虛擬樣機技術在新辦機車車輛專業教學中應用的必要性探討

孫效杰

摘要：隨著高速鐵路、城軌交通的快速發展及國家“一帶一路”倡議的實施，機車車輛一線工程技術人才的需求呈現爆發式增長，一大批本科院校相繼新辦機車車輛專業。本文首先列舉了新辦機車車輛專業在理論與實踐教學中存在的問題，然后設計虛擬樣機技術在專業教學環節的應用方案，最后歸納闡述了虛擬樣機技術的優勢與價值：擴展專業教學手段，彌補實驗條件不足。

關鍵詞：虛擬樣機；機車車輛；專業教學；實踐課程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）14-0162-02

一、引言

我國目前處于高速鐵路、城際軌道交通、城市軌道交通高速發展階段。預計到2020年，250公里/小時以上鐵路建設里程將超過1.8萬公里，占世界高速鐵路總里程的一半以上；城市軌道交通線將超過6000公里，其中截止到20017年底，上海市城軌交通運營總里程已達666公里（含磁浮），預計到2020年將超過830公里。另外，我國“一帶一路”倡議的實施，正在逐步向國外輸出軌道交通工程項目。高速鐵路和城軌交通的快速發展，極大地推動了地方本科院校興辦軌道交通專業的熱情，其中包括機車車輛作為應用型本科特色專業受到追捧。然而地方高校在實際辦學中，機車車輛專業一方面必須非常注重實踐教學環節，培養面向一線站段的、應用型性的、本科水平的技術人才要求，另外一方面卻面臨著實驗室建設時間短、資金不足，實踐教學條件有限的難題。機車車輛專業的實驗條件建設成為限制新辦專業發展的重要一環[1]。

二、新辦機車車輛專業的困境

1.實驗教學條件問題。機車車輛是一個依托軌道交通行業的特殊專業。與老牌鐵路院校或鐵路職業院校多年辦學不同，地方高校新辦專業時，其基礎一窮二白。除師資外，最缺乏足夠的實驗設備、場地及器材等硬件，不說機車車輛實驗平臺、綜合實驗線等大型實驗系統，甚至連基礎的高速鐵路和城市軌道車輛教具、模型都不齊全。這是因為機車車輛專業實驗設備一般功能單一，如典型的轉向架模型、制動系統、牽引傳動等演示教學類設備，基本無法應用于科學研究，另外價格昂貴，院校經費投入比較大，建設周期比較長，這些會嚴重制約專業的快速發展。另外在培養模式上，地方院校新辦機輛專業以“重基礎、寬口徑”為出發點，面向高速鐵路和城市軌道交通兩個既有統一性、又有突出不同點的就業方向。這對專業實驗教學條件提出了更高的要求，需要同時滿足兩個不同就業方向。

2.校外實訓基地不足。以“培養卓越一線工程師”為導向的新辦機車車輛專業，校外實訓基地的建設在整個課程體系建設中的作用尤為重要，是解決校內實驗設備緊缺，大部分設備偏教學演示，學生接觸實際系統不足難題的重要手段。然而，由于機車車輛作為非常專業且相對獨立的行業，使得新辦專業院校在拓展校外實訓基地時會遇到很大困難，主要是因為：首先，機車車輛緊密相關的企業單位是數量不多的大型國企、央企，新辦專業的院校與它們交流、合作的基礎薄弱，建設與落實學生聯合培養、實訓基地等方面需要克服較多困難，周期較長；其次，機車車輛實踐基地具有繁重的日常運維或生產制造工作，安排學生大規模、長期的實訓項目存在一定的困難。

三、虛擬樣機技術在專業教學中應用

1.虛擬樣機技術簡介。虛擬樣機（VP，Virtual Prototyping）技術作為一種全新的、面向產品全壽命周期的產品設計、優化和生產的數字化研發方法，具有方案模擬水平高、可重復性好、修改與優化方便等優勢，可縮短產品的研發周期，降低產品的成本，已在各行各業中研發體系內扮演著重要角色，并逐步滲透到專業教學中。

2.課程教學應用設計。基于虛擬樣機技術，可實現機車車輛系統的設計、分析及方案改進優化，內容包括靜力學、運動學和動力學。在機車車輛專業實際教學中，虛擬樣機技術可以應用課程包括：（1）機械原理、機械設計等專業基礎課程。可利用MSC.ADAMS的物體、力、鉸接等元件，建立彈簧振子、連桿等機構，學習約束、驅動、自由度等概念；使用凸輪、齒輪、軸承、帶、鏈、繩索等機械包組件，可以搭建虛擬機械運動平臺，讓學生通過動手操作，設計、修改機械部件，學習機械傳動原理，多次重復觀察如齒輪嚙合、滾動接觸、振動沖擊等復雜、難懂的物理現象。[2，3]（2）機車總體及走行部、城軌車輛結構與原理、動車組運用與維修等。可使用UG，CATIA等三維CAD軟件制作零部件圖、裝配圖、爆炸圖等圖片、動畫課件，詳細展示輪對、轉向架、車體等復雜軌道車輛結構，配合模型教具，便于學生直觀的學習軌道車輛結構與原理；可設計虛擬裝配、維修實踐課程，使得學生可以反復練習結構拆裝、維修，為到動車所、地鐵車輛維保等單位工作奠定基礎。（3）列車牽引、機車動力學基礎、綜合實踐等。可使用MSC/ADAMS，SIMPACK等動力學軟件，具有友好的操作界面。在實際教學實踐中發現，學生學習、掌握振動與動力學操作界面，學習車輛系統動力學理論基礎后，通過簡單的操作練習，可以建立各類機械構件、機車車輛的虛擬樣機模型，并進行動態仿真模擬，獲得對象的動力學和運動學性能指標。典型仿真試驗包括：車輛/輪對蛇形運動、臨界速度仿真試驗，車輛/列車舒適性、平穩性、安全性仿真試驗，列車牽引、制動仿真試驗。這些仿真試驗不僅可以在機車車輛專業課中穿插使用，展示動力學相關概念及知識，而且可以作為專業綜合實踐（轉向架測試綜合實踐和機車車輛綜合實踐）的一部分，補充試驗條件上的不足。[4]使用虛擬樣機技術應用在軌道車輛教學中，可強化對課本理論知識的理解，可以用于結構方案的優化設計，并培養動手的能力和創新設計思維

3.虛擬樣機應用在教學中的技術優勢。（1）教學與實驗成本降低。利用虛擬樣機技術的低成本的優勢，一些實驗裝置和設備價格高昂，如車輛牽引制動試驗、列車運行動態性能監測試驗，這些完全可以借助仿真實驗平臺來完成。在課程教學中不用購置實際的實驗裝置，也不存在設備損壞、折舊的風險，減少實驗設備的投入，實驗成本低廉。（2）實驗重復性高。基于虛擬樣機技術設計的實驗課程可重復性高，實驗結果一致性好，方便指導老師同時指導多組學生同時操作實驗。（3）功能強大、組合靈活。傳統實驗設備一般功能單一，而虛擬樣機技術功能強大，可以根據實際教學、科研需要模擬各類實際工況，開展從簡單的結構原理觀察實驗到復雜的系統結構設計、優化實驗，組合靈活多樣，可滿足不同年級、不同學習層次的學生教學應用。（4）無危害人身安全的風險。機車車輛專業在實踐課程中的學生安全問題一直比較棘手，由于在鐵路現場進行集中實踐教學時指定老師難以照顧到每一個學生，人身安全隱患較大，使得動手實踐內容與質量大打折扣。虛擬樣機技術是在計算機上模擬，可有效解決在鐵路現場中實驗人員的安全問題。

四、結語

地方院校機車車輛專業的目標定位與傳統鐵路優勢高校是錯位的，其培養的畢業生主要是面向鐵路車輛運用、維護與檢修的一線工程師，學生的動手與實踐能力要求比較高。然而，作為地方院校新辦機車車輛專業，因專業建設周期短、實驗室設備投入不足，在教學和科研的教具實驗室、試驗線及校外實踐基地等方面一般存在不足。

參考文獻：

[1]潘玉娜.淺談地方本科院校新辦機車車輛專業[J].課程教育研究，2013，（31）：227-228.

[2]董振，唐治宏.虛擬樣機技術在機械創新設計虛擬仿真實驗教學中的應用[J].教育觀察，2018，（3）：76-79.

[3]張偉.機械原理教學中虛擬樣機技術的應用實踐[J].中國電力教育，2014，（2）：152-153.

[4]路永婕，鄭明軍，王軍.虛擬樣機技術在車輛工程專業教學中的應用研究[J].科技資訊，2015，（31）：177-178.