計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

李偉 肖平

摘 要：隨著我國汽車產(chǎn)銷量的不斷增長，市場(chǎng)對(duì)車輛工程專業(yè)人才的需求也越來越大，很多高校紛紛開辦了車輛工程專業(yè)。該專業(yè)辦學(xué)具有設(shè)備投入大、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地局限以及實(shí)車實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，為了解決這些矛盾，在對(duì)車輛工程專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，即采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以進(jìn)行多種汽車虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以部分地取代實(shí)車實(shí)驗(yàn)，也可以得到良好的教學(xué)效果。本文結(jié)合Advisor仿真軟件介紹了采用該軟件進(jìn)行汽車匹配和多工況虛擬仿真的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：車輛工程專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；Advisor軟件

一、緒論

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車在我國也越來越普及，我國已經(jīng)名副其實(shí)地邁入汽車社會(huì)[1]。目前，我國汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)超過2000萬輛，汽車企業(yè)都在不斷地?cái)U(kuò)大再生產(chǎn)，整個(gè)社會(huì)對(duì)汽車類人才的需求量也越來越大。因此，很多高等院校都紛紛開設(shè)了車輛工程專業(yè)[2]。車輛工程專業(yè)是應(yīng)用型專業(yè)，非常注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，這要求各個(gè)高校必須加大對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入。但是目前很多高校都處于快速發(fā)展期，各個(gè)專業(yè)、學(xué)科對(duì)資金投入的要求都在增加，很多高校無力承受這一沉重負(fù)擔(dān)，使得實(shí)踐教學(xué)受到影響。目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已日趨成熟，可以依托性能優(yōu)良的電腦設(shè)備進(jìn)行各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)于車輛工程專業(yè)來說，這些仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)實(shí)車實(shí)驗(yàn)有力的補(bǔ)充、甚至可以部分地取代實(shí)車實(shí)驗(yàn)。這對(duì)資金投入不足或受產(chǎn)地限制的高校的實(shí)踐性教學(xué)具有非常重要的意義。目前，汽車仿真軟件很多，如Adams、Flunt、Anasys等，其中Advisor仿真軟件是由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室在Matlab/S imulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件[3]。該軟件可在給定的道路循環(huán)條件下（工況）利用車輛各部分參數(shù)快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性等性能。應(yīng)用Advisor軟件可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)從而讓學(xué)生比較直觀地了解汽車的結(jié)構(gòu)組成、動(dòng)力匹配、能量消耗、尾氣排放等知識(shí)，給學(xué)生提供一個(gè)將書本理論知識(shí)應(yīng)用到汽車工程實(shí)踐的平臺(tái)，為學(xué)生日后從事汽車設(shè)計(jì)制造奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

二、基于Advisor的汽車匹配教學(xué)實(shí)驗(yàn)

讓學(xué)生熟悉和掌握各種汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)匹配是開展車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要的一步，在無法進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)的條件下，Advisor仿真軟件可以為學(xué)生很直觀展現(xiàn)各種汽車的結(jié)構(gòu)，特別是新能源汽車的結(jié)構(gòu)匹配關(guān)系[4]。圖1是Advisor環(huán)境下電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)圖，該圖是基于Matlab/Simulink建立的。從圖中可以讓學(xué)生清楚地了解到電動(dòng)汽車首先根據(jù)路面狀況將需求力矩傳送給車輪，車輪又將該信息傳送到變速器中，進(jìn)而該扭矩信息又進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)需求力矩消耗的電能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)汽車車輪前進(jìn)，整個(gè)過程中都伴隨著電能的消耗。學(xué)生在該過程中會(huì)認(rèn)識(shí)到每個(gè)部件不僅僅是機(jī)械連接，更多的是部件之間還會(huì)相互影響與限制，而這些都是在理論教學(xué)中無法直觀表達(dá)的。

圖2是Advisor環(huán)境下GUI主界面，也稱為交互操作界面，通過該界面，學(xué)生可以輸入汽車的各種參數(shù)從而對(duì)汽車進(jìn)行定義。界面的左側(cè)為當(dāng)前選中的汽車類型圖像，右側(cè)是用戶操作區(qū)域，圖像會(huì)隨著用戶操作的不同而變化，通過這些可以使學(xué)生了解各種汽車的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)匹配關(guān)系。圖中界面左上方為汽車的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)識(shí)了汽車的動(dòng)力傳動(dòng)以及能量流動(dòng)，學(xué)生單擊圖中的汽車部件后會(huì)彈出編輯對(duì)話框[5]，例如點(diǎn)擊發(fā)動(dòng)機(jī)圖標(biāo)會(huì)彈出發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)列表，在該列表中顯示有FC_INSIGHT、FC_TT_IC和FC_SI186等眾多發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)。若在列表中沒有型號(hào)合適的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以點(diǎn)擊View/Edit M_file進(jìn)入Matlab程序中修改發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)使之滿足使用需求。這些對(duì)于無力購買實(shí)車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高校來說具有重要的意義，通過簡單的參數(shù)修改即可得到一臺(tái)“全新”的汽車而無需購置汽車實(shí)物。界面左下方是傳動(dòng)系統(tǒng)的性能曲線菜單，該菜單包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、學(xué)生可根據(jù)需要點(diǎn)擊下拉菜單查看不同曲線，每種曲線的工作狀態(tài)和特性均在左下角顯示出來，便于學(xué)生快速掌握部件的工作特性。圖2右上方表示的是汽車的類型下拉菜單，菜單中有目前比較常用的車型，比如電動(dòng)汽車車，公交車，城市越野SUV等，在其下方表示的是車輛的動(dòng)力組成，包括并聯(lián)式車型、串聯(lián)式車型、純電動(dòng)車型。在下方的欄目中列出有不同的部件，學(xué)生可以再次修改參數(shù)，這與單擊左邊車輛圖表修改參數(shù)具有相同的效果。將車輛信息定義好后單擊SAVE按鈕可以該汽車文件保存，方便以后修改，單擊CONTINUE進(jìn)入下一步操作[6]。該種交互式界面做到了簡潔明了，直觀易懂，可以很方便學(xué)生的掌握和理解，一定程度上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性。

總之，通過Advisor軟件平臺(tái)可以使學(xué)生很直觀地對(duì)汽車結(jié)構(gòu)原理、系統(tǒng)傳動(dòng)鏈、排放情況以及能量流動(dòng)方向進(jìn)行認(rèn)知和匹配實(shí)驗(yàn)。雙擊圖1和圖2中的各個(gè)模塊可以進(jìn)入模塊編輯界面，Advisor允許對(duì)模塊進(jìn)行修改，可以根據(jù)實(shí)際情況增減參數(shù)。每種車型都具有Simulink結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生可以根據(jù)需求選擇不同的車型進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)課本知識(shí)，自主搭建新車型進(jìn)行結(jié)構(gòu)認(rèn)知和匹配實(shí)驗(yàn)。

三、基于Advisor的多工況汽車仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)

在Advisor環(huán)境下，當(dāng)學(xué)生確定好車型參數(shù)后，可以結(jié)合各種工況進(jìn)行仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。Advisror提供了幾十種汽車工況Map圖，每種工況代表了汽車車速與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反映在一個(gè)地區(qū)車輛的行駛規(guī)律。圖3為China1015和EUDC工況，分別描述了中國城市工況和歐洲城市工況，是目前電動(dòng)汽車實(shí)車實(shí)驗(yàn)中常采用的工況。從圖中可以看出China1015工程有較多啟停，而EUDC工況一直處于較高車速，這也能讓學(xué)生對(duì)于中國和歐洲的城市汽車運(yùn)行狀況有清晰的了解。仿真實(shí)驗(yàn)完全按照實(shí)際車輛行駛規(guī)律進(jìn)行，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以在仿真結(jié)果中查看所有的仿真數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)該數(shù)據(jù)繪制曲線，包括速度、排放、加速度、行駛里程、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)扭矩等曲線。從而可以使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解汽車在該工況下的整車及各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。例如，圖4為學(xué)生設(shè)計(jì)的某款混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分別在純電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的行駛里程和電池荷電狀態(tài)變化曲線。

總之，可以通過仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力學(xué)性能、運(yùn)轉(zhuǎn)特性等有著深刻的理解。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)地的限制，而這些實(shí)驗(yàn)在很多高校都是難以開展的。

四、結(jié)論

目前我國已經(jīng)是汽車大國，汽車的產(chǎn)銷量居世界首位，我國對(duì)汽車類人才的需求也越來越大。如何迅速地培養(yǎng)合格的汽車類人才是擺在所有具有車輛工程專業(yè)的高校面前的重大任務(wù)。為了緩解車輛工程專業(yè)教學(xué)設(shè)備投入大、實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)地局限，解決實(shí)車實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)車仿真實(shí)驗(yàn)可以部分地替代實(shí)車實(shí)驗(yàn)，起到良好的教學(xué)效果。Advisor軟件是一款代表性的汽車仿真軟件，可以進(jìn)行整車的設(shè)計(jì)與仿真，包括車型選擇、部件設(shè)計(jì)、整車參數(shù)設(shè)計(jì)、整車仿真等。該軟件允許高校在設(shè)備條件有限的條件下使汽車“跑起來”得到各種汽車工作數(shù)據(jù)。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以將書本理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作中，使學(xué)生實(shí)踐能力得到提高。因此，在目前車輛工程專業(yè)難以大幅度地進(jìn)行設(shè)備投入和場(chǎng)地投入的情況下，應(yīng)該大力發(fā)展虛擬仿真汽車實(shí)驗(yàn)從而在一定程度上替代實(shí)車實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]閔鶴.中國汽車營銷體系和汽車銷售市場(chǎng)結(jié)構(gòu)模式的探討[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)， 2016， （3）：168169.

[2]楊年炯.與專業(yè)認(rèn)證相銜接的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革探討[J].高教學(xué)刊， 2016， （17）：221225.

[3]孫建強(qiáng)，贠海濤，呂福麟，等.基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)[J].移動(dòng)電源與車輛，2013，（02）：3134.

[4]曾小華，宮維鈞. ADVISOR2002電動(dòng)汽車仿真與在開發(fā)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5]張振華.電動(dòng)汽車制動(dòng)能回收系統(tǒng)特性研究[D].青島科技大學(xué)，2011.

[6]張翔，趙韓，錢立軍，等.電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2004，（03）：4043.

基金項(xiàng)目：安徽工程大學(xué)2017年校級(jí)教學(xué)質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目——汽車工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（2017xnfzsyzx01）；安徽工程大學(xué)2012校級(jí)雙語教學(xué)示范課程——汽車技術(shù)概論；2017年度安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目資助“示范實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心——汽車工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（No.2017sxzx24）

作者簡介：第一作者李偉（1993），男，安徽合肥人，碩士，研究方向：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

*通訊作者：肖平（1973），男，安徽銅陵人，博士，副教授，研究方向：車輛工程專業(yè)教學(xué)與研究工作。