計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在提升汽車?yán)碚撜n程工程實(shí)踐能力方面的應(yīng)用

桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院 封 進(jìn)

汽車?yán)碚撌俏覈?guó)高校汽車類本科專業(yè)的核心課程，主要學(xué)習(xí)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通過性等基本性能、評(píng)價(jià)方法和計(jì)算方法，通過研究汽車行駛規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性，分析使用特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握汽車主要使用性能及其影響因素以及相關(guān)參數(shù)基本匹配方法，從而提供合理設(shè)計(jì)和正確使用汽車的理論依據(jù)。汽車?yán)碚撜n程內(nèi)容是汽車設(shè)計(jì)、汽車試驗(yàn)學(xué)等應(yīng)用類型課程的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)課程體系中起到重要的承上啟下的作用，也是學(xué)生在行業(yè)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課程。

汽車?yán)碚撜n程知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)，涉及大量數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，本科生在學(xué)習(xí)過程中往往感覺比較抽象，難以理解。同時(shí)理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密，采用傳統(tǒng)教學(xué)，不僅課堂教學(xué)效果欠佳，學(xué)生跟不上教學(xué)進(jìn)度，課堂互動(dòng)開展不深，更難以進(jìn)一步地對(duì)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用。教學(xué)中合理采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，更能提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

汽車?yán)碚撜n程的主要內(nèi)容是通過分析汽車動(dòng)力學(xué)規(guī)律、性能參數(shù)對(duì)汽車性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，課程的實(shí)踐能力培養(yǎng)主要指學(xué)生對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)性能模型的建立、解算，性能參數(shù)的獲取及分析，因此學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用上。

本文以清華大學(xué)余志生老師主編的《汽車?yán)碚摗返诹鏋槔?，通過“汽車動(dòng)力性”“汽車動(dòng)力裝置參數(shù)選定”和“汽車操縱穩(wěn)定性”三個(gè)代表性章節(jié)的內(nèi)容，介紹汽車?yán)碚搩?nèi)容與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的具體實(shí)施。

一、汽車動(dòng)力性

汽車動(dòng)力性部分的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握汽車動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法，能夠建立汽車基本的行駛方程，并通過作圖法進(jìn)一步獲得汽車的最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度等動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后對(duì)影響因素做進(jìn)一步的分析。

汽車動(dòng)力性仿真計(jì)算軟件較多，考慮對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練的循序漸進(jìn)，應(yīng)選擇通用性好、普及率高、易于上手的計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練入門，例如EXCEL、MATLAB、AVL_CRUISE 等。EXCEL 雖然是一款電子表格工具，但其擁有強(qiáng)大的計(jì)算功能和圖表生成功能，通過輸入公式進(jìn)行計(jì)算，可以得到汽車動(dòng)力性計(jì)算的圖形化結(jié)果。MATLAB 作為一款專業(yè)計(jì)算軟件，同樣具備強(qiáng)大的編程和繪圖能力，學(xué)生可以根據(jù)汽車行駛方程編制程序，也可以設(shè)計(jì)GUI 用戶界面，通過輸入車輛參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。兩種工具均能直觀地表征車輛參數(shù)與動(dòng)力性結(jié)果的關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成圖表，便于對(duì)理論知識(shí)的理解。EXCEL 適合大部分學(xué)生快速上手，MATLAB 則適合之前受過相關(guān)訓(xùn)練或接受能力較強(qiáng)的學(xué)生。AVL_CRUISE 是一款主要用于汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性仿真的軟件，采用圖形化交互建模環(huán)境，只需設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)即可進(jìn)行仿真計(jì)算并獲得汽車動(dòng)力性指標(biāo)，可以方便看到參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響。但由于計(jì)算算法由軟件集成，對(duì)使用者而言該軟件只是一個(gè)黑箱，不利于學(xué)生對(duì)計(jì)算方法的理解。

以MATLAB 為仿真手段進(jìn)行汽車動(dòng)力性內(nèi)容的實(shí)踐能力訓(xùn)練過程為例，首先參照教學(xué)內(nèi)容建立汽車行駛方程，對(duì)汽車行駛方程進(jìn)行編程，仿真計(jì)算并輸出圖形，得到汽車驅(qū)動(dòng)力圖、加速度倒數(shù)曲線圖、汽車的爬坡度圖、汽車功率平衡圖等。對(duì)程序做進(jìn)一步編寫，還可獲取汽車最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度等動(dòng)力性指標(biāo)，直觀地反映出汽車的動(dòng)力性，尤其是各檔位的動(dòng)力特性。同時(shí)通過調(diào)整程序參數(shù)改變汽車動(dòng)力性，能夠幫助學(xué)生掌握汽車動(dòng)力性的影響因素及趨勢(shì)，MATLAB 的數(shù)值計(jì)算方法還可以加深對(duì)本章重點(diǎn)內(nèi)容汽車行駛方程的理解。

通過使用MATLAB 解決汽車動(dòng)力性指標(biāo)計(jì)算，可以初步培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力，也為學(xué)生工程化思維的建立打下基礎(chǔ)。

二、汽車動(dòng)力裝置參數(shù)選定

該部分教學(xué)內(nèi)容是綜合考慮汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性因素，對(duì)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率、變速器速比及檔位數(shù)、主減速器速比等參數(shù)，屬于對(duì)前面動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)章節(jié)的總結(jié)和應(yīng)用，有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用意義。由于汽車動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中計(jì)算工作量比較大，例如C 曲線的獲得，需要對(duì)不同的主傳動(dòng)比下汽車的加速時(shí)間和工況條件下百公里油耗進(jìn)行計(jì)算，采用傳統(tǒng)理論計(jì)算方法較為困難，難以實(shí)施完整的案例教學(xué)，必須通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開展輔助教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

考慮動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)較多，比較著名的有GT-Suit、AVL_CRUISE、CarSim 等。上述軟件都是基于汽車行駛方程和燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，采用模塊化的建模方式，應(yīng)用交互式圖形用戶界面調(diào)整車輛參數(shù)，操作簡(jiǎn)單方便，適用性強(qiáng)，都能夠較方便地實(shí)現(xiàn)各類車型的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真需求。而AVL_CRUISE具有較方便的矩陣計(jì)算功能，更適合在汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算。例如，利用AVL_CRUISE 進(jìn)行主減速比參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先采用拖拽的方式將車輛各模塊從系統(tǒng)的模塊庫(kù)中拖入用戶界面，單個(gè)進(jìn)行參數(shù)修改，模塊連接建立整車模型。在建立好工作任務(wù)、設(shè)置需要的工作循環(huán)后，可以根據(jù)主減速器速比范圍設(shè)置多個(gè)主傳動(dòng)比進(jìn)行矩陣，從而獲得燃油經(jīng)濟(jì)性-加速時(shí)間曲線（C 曲線），提供主傳動(dòng)比參數(shù)選擇。

采用AVL_CRUISE 進(jìn)行汽車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成汽車動(dòng)力裝置參數(shù)選定，不僅讓學(xué)生又掌握一種工程應(yīng)用手段，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力，加深學(xué)生對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的概念與計(jì)算方法的認(rèn)識(shí)，更進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)汽車設(shè)計(jì)中性能參數(shù)指標(biāo)相互制約的理解，以及汽車設(shè)計(jì)即是追求高性價(jià)比的設(shè)計(jì)理念。

三、汽車操縱穩(wěn)定性

“汽車操縱穩(wěn)定性”部分教學(xué)內(nèi)容較多，包括線性二自由度模型、操穩(wěn)性與汽車懸架、轉(zhuǎn)向系、傳動(dòng)系的關(guān)系等，知識(shí)的難度進(jìn)一步加深。應(yīng)用工具的選擇上不僅有MATLAB 等通用軟件，還包括ADMAS、CarSim 等眾多業(yè)界流行的汽車動(dòng)力學(xué)專業(yè)軟件。ADMAS 有專門的汽車模塊，方便快速建立數(shù)字樣機(jī)對(duì)汽車包括操穩(wěn)性在內(nèi)的多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。CarSim 也是一款解決車輛動(dòng)力學(xué)問題的軟件，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操穩(wěn)性等汽車基本性能的仿真分析。軟件采用圖形用戶界面實(shí)施建模，所有的參數(shù)設(shè)置和調(diào)整均在圖形界面完成，上手相對(duì)簡(jiǎn)單。“汽車操縱穩(wěn)定性”部分的理論深度進(jìn)一步加強(qiáng)，考慮一般本科生夠用即可的學(xué)習(xí)要求，可以對(duì)該部分?jǐn)?shù)學(xué)模型建立過程不做要求，而著重對(duì)性能影響因素及趨勢(shì)進(jìn)行分析，在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)上應(yīng)結(jié)合行業(yè)應(yīng)用習(xí)慣，可以分別采用ADMAS 和CarSim 進(jìn)行相應(yīng)工程訓(xùn)練。

線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入的響應(yīng)是汽車操縱穩(wěn)定性的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響不夠直觀，理論建模與結(jié)果分析相對(duì)困難。采用CarSim 進(jìn)行建模分析可以較好地解決這個(gè)問題。CarSim 采用參數(shù)化建模，可以通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和特性曲線完成車輛定義。仿真結(jié)果可以通過動(dòng)畫或者汽車操縱穩(wěn)定性參數(shù)的特性曲線進(jìn)行表達(dá)，幫助學(xué)生掌握操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)各個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律，從而厘清汽車操縱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)思路。

“汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系”屬于“汽車操縱穩(wěn)定性”一章的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，主要掌握懸架對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響。這部分內(nèi)容的工程實(shí)踐訓(xùn)練上，適合采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADMAS 作為手段，ADMAS 包含了一系列的汽車專用模塊，可以直接調(diào)用模塊后修改參數(shù)完成建模工作。然后進(jìn)行相應(yīng)工況的運(yùn)動(dòng)仿真分析，并進(jìn)行各參數(shù)靈敏度分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)懸架硬點(diǎn)及安裝參數(shù)的最優(yōu)。同時(shí)可以根據(jù)仿真計(jì)算輸出直觀地得到參數(shù)變化與操穩(wěn)性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，加深懸架對(duì)操縱穩(wěn)定性影響的理解。

汽車?yán)碚撜n程具有知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)，課程教學(xué)與改革重點(diǎn)應(yīng)聚焦在“知識(shí)、能力、素質(zhì)”三方面培養(yǎng)上，力求學(xué)生掌握車輛性能相關(guān)理論知識(shí)，培養(yǎng)解決車輛制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。教學(xué)內(nèi)容合理采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決車輛工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，提升工程實(shí)踐能力。