關于虛擬實驗技術在汽車《流體力學與液壓傳動》課程中應用的探討

張智明+張娟楠+李昌昊+王毅剛+章桐

摘要：該項目針對本校車輛工程專業學生《流體力學與液壓傳動》課程中存在的課時少和缺乏實驗的主要問題，結合“卓越工程師教育培養計劃”的要求，基于目前可視化的實驗教學發展趨勢，探討以虛擬實驗取代現實實驗的解決方案，提出了液壓傳動虛擬實驗的實施方案和重點建設內容，希望對高校液壓傳動課程建設提供一種發展思路。

關鍵詞：液壓傳動；卓越工程師；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0265-03

一、引言

《流體力學與液壓傳動》是我校汽車學院本科生卓越工程師的核心課程之一，液壓傳動技術在車輛工程專業人才培養計劃中占有非常重要的位置。《流體力學與液壓傳動》作為汽車學院學生的專業基礎課，其中液壓傳動部分的知識在之后的專業課如《汽車構造》、《汽車理論》和《汽車設計》中具有非常重要的作用，學好液壓傳動是學習這些專業課程的前提。同時，液壓傳動技術在汽車上有非常廣泛的應用，例如汽車的液壓助力轉向系統、懸架系統中的空氣彈簧和油氣彈簧、ABS防抱死系統等，所以液壓傳動也是成為一個合格的汽車工程師的必要專業課程內容。

實驗教學是對高院課堂教學的重要補充。通過相關實驗，達到加深本科理論教學中涉及的基本概念和理論的理解和掌握，可以促使學生在該實踐過程中發現問題、分析問題和解決實際問題[1]。《液壓傳動技術》課程是與實際工程技術聯系緊密，實踐性非常強的一門專業基礎課。要學好這門課，學生不僅要從液壓傳動技術相關的理論知識入手，也要具備一定的工程實踐能力。因此教學實驗對于液壓傳動具有十分重要的意義，有助于學生深刻理解書本知識，提高實踐動手能力，做到理論與實踐相結合。

二、目前存在的問題

目前液壓傳動技術教學仍采用先由教師在課堂上進行理論知識的系統講授，然后再安排學生到實驗中心或基地由實驗教師指導相應實驗的教學方式。然而隨著液壓傳動技術在汽車上的廣泛應用，目前實驗教學條件不足及手段簡單這一現實問題愈加凸顯。現行培養模式下液壓傳動實驗存在如下問題。

1.教學學時壓縮，學生沒有足夠時間進行全面完善的液壓傳動實驗。以同濟大學汽車學院的課程安排為例，《流體力學與液壓傳動》總共51課時，其中液壓傳動部分為24課時，分配在實驗上的時間及其有限。

2.實驗內容陳舊單一，而且過于簡單，主要為液壓元件結構實驗和液壓基本回路實驗，沒有與汽車相關知識進行有機融合，使得學生對于液壓傳動在汽車上的應用缺乏整體性的認識。

3.液壓傳動在應用上，由于其工作條件要求良好的密封性，因此在實驗中無法看到液壓元件的內部結構和流體流動，使得學生無法深刻了解其內部構造、流體流動過程以及各個元件的工作原理。

4.實驗課程中采用的一些有機玻璃制作的示教模板，既粗糙又缺乏真實感，而且由于元器件過小使學生難以看清。

三、虛擬實驗的意義

計算機軟、硬件技術的發展為上述問題提供了解決方案，那就是虛擬實驗。從枯燥單一的傳統教學方式、相對抽象的靜止且平面化的內容，到計算機多媒體可視化教學[2]，是目前教學實驗的發展趨勢，在這個過程中，虛擬實驗將逐步取代現有傳統實驗。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果[3]。進行液壓傳動實驗的計算機虛擬動態仿真技術開發，通過可視化的虛擬仿真演示，將密閉空間內的流體液壓實驗進行“可視動態”展示，嘗試將液壓傳動技術理論知識與計算機多媒體動畫技術相結合用于課堂實驗教學，更好的達到課堂實驗教學的目的，輔助該課程的學習。該課堂實驗教學課件的實施具有積極的意義，具體如下。

1.液壓傳動技術課程具有很強的工程應用性和實踐性，實驗是個必備的課程教學環節，所以這類課程需要開發高交互性的虛擬實驗系統[4]，這也是卓越工程師課程建設上的一項重要工作和內容[5]，同時可以為學校的慕課（MOOC）建設積累經驗。

2.填補實驗教學內容上的不足。可視化實驗回路虛擬動態仿真技術開發，可以為汽車專業高級人才提供生動豐富的課上實驗教學內容展示；虛擬實驗系統提供仿真的實驗環境和設備條件，彌補實際實驗室硬件條件的局限。減少實驗設備實際成本投入，使實驗教學工作不再受時間和人力成本的限制，緩解了實驗設備的矛盾。而且學生通過虛擬實驗操作來熟悉實驗流程和元器件功能，掌握相關的動作順序和操作步驟，也不會因誤操作而損壞儀器設備。

3.實驗虛擬仿真動態技術的開發，可以將車輛工程專業其他專業課程教學實驗上涉及到的液壓技術知識集大成于一套課件中，統一講授，比如《汽車構造》、《汽車理論》、《汽車設計》中的液壓部分知識。基于前面液壓傳動技術相關實驗，可以加深這些專業課程中涉及的液壓傳動技術知識，虛擬實驗技術的開發也可以促進對這些課程實踐環節的理解和掌握，加強汽車專業的整體教學效果。

四、虛擬實驗課程實施

液壓傳動虛擬實驗將通過綜合軟件制作和現實場景錄制兩種途徑實施。利用計算機軟件強大的動畫功能，制作形象生動的虛擬實驗回路；利用現實場景實驗錄制技術，將虛擬仿真實驗中存在的元器件和動畫過程在課堂教學場景中顯示，從虛擬仿真到真實場景實驗，全方位展示實驗過程。以剖視圖形式展示液壓系統的基本組成，如動力單元、控制單元、執行單元和輔助單元，以及這些元器件的內部結構、順序運動關系及工作流程上的順序；從時間上可以看出各個元件運動的先后順序，有些同時發生，有些用控制元件控制順序發生；從結構形式上可以看到三維半剖視圖，由內而外觀察元器件結構，從而全方位達到為學生完整展示實驗過程的效果，加深學生對理論知識的理解和把握。

利用計算機虛擬仿真技術和現場試驗相結合的方法，以學生作為演示對象，結合理論教學進度和教材中所有章節內容，重點實施如下。

1.元件圖片展示。通過拍攝元件實物圖片讓學生直觀認識液壓傳動中的元器件，并認識實驗中涉及的相關元器件的實際形態。

2.關鍵元器件動畫虛擬仿真。將液壓傳動技術中關鍵的元器件進行繪圖，進而轉換為動畫形式播放，使學生能夠透視、直觀地觀察流體在元器件內部進入、流出的全過程，結合流體力學原理的講解，讓學生將理論與實踐相結合，深刻理解課堂講授內容。通過對課本中涉及的關鍵元器件及流體原理中的抽象流動過程加以虛擬仿真，現實還原，不僅能看到平時看不到的流體流動方向，而且能互換回路，實現流體反向進出，拓展學生思維。這一做法能夠更進一步的展示液壓元器件的工作過程，理解其原理和定義，讓學生“真實”認識到流體的流動特性。

3.實物的三維模型展示。作為課堂實驗演示過程中的基本單元，液壓元器件實物的三維實體模型的建立是一個關鍵環節，應對回路中涉及的液壓元件在AutoCAD或者Solidworks工具中按照實物尺寸和形狀做出三維實體模型。對有些元件作剖開處理以便能觀察到內部，如流體層流紊流過程、液壓泵、液壓缸、液壓閥和其他相關元件。通過三維建模方法，建立元器件的三維模型、半剖視圖和全剖視圖，讓學生真切了解內部結構和微觀尺度下結構的形態，從而實現對流體在微觀和內部流動形態部分的理解和掌握。

4.虛擬現實與動畫設計。將完成的三維實體模型輸入3D Studio MAX場景中，編輯出與真實元件接近的材質感來，并對一些零件作一定的透明處理使觀察者能看清內部。三維動畫的設計分為兩個部分，一部分為每個獨立的液壓元件結構及工作過程動畫，用于虛擬仿真從主面板上放大單一元件的工作過程及結構，使學生能清楚地看到細節。這一部分由于相對獨立，運動件的運動規律多為平移和旋轉顯得不太復雜。另一部分為主演示面板動畫設計[6]，從前述實驗原理及過程分析可看出其中的動力元件、控制元件、執行元件。由于各元件運動的相關性，在時間上又非常嚴格，因此，在動畫時間上將整個實驗精確地劃分開來，按時間劃分來做主演示板三維動畫的分鏡頭。通過虛擬現實技術，實現對模塊化元器件的組裝和管路拼接，組成流體和液壓回路，并通過動畫設計，實現流體流動，讓學生掌握設計和虛擬仿真實際流體流動的真實過程。

5.實現場景實驗錄制。在廣泛調研的基礎上，篩選流體和液壓傳動技術中的關鍵試驗，利用近距離高分辨率攝像機，對虛擬仿真中的流體液壓試驗進行現場試驗記錄。在教學上，將仿真實驗和現場場景實驗相結合，讓學生更深刻理解實驗過程和實驗目的。通過真實實驗的現場試驗錄像，讓學生在現實試驗中對虛擬仿真的流體液壓回路進行真實的驗證，使學生更真切的感受實驗的真實性，并能夠更全面的了解實驗過程，加深和對實驗設備本身的理解和掌握，這部分在上述動畫和虛擬模型中均有應用。

五、結語

通過該應用的實施，可以使理論教學與課堂實驗教學環節更加緊密地結合起來，提高車輛工程專業本科學生對實驗教學的重視程度，激發學生對本專業基礎課程的學習興趣，也可以提高學生的實際動手能力、分析問題能力和綜合運用知識解決問題的能力，為勝任今后的工作和學習打下了良好的基礎；提高師生的科研能力，為后續的課程設計和畢業設計奠定一定的基礎。

參考文獻：

[1]潘靜，張波，胡小南.《流體力學與液壓傳動》實驗教學方法改革[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2010，12（5）：141-142.

[2]韓克鎮，劉軍營，王勇，等.卓越工程師培養目標下的液壓傳動實驗教學改革探討[J].實驗室科學，2013，16（1）：86-88.

[3]仇電全.利用虛擬實驗，提高試驗效率[J].吉林教育，2014，（5Z）：91.

[4]高振國.基于Flash建立的虛擬液壓回路系統的研制[J].實驗技術與管理，2008，25（8）：83-88.

[5]陳云富.液壓傳動實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2007，24（10）：137-138.

[6]鄧向明，崔平正.計算機模擬動態演示液壓傳動基本回路實驗的制作[J].新疆石油天然氣，2000，（1）：56-59.

Discussion on the Application of Virtual Experiment Technology in the Application of "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission"

ZHANG Zhi-ming1，ZHANG Juan-nan2，LI Chang-hao1，WANG Yi-gang1，ZHANG Tong1

（1.School of Automobile Studies/Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：The main problems exist in the "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission" course of vehicle engineering are less class time and lack of the experiment，combined with the project of “Excellent Engineer Education Plan Requirements”，based on the development trend of experimental visualization teaching，discuss some solutions to replace the real experiment with virtual experiment，some implementation plan and key construction content are proposed on virtual experiment of the hydraulic transmission course，hope to provide a development way for the construction of hydraulic transmission course in Universities.

Key words：hydraulic transmission；excellent engineer；virtual experiment