汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

段利斌 江浩斌 張學(xué)榮 耿國(guó)慶 曹曉輝

摘要：汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏，作者及所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托江蘇大學(xué)國(guó)家級(jí)車(chē)輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，基于真實(shí)車(chē)輛建立高精度數(shù)字化車(chē)輛仿真模型，綜合運(yùn)用數(shù)字化仿真假人、虛擬儀器、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、有限元仿真軟件、三維場(chǎng)景與VR、人機(jī)在線交互等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)在線開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)、乘員保護(hù)裝置、汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性評(píng)價(jià)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理的理解。解決了實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的問(wèn)題，彌補(bǔ)了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)效率，從而達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合，深度交互，理實(shí)融合”的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：車(chē)身結(jié)構(gòu);側(cè)面碰撞;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）38-0263-02

汽車(chē)保有量快速增加，汽車(chē)碰撞事故頻發(fā)，其中側(cè)面碰撞是道路交通事故的主要形式之一。我國(guó)許多高校的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)了《車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》、《汽車(chē)與交通安全》、《汽車(chē)性能與仿真》等專(zhuān)業(yè)課程，這些課程均涉及汽車(chē)側(cè)面碰撞的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

一、實(shí)驗(yàn)原理與目的

車(chē)輛數(shù)字化虛擬模型與實(shí)際樣車(chē)具有相同的車(chē)身結(jié)構(gòu)、材料、軸荷分配等，用于乘員損傷評(píng)價(jià)的虛擬假人與物理實(shí)驗(yàn)假人的動(dòng)力學(xué)性能完全一致，虛擬仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于評(píng)價(jià)汽車(chē)側(cè)面碰撞的相關(guān)響應(yīng)，體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的原則。

二、實(shí)驗(yàn)交互式操作

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)上運(yùn)行。教師可利用該平臺(tái)在網(wǎng)上安排學(xué)生預(yù)習(xí)、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生可利用該平臺(tái)在網(wǎng)上進(jìn)行選課、預(yù)習(xí)、自主測(cè)試、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及撰寫(xiě)和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教學(xué)系統(tǒng)提供一體化的教學(xué)過(guò)程管理，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)之后，查詢(xún)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料，再進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的先進(jìn)性。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在：（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目易學(xué)易用、界面友好，學(xué)生參與度高、沉浸性強(qiáng)，解決了該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)器材昂貴、學(xué)生參與度低、實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的問(wèn)題，具有“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的鮮明特色。（2）不斷吸收最新的教學(xué)實(shí)踐和科研成果，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果等效性強(qiáng)，可信度高。（3）以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，將“車(chē)身結(jié)構(gòu)碰撞+乘員約束保護(hù)+安全性能評(píng)價(jià)”等理論分析、實(shí)驗(yàn)操作、仿真計(jì)算、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等知識(shí)縱橫交互，融會(huì)貫通，加深了學(xué)生對(duì)汽車(chē)碰撞機(jī)理和安全保護(hù)技術(shù)的深入理解，有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2.教學(xué)方法。將數(shù)字化3D仿真技術(shù)、虛擬儀器與VR技術(shù)、有限元仿真軟件、人機(jī)在線交互等技術(shù)綜合運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)和掌握汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，加深對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)特性、乘員保護(hù)裝置、汽車(chē)安全性評(píng)價(jià)的理解，還可以熟悉整車(chē)數(shù)字化模型。

3.評(píng)價(jià)體系。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)和共享平臺(tái)上運(yùn)行，教師可利用該平臺(tái)在線上安排學(xué)生預(yù)習(xí)、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并與學(xué)生互動(dòng)交流，實(shí)現(xiàn)了全流程、一體化、交互式的教學(xué)管理與評(píng)價(jià)。

4.傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)用3D仿真、VR在線交互等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，通過(guò)三維交互虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，學(xué)生可在三維場(chǎng)景下開(kāi)展“汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，學(xué)習(xí)汽車(chē)側(cè)面碰撞與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸和拓展。

四、教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可達(dá)到以下教學(xué)效果：

1.利用最新發(fā)展的虛擬仿真技術(shù)，將汽車(chē)側(cè)面碰撞在仿真環(huán)境中體現(xiàn)，可以極大地提高教學(xué)過(guò)程的直觀性和現(xiàn)實(shí)性。

2.通過(guò)汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，顯著提高學(xué)生的自學(xué)能力、查閱文獻(xiàn)資料能力、實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重視認(rèn)知、技能、情感等多種目標(biāo)的協(xié)同達(dá)成，促進(jìn)了整體教學(xué)目標(biāo)的推進(jìn)，注重階段性目標(biāo)和方向性目標(biāo)的有機(jī)結(jié)合。

4.汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茏⒁獾浇滩闹R(shí)的縱橫向聯(lián)系，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)考慮到學(xué)生的心理結(jié)構(gòu)特色，合理統(tǒng)籌規(guī)劃教與學(xué)的內(nèi)容。

五、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車(chē)碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀，筆者及所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托江蘇大學(xué)國(guó)家級(jí)車(chē)輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)側(cè)面碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基于高精度數(shù)字化車(chē)輛仿真模型、數(shù)字化仿真假人、虛擬儀器、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、三維場(chǎng)景與VR等技術(shù)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)和掌握汽車(chē)側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，加深對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)、乘員保護(hù)裝置、汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性評(píng)價(jià)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理的理解。

參考文獻(xiàn)：

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Construction and Teaching Practice of Vehicle Side Crash Virtual Simulation Experiment Project

DUAN Li-bin，JIANG Hao-bin，ZHANG Xue-rong，GENG Guo-qing，CAO Xiao-hui

（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Abstract：Virtual simulation experimental teaching resources of vehicle side impact are relatively scarce.The author and his teaching team rely on the National Vehicle Engineering Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Jiangsu University to establish a high-precision digital vehicle simulation model based on real vehicles，and make comprehensive use of digital simulation dummy，virtual instrument，virtual simulation laboratory，finite element simulation software，three-dimensional scene and VR.The virtual simulation experiment project of automobile side impact was developed based on online interaction technology.Through online virtual simulation experiments，students can deepen their understanding of body structures，occupant protection device，vehicle side crash safety evaluation and virtual simulation experiment principle.It solves the problem such that the real vehicle collision experiment is difficult to carry out，which improves the efficiency of the experiment.By this way，the teaching effects of "virtual complement，virtually and reality combination，deep interaction and rational integration" are expected to achieve.

Key words：Automotive Body Structure;Side Impact;Virtual Simulation;experiment project;teaching practice