虛擬樣機及虛擬試驗在汽車專業課程教學中的應用分析★

吳光強，何東偉

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

虛擬樣機及虛擬試驗通過建立三維數字化模型，并對其進行結構強度分析和動力學分析，通過仿真驗證產品方案的合理性。在一定程度上可以替代傳統的試驗，主要的優點有：可以大幅度減少樣機制造試驗次數，縮短新產品試驗周期，降低實際試驗費用；在復雜產品開發中，可以實現設計者，產品用戶在設計階段信息的互反饋，使設計者全方位吸收，采納對新產品的建議；虛擬試驗不受場地，時間和次數的限制，可對試驗過程進行回放、再現和重復。

虛擬樣機及虛擬試驗已經成為新型教學手段，幫助學生逼真學習環境，通過真實感受來增強記憶，自主學習更容易讓學生接受，激發學生的學習興趣。

1 虛擬樣機及虛擬試驗在汽車專業應用的必要性

汽車是一個復雜的機電產品，在設計制造過程中，需要大量試驗進行驗證和評價。為降低成本、縮短開發周期，虛擬樣機及虛擬試驗來進行研發非常合適，而汽車后期維護也可以通過虛擬試驗進行教學和培訓。

實驗課老師往往會根據設備和教學大綱要求安排實驗項目，大部分試驗都是靜態試驗，主要原因實踐教學成本高。比如因為有些單臺套設備比較貴，就會出現學生多，設備少的問題。再如考慮到學生在試驗過程中的安全性，如果授課教師又不足，只能做一些靜態試驗。尤其是近3 年的新冠疫情爆發期間取消了線下教學，不能現場教學，只能采用線上教學模式。

虛擬試驗教學平臺往往安排在機房，可以根據學生人數批次采購軟件服務點，每個學生都可以自主的操作控制虛擬試驗，比如學生可以設計一個汽車零部件，設計完成后緊接著就可以進行測試，測試的結果也可以立馬看到反饋，有利于分層次教學，有利于提高教學質量。

2 汽車專業主要應用

2.1 汽車虛擬拆裝

汽車構造是汽車類專業基礎，教學過程中選用了景格系列教學仿真軟件，軟件分為豐田、大眾、通用三個車系。以大眾車系為例，有發動機拆裝、變速箱拆裝、底盤拆裝等。發動機虛擬拆裝過程中，學生需要將100 多個零件逐個按步驟安裝，出現安裝錯誤會扣分，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構，點擊機構，會生成爆炸圖，讓學生進一步精準理解課程。而通過虛擬教學平臺，可以針對不同車型的基本構造、專車專學、由點到面、由表及里、循序漸進系統學習[1]。

虛擬裝配時，對裝配體進行裝配規劃，對裝配順序、裝配方案、所用工具、夾具及裝配線等相關問題進行分析，通過視覺傳達、語言提示，進行演示。學生可以獨立的操作實驗中的每一步，發現錯誤立馬進行修正，可以反復多次實驗。這樣一套流程不僅使學生熟悉認識了每一個零件的名稱，還知道了每個零件對應的位置，拆裝時候具體的順序，如果后面還有實物拆裝，往往能夠快速高效地解決，減少錯誤和安全隱患。如圖1 所示，通過專用設備，可以在虛擬現實中拆裝汽車零部件。有一些高級的軟件可以借助VR 設備，讓學生有種身臨其境的感覺，通過佩戴信號采集設備，這時候可以通過肢體動作進行模擬拆裝，體驗感更強。

2.2 汽車性能測試虛擬平臺

汽車理論是汽車專業課中最重要的課程之一，很多高校汽車類專業研究生入學初試或者復試都會將汽車理論作為必選。主要研究汽車的動力性、燃油經濟性、制動性、舒適性、安全性、通過性等，里面公式多，有些理論也難理解，知識點也特別多，教師往往會選擇讓學生把這些理論、知識點死記硬背下來，很多學生背完，但不能應用。整個教學過程中學生難以將汽車運行進行動態化，導致學生難以理解，實際操作能力更差。汽車虛擬試驗場（VPG，Automobile virtual testing ground）是集成數字路面模型、輪胎模型、汽車多體動力學模型的一個虛擬仿真平臺，將物理的真實試驗場道路的高精度數字化模型，導入車輛多體動力學仿真軟件后，基于車輛模型和輪胎模型，可模擬實車在物理試驗場中的行駛狀態，獲得與實車試驗相一致的道路載荷譜數據，從而開展整車疲勞耐久載荷的提取及分解、舒適性能分析及整車運動校核等[2]。如圖2 所示為汽車虛擬試驗場技術路線，圖3 為汽車虛擬試驗場構架及分析。通過汽車虛擬試驗場，學生不用去死記硬背那些知識，只要會用就行，學生在使用過程中也更容易理解這些公式和理論，學生喜歡學便達到了那么教學的目的。

圖2 汽車虛擬試驗場技術路線

圖3 汽車虛擬試驗場構架及分析

2.3 汽車檢測虛擬試驗

汽車檢測試驗也是專業必修內容，在實車上進行故障一些設置，讓學生根據儀器來排除故障，若故障設置點如果比較少，達不到檢驗學生學習效果要求，而故障如果設置過多，學生不一定做得出來，還存在損壞設備的風險。如果讓學生先在虛擬教學平臺上操作，利用虛擬平臺上的示波器、萬用表、故障診斷儀去操作實驗，學生可以大膽去嘗試，不斷地尋找答案，直到找到所有故障并清除。要求每個學生先學會使用電子示波器、掌握電波信號流程。戴上專用設備后，學生能夠在虛擬現實中接觸汽車的每一個部件、分析每一處故障，并掌握其排除方法（見圖4）。比如對汽車轉向燈試驗，需對前大燈變光器、閃光器進行測試，并對其部件診斷與維修[3]。

圖4 虛擬現實中進行汽車測試

在虛擬教學平臺中，學生也可以對實踐教學中難以實現的教學場景進行學習。例如，有時候難以保證舉升機構不出問題，考慮到學生安全性，在進行底盤試驗中，老師把汽車舉升到一定高度之后，很多老師不敢讓學生站到底盤下去長時間的觀測，也不敢直接讓學生去操作舉升機構，操作過程中需要時刻關注所有學生的狀態。該試驗完全可以利用虛擬教學平臺，通過一些先進的VR 設備，讓學生更直觀地看到設備所有狀態，還可以利用虛擬電子設備進行多種嘗試，多種測試，觀測結果，從而本質上了解汽車，掌握這些必備的專業知識。

3 結語

虛擬樣機及虛擬試驗技術在高校汽車專業的應用，利用三維數字技術，虛擬整車結構，實現實幻交織、人機交互、沉浸式體驗的高科技教學模式。增加互動性和真實性，解決了難再現、難理解、難動作、難進入“四難”的問題，極大地激發了學員的學習熱情，有效解決以往汽車專業在實踐教學中存在的問題，對專業教學水平的提高提供了一個很好的補充，能夠有效提升學生對教學內容的掌握程度和學校的教學質量。