虛擬樣機及虛擬試驗在汽車專業(yè)課程教學中的應用分析★

吳光強，何東偉

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

虛擬樣機及虛擬試驗通過建立三維數(shù)字化模型，并對其進行結構強度分析和動力學分析，通過仿真驗證產(chǎn)品方案的合理性。在一定程度上可以替代傳統(tǒng)的試驗，主要的優(yōu)點有：可以大幅度減少樣機制造試驗次數(shù)，縮短新產(chǎn)品試驗周期，降低實際試驗費用；在復雜產(chǎn)品開發(fā)中，可以實現(xiàn)設計者，產(chǎn)品用戶在設計階段信息的互反饋，使設計者全方位吸收，采納對新產(chǎn)品的建議；虛擬試驗不受場地，時間和次數(shù)的限制，可對試驗過程進行回放、再現(xiàn)和重復。

虛擬樣機及虛擬試驗已經(jīng)成為新型教學手段，幫助學生逼真學習環(huán)境，通過真實感受來增強記憶，自主學習更容易讓學生接受，激發(fā)學生的學習興趣。

1 虛擬樣機及虛擬試驗在汽車專業(yè)應用的必要性

汽車是一個復雜的機電產(chǎn)品，在設計制造過程中，需要大量試驗進行驗證和評價。為降低成本、縮短開發(fā)周期，虛擬樣機及虛擬試驗來進行研發(fā)非常合適，而汽車后期維護也可以通過虛擬試驗進行教學和培訓。

實驗課老師往往會根據(jù)設備和教學大綱要求安排實驗項目，大部分試驗都是靜態(tài)試驗，主要原因實踐教學成本高。比如因為有些單臺套設備比較貴，就會出現(xiàn)學生多，設備少的問題。再如考慮到學生在試驗過程中的安全性，如果授課教師又不足，只能做一些靜態(tài)試驗。尤其是近3 年的新冠疫情爆發(fā)期間取消了線下教學，不能現(xiàn)場教學，只能采用線上教學模式。

虛擬試驗教學平臺往往安排在機房，可以根據(jù)學生人數(shù)批次采購軟件服務點，每個學生都可以自主的操作控制虛擬試驗，比如學生可以設計一個汽車零部件，設計完成后緊接著就可以進行測試，測試的結果也可以立馬看到反饋，有利于分層次教學，有利于提高教學質量。

2 汽車專業(yè)主要應用

2.1 汽車虛擬拆裝

汽車構造是汽車類專業(yè)基礎，教學過程中選用了景格系列教學仿真軟件，軟件分為豐田、大眾、通用三個車系。以大眾車系為例，有發(fā)動機拆裝、變速箱拆裝、底盤拆裝等。發(fā)動機虛擬拆裝過程中，學生需要將100 多個零件逐個按步驟安裝，出現(xiàn)安裝錯誤會扣分，直到正確安裝順序才能完整的安裝。再比如里面有連桿活塞機構，點擊機構，會生成爆炸圖，讓學生進一步精準理解課程。而通過虛擬教學平臺，可以針對不同車型的基本構造、專車專學、由點到面、由表及里、循序漸進系統(tǒng)學習[1]。

虛擬裝配時，對裝配體進行裝配規(guī)劃，對裝配順序、裝配方案、所用工具、夾具及裝配線等相關問題進行分析，通過視覺傳達、語言提示，進行演示。學生可以獨立的操作實驗中的每一步，發(fā)現(xiàn)錯誤立馬進行修正，可以反復多次實驗。這樣一套流程不僅使學生熟悉認識了每一個零件的名稱，還知道了每個零件對應的位置，拆裝時候具體的順序，如果后面還有實物拆裝，往往能夠快速高效地解決，減少錯誤和安全隱患。如圖1 所示，通過專用設備，可以在虛擬現(xiàn)實中拆裝汽車零部件。有一些高級的軟件可以借助VR 設備，讓學生有種身臨其境的感覺，通過佩戴信號采集設備，這時候可以通過肢體動作進行模擬拆裝，體驗感更強。

2.2 汽車性能測試虛擬平臺

汽車理論是汽車專業(yè)課中最重要的課程之一，很多高校汽車類專業(yè)研究生入學初試或者復試都會將汽車理論作為必選。主要研究汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、制動性、舒適性、安全性、通過性等，里面公式多，有些理論也難理解，知識點也特別多，教師往往會選擇讓學生把這些理論、知識點死記硬背下來，很多學生背完，但不能應用。整個教學過程中學生難以將汽車運行進行動態(tài)化，導致學生難以理解，實際操作能力更差。汽車虛擬試驗場（VPG，Automobile virtual testing ground）是集成數(shù)字路面模型、輪胎模型、汽車多體動力學模型的一個虛擬仿真平臺，將物理的真實試驗場道路的高精度數(shù)字化模型，導入車輛多體動力學仿真軟件后，基于車輛模型和輪胎模型，可模擬實車在物理試驗場中的行駛狀態(tài)，獲得與實車試驗相一致的道路載荷譜數(shù)據(jù)，從而開展整車疲勞耐久載荷的提取及分解、舒適性能分析及整車運動校核等[2]。如圖2 所示為汽車虛擬試驗場技術路線，圖3 為汽車虛擬試驗場構架及分析。通過汽車虛擬試驗場，學生不用去死記硬背那些知識，只要會用就行，學生在使用過程中也更容易理解這些公式和理論，學生喜歡學便達到了那么教學的目的。

圖2 汽車虛擬試驗場技術路線

圖3 汽車虛擬試驗場構架及分析

2.3 汽車檢測虛擬試驗

汽車檢測試驗也是專業(yè)必修內容，在實車上進行故障一些設置，讓學生根據(jù)儀器來排除故障，若故障設置點如果比較少，達不到檢驗學生學習效果要求，而故障如果設置過多，學生不一定做得出來，還存在損壞設備的風險。如果讓學生先在虛擬教學平臺上操作，利用虛擬平臺上的示波器、萬用表、故障診斷儀去操作實驗，學生可以大膽去嘗試，不斷地尋找答案，直到找到所有故障并清除。要求每個學生先學會使用電子示波器、掌握電波信號流程。戴上專用設備后，學生能夠在虛擬現(xiàn)實中接觸汽車的每一個部件、分析每一處故障，并掌握其排除方法（見圖4）。比如對汽車轉向燈試驗，需對前大燈變光器、閃光器進行測試，并對其部件診斷與維修[3]。

圖4 虛擬現(xiàn)實中進行汽車測試

在虛擬教學平臺中，學生也可以對實踐教學中難以實現(xiàn)的教學場景進行學習。例如，有時候難以保證舉升機構不出問題，考慮到學生安全性，在進行底盤試驗中，老師把汽車舉升到一定高度之后，很多老師不敢讓學生站到底盤下去長時間的觀測，也不敢直接讓學生去操作舉升機構，操作過程中需要時刻關注所有學生的狀態(tài)。該試驗完全可以利用虛擬教學平臺，通過一些先進的VR 設備，讓學生更直觀地看到設備所有狀態(tài)，還可以利用虛擬電子設備進行多種嘗試，多種測試，觀測結果，從而本質上了解汽車，掌握這些必備的專業(yè)知識。

3 結語

虛擬樣機及虛擬試驗技術在高校汽車專業(yè)的應用，利用三維數(shù)字技術，虛擬整車結構，實現(xiàn)實幻交織、人機交互、沉浸式體驗的高科技教學模式。增加互動性和真實性，解決了難再現(xiàn)、難理解、難動作、難進入“四難”的問題，極大地激發(fā)了學員的學習熱情，有效解決以往汽車專業(yè)在實踐教學中存在的問題，對專業(yè)教學水平的提高提供了一個很好的補充，能夠有效提升學生對教學內容的掌握程度和學校的教學質量。