虛擬仿真取代實車測試的高校教學研究

王鈺明， 顧添翼， 陳一梟， 湯天培， 朱森來， 徐定偉

（1.南通大學交通與土木工程學院；2.南通開放大學機電工程學院，江蘇南通226019）

0 引 言

汽車構造是車輛工程專業的一門專業必修課，這門課程涉及機械設計基礎、電工電子學等多門專業基礎課程，是學生對專業基礎課程的全面應用。學習本課程能夠讓學生掌握汽車的基本機構、工作原理及操作和調整的基本方法，教學目標是使學生較熟練地掌握車輛的部件結構，各總成的結構特點和工作原理等相關知識，使學生成為基礎知識牢固、能主動思考問題、分析問題和解決問題的車輛工程專業技術人才。

對于課堂教學，眾多學者開展了相關研究。丁祥海等［1］運用Living Lab課堂模式開展教學實踐研究。鄒曉東等［2］則充分發揮模擬與仿真的工程科學作為第二課堂的作用，激發學生主動參與實驗熱情，加大開放力度，讓更多的學生主動走進實驗室。開放式創新型實驗教學模式也被引入到大學的教學模式中［3］。同時中山大學和重慶大學的教師也通過各種方法豐富實驗教學手段，讓課堂教學與實驗有機地結合到一起［4-10］。

基于以往的研究成果［11］，本門課程要求學生具備較強的動手能力，包括多個綜合性、設計性實驗和實踐實習環節。主要包括汽車結構總體認識、曲柄連桿機構拆裝、配氣機構拆裝和離合器和變速器拆裝等實驗。對于上述實驗，由于拆裝的對象體積較小，原理知識明確，學生易于上手操作。而對于汽車車身結構原理認識這類實驗，由于其結構看似簡單，但涉及到力學，材料學等相關知識，通過講解很難短時間讓學生明白設計原理。同時車身體積較大，試驗的相關設備要求較為專業，實驗的成本也相對較高。根據現階段學生的學習特點，更需要提供一種從感性認識到理性認識的學習工具，這些都對車身實驗教學工作提出了較高要求。通過大量的調研與實踐，開發一款虛擬仿真結構認知和有限元仿真相結合的汽車車身實驗、實訓項目來滿足學生的需求［12-13］。

1 客車車身結構課堂教學組織

1.1 客車車身理論知識

汽車車身的作用主要是保護乘員以及獲得良好的空氣動力學特性。按照分類方法，車身結構可以分為非承載式和承載式兩種。非承載式車身通過彈簧或橡膠襯套與車架連接。車架作為整車的基礎，承受著在其上所安裝的各個部件和方向傳遞上過來的扭矩和載荷。車身只承受載荷和慣性力，在車架設計時不考慮車身對車架承載所起的輔助作用。非承載客車車身結構的優點是：整車的緩沖吸振作用不僅可以通過輪胎與懸架系統來傳遞，同時橡膠襯套等還可以起到輔助減振、吸收車架的扭轉變形和降低噪聲作用，對乘坐的舒適性和安全性都有一定的幫助。但是由于設計計算時不考慮車身承載的重量，故必須保證車架有足夠的強度，導致整車質量增加，與目前整車設計要求輕量化的要求不符。

全承載式客車車身技術是目前主流的客車車身設計方法，在國內外已經得到廣泛應用。全承載式車身是整個車身都要承受一定的扭矩和載荷，如圖1所示。全承載客車車身結構的優點是：車身輕量化水平高，結構剛度高，比傳統的非承載式客車車身具有更好的操作穩定性、燃油經濟性和舒適性。因此它逐漸成為客車設計的主流。

圖1 全承載車身模型

1.2 客車車身受力分析

在車身教學環節中，可以利用UG軟件與課堂教學相結合，實現教學方式的多樣化。

比如利用有限元對客車的車身骨架進行靜態計算，分析工況可以分為：勻速直線行駛工況、彎扭工況、緊急制動工況、急速轉彎工況。

1.2.1 勻速直線運動工況分析

該工況下客車4輪均著地，車身承受來自地面的對稱垂直反作用力載荷，車身在縱向發生彎曲變形。計算分析中，對客車滿載狀態下，應用車身質量和載荷與動載系數的乘積，模擬應力分布與變形情況。動載系數設為2.5。

1.2.2 彎扭工況分析

該工況指客車低速通過高低不平的起伏路面，由于出現單輪短暫懸空，客車車身受到彎曲和扭轉組合力矩作用的情況。該工況下單輪出現短暫懸空，由于時間較短，車身受到的慣性載荷相對較小，故視此彎扭特性為靜態分析工況。實踐證明，該工況下，前單輪懸空時，客車車身在自身重力及相關載荷作用下將受到最大縱向扭矩作用力，由于該客車車身不是完全對稱的，需分別對左右前輪懸空兩種不同彎扭組合工況進行分析。

1.2.3 緊急制動工況分析

當客車緊急制動時，整車車架和車身結構會承受縱向的慣性作用載荷，此時客車的前后軸載荷變化較大，整車內力、應力分布會有很大程度的改變。路面附著系數為0.8。

1.2.4 緊急轉彎工況分析

此時客車車身除了受自身重力載荷外，還要受到一個橫向的慣性力，致使客車車身左右兩側受力情況出現較大變化。通過施加一向心加速度為的轉動慣性力（取值為0.4 g），車身設定密度及轉彎加速度，加載慣性力。

2 客車車身虛擬仿真教學組織

2.1 客車車身虛擬拆裝軟件的教學組織

網絡化教學作為新興的教學方式正越來越多地應用到教學之中。校園網逐漸發展成為有效的教育載體，成為輔助教學的重要資源，具有信息量大、交互性強、覆蓋面廣等特點。建立汽車構造課程網絡虛擬實驗室，如圖2所示，使學生能夠通過電腦實時的模擬汽車總成部件的拆裝。它不僅能夠豐富實驗教學內容，更重要的是對一些受到實驗場地限制的實驗或者是缺乏實驗條件的學校，通過虛擬拆裝同樣能夠實現各種總成部件的認知學習，讓更多的學生參與到拆裝中，對動手能力要求較高的實驗課程教學提供了一種新思路。

圖2 汽車車身虛擬拆裝實驗室

2.2 ANSYS／Workbech虛擬仿真平臺在車身結構的教學組織

ANSYS／Workbech主要由4部分組成：分別是建立CAD幾何模型Design Modeler模塊；實現網格劃分、求解以及后處理的Design Simulation模塊；實現部件優化Design Xplorer模塊以及FE Modeler模塊。利用ANSYS／Workbech軟件，根據建立的客車車身三維模型；通過網格的劃分、約束及相關載荷的施加，建立有限元模型；通過靜力學和動力學分析計算得到相關有限元計算結果。

與以往的車身結構原理教學相比較，采用虛擬仿真實驗進行汽車車身結構原理實驗具有以下三方面優勢：

（1）突破教學環境中實驗條件的限制。在不購買昂貴的實驗儀器和設備的條件下，同時實現多人共同操作的要求，提高每一個學生的動手能力。

（2）虛擬仿真實驗可多次重復進行。可以更直接多角度地進行相關拆裝實驗，有利于學生更好地熟悉車身結構參數和設計方法。

（3）學生可以自由安排實驗時間和實驗內容。提高實驗的靈活性，還可以開展一些創新實驗實踐活動。

汽車車身結構原理虛擬仿真實驗教學貫穿課前預習、課堂教學和課后練習整個教學過程。學生在進行虛擬仿真實驗時必然會遇到各種實際問題，教師可針對學生感興趣的問題進行引導，講解學生感興趣的前沿技術、操作技巧，加強師生之間、學生之間、理論教學與實驗教學之間的良性互動［14-15］。

3 客車車身強度虛擬仿真實驗案例

3.1 虛擬仿真模型的建立

車身骨架結構組成：底部骨架、頂蓋骨架、左側圍骨架、右側圍骨架、前圍骨架、后圍骨架等。在有限元分析軟件中導入客車車身的三維數模，主要包括底盤車架和車身骨架。對各區域部件進行區分及命名，對三維數模進行模型簡化，模型簡化內容如下：半徑為5 mm以下的孔洞，過渡圓角或倒角，2 mm以下搭接邊凸臺等幾何細節。在有限元分析過程中，以上幾何細節增加計算機仿真計算工作量，同時由于影響單元質量進而影響計算精度。

對三維模型進行離散化建模，具體建模設置方法如下：對于客車骨架結構劃分為6面體網格，主要網格尺寸為40 mm，對于體積較大的結構，線網格進行相應的放大。客車骨架模型網格劃分為164 249個單元。

3.2 施加載荷和約束

（1）加約束。客車車身由鋼板彈簧懸架支撐，彈簧懸架由前簧和后簧構成，具體邊界如表1。

表1 客車車身的邊界條件

（2）加載荷。靜態分析中車架為靜載荷作用形式。其組成如下：車身和車架的自身質量、車架上各總成與附屬質量、有效載荷質量（乘客與行李的總質量）。

載荷分配情況如下：

①乘客的重量按照集中載荷在其支架上進行均勻分布；

②電池、電機、油箱、水箱、座椅等部件按照集中載荷進行加載；

③車身總重量由設定密度及重力加速度，使其產生自重。

3.3 虛擬仿真模型的結果分析

利用有限元對客車的車身進行靜態計算分析，應用VonMises準則判定車身材料是否發生塑性變形。客車車身結構強度應力分析結果如圖4所示，客車車身骨架材料為Q235，屈服強度為235 MPa，抗拉強度極限為410 MPa，各工況最大應力值范圍為：194.43～208.11 MPa，均小于材料屈服強度，符合強度設計要求，各工況下的車身最大應力，見表2。

圖3 全承載車身應力云圖

圖4 全承載車身應變云圖

表2 客車車身結構強度應力分析結果匯總

客車車身結構剛度變形以位移量值表示，各工況下客車車身的變形位移量值范圍為2.771 3～4.148 6 mm，位移值較小，符合剛度設計要求，統計結果見表3。

表3 客車車身結構剛度位移分析結果匯總

3.4 虛擬仿真實驗教學互動和反饋

引導學生通過優化仿真模型中的相關參數，得到不同的實驗結果，并根據實驗結果進行細致、科學的分析，得出車身結構設計中的重要部分，最終培養學生養成一定的分析和解決問題的能力。在上述虛擬實驗中，學生通過ANSYS／Workbech仿真分析，可以明確得到如下結論：客車車身在彎扭工況下收到的應力最大，達到349.2 MPa，而在緊急制動工況下客車車身結構剛度位移則達到最大值，為3.450 5 mm。即使在各種極限工況下，客車車身的強度和剛度也能滿足設計要求，對學生理解客車車身設計提供了一種思路，幫助學生加強所學知識，激發學生自主學習的興趣，培養學生實踐動手能力。

4 結 語

本文將虛擬仿真拆裝和ANSYS／Workbech仿真分析引入到教學實驗中，設計了基于虛擬仿真拆裝的客車車身認知實驗和ANSYS／Workbech客車車身強度虛擬仿真實驗，通過虛擬仿真拆裝，學生了解了全承載式車身和非承載式車身的區別，運用ANSYS／Workbech有限元分析，得出：客車車身在彎扭工況下受到的應力最大，達到349.2 MPa，而在緊急制動工況下客車車身結構剛度位移則達到最大值，為3.450 5 mm。即使在各種極限工況下，客車車身的強度和剛度也能滿足設計要求。通過該仿真實驗教學，給學生提供一個學以致用、提高動手能力的平臺，學生通過虛擬仿真實驗的學習，可以從中學習ANSYS／Workbech的建模、網格劃分、仿真分析等方法，培養學生利用先進仿真軟件解決實際科研問題的能力。將ANSYS／Workbech仿真融入客車車身實驗教學中，不僅可以促進學生對車身設計的理解，還能培養學生自主學習的激情。這種虛擬仿真與實驗教學相結合的教學模式能有效提高實驗教學的質量，培養學生運用所學知識解決實際問題的能力。