虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)在汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用分析★

吳光強(qiáng)，何東偉

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)通過(guò)建立三維數(shù)字化模型，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)仿真驗(yàn)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(yàn)，主要的優(yōu)點(diǎn)有：可以大幅度減少樣機(jī)制造試驗(yàn)次數(shù)，縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期，降低實(shí)際試驗(yàn)費(fèi)用；在復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者，產(chǎn)品用戶在設(shè)計(jì)階段信息的互反饋，使設(shè)計(jì)者全方位吸收，采納對(duì)新產(chǎn)品的建議；虛擬試驗(yàn)不受場(chǎng)地，時(shí)間和次數(shù)的限制，可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行回放、再現(xiàn)和重復(fù)。

虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)已經(jīng)成為新型教學(xué)手段，幫助學(xué)生逼真學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)真實(shí)感受來(lái)增強(qiáng)記憶，自主學(xué)習(xí)更容易讓學(xué)生接受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)在汽車(chē)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的必要性

汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，需要大量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。為降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研發(fā)非常合適，而汽車(chē)后期維護(hù)也可以通過(guò)虛擬試驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)和培訓(xùn)。

實(shí)驗(yàn)課老師往往會(huì)根據(jù)設(shè)備和教學(xué)大綱要求安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大部分試驗(yàn)都是靜態(tài)試驗(yàn)，主要原因?qū)嵺`教學(xué)成本高。比如因?yàn)橛行﹩闻_(tái)套設(shè)備比較貴，就會(huì)出現(xiàn)學(xué)生多，設(shè)備少的問(wèn)題。再如考慮到學(xué)生在試驗(yàn)過(guò)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(yàn)。尤其是近3 年的新冠疫情爆發(fā)期間取消了線下教學(xué)，不能現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，只能采用線上教學(xué)模式。

虛擬試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)往往安排在機(jī)房，可以根據(jù)學(xué)生人數(shù)批次采購(gòu)軟件服務(wù)點(diǎn)，每個(gè)學(xué)生都可以自主的操作控制虛擬試驗(yàn)，比如學(xué)生可以設(shè)計(jì)一個(gè)汽車(chē)零部件，設(shè)計(jì)完成后緊接著就可以進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果也可以立馬看到反饋，有利于分層次教學(xué)，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

2 汽車(chē)專(zhuān)業(yè)主要應(yīng)用

2.1 汽車(chē)虛擬拆裝

汽車(chē)構(gòu)造是汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，教學(xué)過(guò)程中選用了景格系列教學(xué)仿真軟件，軟件分為豐田、大眾、通用三個(gè)車(chē)系。以大眾車(chē)系為例，有發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、變速箱拆裝、底盤(pán)拆裝等。發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝過(guò)程中，學(xué)生需要將100 多個(gè)零件逐個(gè)按步驟安裝，出現(xiàn)安裝錯(cuò)誤會(huì)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(jī)構(gòu)，點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)，會(huì)生成爆炸圖，讓學(xué)生進(jìn)一步精準(zhǔn)理解課程。而通過(guò)虛擬教學(xué)平臺(tái)，可以針對(duì)不同車(chē)型的基本構(gòu)造、專(zhuān)車(chē)專(zhuān)學(xué)、由點(diǎn)到面、由表及里、循序漸進(jìn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)[1]。

虛擬裝配時(shí)，對(duì)裝配體進(jìn)行裝配規(guī)劃，對(duì)裝配順序、裝配方案、所用工具、夾具及裝配線等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)視覺(jué)傳達(dá)、語(yǔ)言提示，進(jìn)行演示。學(xué)生可以獨(dú)立的操作實(shí)驗(yàn)中的每一步，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立馬進(jìn)行修正，可以反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。這樣一套流程不僅使學(xué)生熟悉認(rèn)識(shí)了每一個(gè)零件的名稱(chēng)，還知道了每個(gè)零件對(duì)應(yīng)的位置，拆裝時(shí)候具體的順序，如果后面還有實(shí)物拆裝，往往能夠快速高效地解決，減少錯(cuò)誤和安全隱患。如圖1 所示，通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中拆裝汽車(chē)零部件。有一些高級(jí)的軟件可以借助VR 設(shè)備，讓學(xué)生有種身臨其境的感覺(jué)，通過(guò)佩戴信號(hào)采集設(shè)備，這時(shí)候可以通過(guò)肢體動(dòng)作進(jìn)行模擬拆裝，體驗(yàn)感更強(qiáng)。

2.2 汽車(chē)性能測(cè)試虛擬平臺(tái)

汽車(chē)?yán)碚撌瞧?chē)專(zhuān)業(yè)課中最重要的課程之一，很多高校汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)研究生入學(xué)初試或者復(fù)試都會(huì)將汽車(chē)?yán)碚撟鳛楸剡x。主要研究汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、舒適性、安全性、通過(guò)性等，里面公式多，有些理論也難理解，知識(shí)點(diǎn)也特別多，教師往往會(huì)選擇讓學(xué)生把這些理論、知識(shí)點(diǎn)死記硬背下來(lái)，很多學(xué)生背完，但不能應(yīng)用。整個(gè)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生難以將汽車(chē)運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)化，導(dǎo)致學(xué)生難以理解，實(shí)際操作能力更差。汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)（VPG，Automobile virtual testing ground）是集成數(shù)字路面模型、輪胎模型、汽車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型的一個(gè)虛擬仿真平臺(tái)，將物理的真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)道路的高精度數(shù)字化模型，導(dǎo)入車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件后，基于車(chē)輛模型和輪胎模型，可模擬實(shí)車(chē)在物理試驗(yàn)場(chǎng)中的行駛狀態(tài)，獲得與實(shí)車(chē)試驗(yàn)相一致的道路載荷譜數(shù)據(jù)，從而開(kāi)展整車(chē)疲勞耐久載荷的提取及分解、舒適性能分析及整車(chē)運(yùn)動(dòng)校核等[2]。如圖2 所示為汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)路線，圖3 為汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)構(gòu)架及分析。通過(guò)汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)，學(xué)生不用去死記硬背那些知識(shí)，只要會(huì)用就行，學(xué)生在使用過(guò)程中也更容易理解這些公式和理論，學(xué)生喜歡學(xué)便達(dá)到了那么教學(xué)的目的。

圖2 汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)路線

圖3 汽車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)構(gòu)架及分析

2.3 汽車(chē)檢測(cè)虛擬試驗(yàn)

汽車(chē)檢測(cè)試驗(yàn)也是專(zhuān)業(yè)必修內(nèi)容，在實(shí)車(chē)上進(jìn)行故障一些設(shè)置，讓學(xué)生根據(jù)儀器來(lái)排除故障，若故障設(shè)置點(diǎn)如果比較少，達(dá)不到檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果要求，而故障如果設(shè)置過(guò)多，學(xué)生不一定做得出來(lái)，還存在損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。如果讓學(xué)生先在虛擬教學(xué)平臺(tái)上操作，利用虛擬平臺(tái)上的示波器、萬(wàn)用表、故障診斷儀去操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)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(gè)學(xué)生先學(xué)會(huì)使用電子示波器、掌握電波信號(hào)流程。戴上專(zhuān)用設(shè)備后，學(xué)生能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)中接觸汽車(chē)的每一個(gè)部件、分析每一處故障，并掌握其排除方法（見(jiàn)圖4）。比如對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈試驗(yàn)，需對(duì)前大燈變光器、閃光器進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其部件診斷與維修[3]。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行汽車(chē)測(cè)試

在虛擬教學(xué)平臺(tái)中，學(xué)生也可以對(duì)實(shí)踐教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)場(chǎng)景進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，有時(shí)候難以保證舉升機(jī)構(gòu)不出問(wèn)題，考慮到學(xué)生安全性，在進(jìn)行底盤(pán)試驗(yàn)中，老師把汽車(chē)舉升到一定高度之后，很多老師不敢讓學(xué)生站到底盤(pán)下去長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，也不敢直接讓學(xué)生去操作舉升機(jī)構(gòu)，操作過(guò)程中需要時(shí)刻關(guān)注所有學(xué)生的狀態(tài)。該試驗(yàn)完全可以利用虛擬教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)一些先進(jìn)的VR 設(shè)備，讓學(xué)生更直觀地看到設(shè)備所有狀態(tài)，還可以利用虛擬電子設(shè)備進(jìn)行多種嘗試，多種測(cè)試，觀測(cè)結(jié)果，從而本質(zhì)上了解汽車(chē)，掌握這些必備的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)技術(shù)在高校汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用，利用三維數(shù)字技術(shù)，虛擬整車(chē)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)幻交織、人機(jī)交互、沉浸式體驗(yàn)的高科技教學(xué)模式。增加互動(dòng)性和真實(shí)性，解決了難再現(xiàn)、難理解、難動(dòng)作、難進(jìn)入“四難”的問(wèn)題，極大地激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，有效解決以往汽車(chē)專(zhuān)業(yè)在實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，對(duì)專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平的提高提供了一個(gè)很好的補(bǔ)充，能夠有效提升學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度和學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量。