jìn)行設(shè)置，更加接近汽車實(shí)際模型，計(jì)算結(jié)果也更加精確。該軟件在汽車動力傳動系統(tǒng)仿真方面具有其他仿真軟件無法比擬的專業(yè)性和靈活性，在國內(nèi)外汽車行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。

ADAMS是一款在汽車行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真軟件，其中ADAMS/CAR模塊為一款整車設(shè)計(jì)軟件包，它能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)模型，通過高速動畫，直觀地再現(xiàn)各種虛擬實(shí)驗(yàn)工況下整車的動力學(xué)響應(yīng)，大大減少了對物理樣機(jī)的依賴。在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中，可通過ADAMS/CAR在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動分析，同時(shí)還可進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性和平順性等相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，解決了由于客觀條件限制不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

另外，在汽車仿真技術(shù)研究領(lǐng)域還有ADVISOR，CarSim/TruckSim等工程軟件，憑借自身的優(yōu)勢和特點(diǎn)，應(yīng)用也較為廣泛。

2.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在項(xiàng)目驅(qū)動實(shí)踐教學(xué)模式中的作用

目前多數(shù)汽車?yán)碚摻虒W(xué)進(jìn)行的課后作業(yè)、課外大作業(yè)和汽車?yán)碚撜n程設(shè)計(jì)，以Matlab軟件應(yīng)用較為廣泛。通過Matlab軟件進(jìn)行編程計(jì)算可對汽車的多項(xiàng)性能進(jìn)行分析，但是應(yīng)用Matlab使學(xué)生過多偏重于公式計(jì)算與編程，具有一定的局限性。而且，單一的課題任務(wù)往往伴隨大量的抄襲，不利于學(xué)生獨(dú)立解決問題與公正的評價(jià)。以多類課題項(xiàng)目為驅(qū)動將不同計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用于汽車?yán)碚摳鱾€(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可解決上述問題。［5］實(shí)施過程中，需要構(gòu)建多個(gè)貼合汽車實(shí)際使用性能的課題項(xiàng)目，并以同類型仿真軟件的應(yīng)用進(jìn)行分組學(xué)習(xí)和指導(dǎo)，使學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)及完成過程中加深對理論知識的理解及實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生實(shí)際分析問題、解決問題的能力。

3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 Matlab軟件應(yīng)用實(shí)例

汽車的動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。其中，在繪制一下曲線圖，如驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖時(shí)，以往的教學(xué)方法基本是課堂講授曲線的作圖方法，給一個(gè)課本已經(jīng)繪制好的某車型的曲線，然后由曲線分析汽車各檔的驅(qū)動力的變化。可根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)M合公式、驅(qū)動力計(jì)算公式、行駛阻力計(jì)算公式及車速計(jì)算公式，如下所示：

應(yīng)用Matlab軟件編寫計(jì)算程序，可方便地得到如圖1所示的某汽車驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，還可進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，分析曲線的變化對汽車動力性能的影響。同時(shí)，還可應(yīng)用Matlab中GUI圖形用戶界面設(shè)計(jì)功能，自由設(shè)計(jì)汽車動力性計(jì)算GUI界面，通過輸入不同車型參數(shù)、快速實(shí)現(xiàn)文本計(jì)算結(jié)果及圖形結(jié)果的顯示，如圖2所示。

Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和圖形功能，可以方便地完成包括動力性等在內(nèi)的各種汽車性能的計(jì)算。除此之外，Matlab軟件中的SIMULINK模塊還可進(jìn)行復(fù)雜過程的仿真分析。例如，在汽車?yán)碚摬倏v穩(wěn)定性的學(xué)習(xí)中，可通過Matlab/SIMULINK快速搭建線性二自由度汽車的運(yùn)動仿真模型，方便地進(jìn)行前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)分析。

3.2 CRUISE軟件應(yīng)用實(shí)例

利用CRUISE軟件模塊庫，可快速搭建傳統(tǒng)汽車及新能源汽車動力傳動系統(tǒng)仿真模型，通過設(shè)置計(jì)算任務(wù)，對整車動力性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行仿真計(jì)算。同時(shí)，軟件自身也提供了多種汽車模型模板，便于初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)。圖3為軟件自身提供的傳統(tǒng)后輪驅(qū)動汽車（FR）動力傳動系統(tǒng)仿真模型，通過設(shè)置計(jì)算任務(wù)，可得到豐富的有關(guān)汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性的文本和圖表結(jié)果分析文件。圖4為設(shè)置UDC循環(huán)工況后，計(jì)算得到的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布示意圖，可對發(fā)動機(jī)與整車動力裝置參數(shù)進(jìn)行匹配分析提供依據(jù)。

圖3 后輪驅(qū)動汽車動力傳動系統(tǒng)仿真模型

圖4 發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)分布圖

3.3 ADAMS軟件應(yīng)用實(shí)例

在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中，可通過ADAMS/CAR在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性和平順性等相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件限制帶來的問題。在ADAMS/ CAR中用戶可以通過模板自行創(chuàng)建模型，也可調(diào)用共享數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)或整車模型進(jìn)行仿真分析。圖5以汽車操縱穩(wěn)定性中的單移線實(shí)驗(yàn)為例，對某車整車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了虛擬仿真?？筛鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，通過仿真計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以動畫、曲線圖等方式展現(xiàn)。ADAMS/CAR所提供的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，可使學(xué)生方便地進(jìn)行各種有關(guān)操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性虛擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足。

圖5 ADAMS/CAR中汽車操縱穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)-單移線實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車?yán)碚摻虒W(xué)，可以使教學(xué)質(zhì)量得到明顯提高。形象、生動的仿真模型分析與演示，既便于老師的講述，又使學(xué)生對理論知識有了深刻的理解，克服了客觀實(shí)際條件對理論教學(xué)的制約，同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生對相關(guān)軟件學(xué)習(xí)的興趣與應(yīng)用能力。當(dāng)然充分利用多種計(jì)算機(jī)仿真工程軟件的優(yōu)勢來輔助教學(xué)，還需要大量的準(zhǔn)備工作，但考慮到對教學(xué)效果的提高改善與學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)，這將是十分必要。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］楊年炯.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)的探討-以空氣懸架性能分析為例［J］.裝備制造技術(shù)，2012，（9）：73-75.

［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］黃兵鋒.MATLAB軟件在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用［J］.科技信息，2010（8）：114-116.

［5］魯力群.項(xiàng)目驅(qū)動下的汽車?yán)碚撜n程改革及實(shí)踐［J］.大學(xué)教育，2013（16）：86-87.

Discussion about the Application of Computer Simulation Technology in the Course Teaching of Automobile Theory

Zhou Hongni， Wang Baohua， Feng Ying
Hubei University of Automotive Technology， School of Automotive Engineering， Shiyan， 442002， China

Automobile Theory is an important and core course in major of vehicle engineering and other related majors. The teaching effect of the course and the training of the students' ability are affected for the defciency of conventional teaching method. According to the teaching content and characteristic in automobile theory course， the modern teaching methods and means of the course which is induced the computer simulation technology are discussed in this paper. And the three type of specifc application of computer simulation technology in the course are listed at last by using the software of Matlab， CRUISE and ADAMS/CAR. This paper could offer some

to the teaching reform of automobile theory course.

automobile theory； teaching method； computer simulation technology

2015-02-17

周紅妮，碩士，講師。

湖北汽車工業(yè)學(xué)院2014年汽車?yán)碚撔＜壘氛n程建設(shè)項(xiàng)目。