汽車CAE課程教學(xué)改革與仿真技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用探索

摘 要：隨著汽車工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，CAE課程教學(xué)改革與仿真技術(shù)應(yīng)用研究日益緊迫。針對傳統(tǒng)CAE教學(xué)體系中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，某大學(xué)汽車工程專業(yè)開展了課程改革與技術(shù)應(yīng)用探索。通過構(gòu)建“理論基礎(chǔ)+技術(shù)應(yīng)用+工程實(shí)踐”的遞進(jìn)式教學(xué)體系，建立了項(xiàng)目驅(qū)動的實(shí)踐教學(xué)模式，將整車碰撞、NVH等典型案例引入教學(xué)環(huán)節(jié)。改革實(shí)踐表明，學(xué)生的工程應(yīng)用能力顯著提升，CAE仿真分析結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)的最大誤差控制在8%以內(nèi)。教學(xué)改革與技術(shù)應(yīng)用的深度融合為汽車工業(yè)培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的CAE應(yīng)用人才。

關(guān)鍵詞：汽車CAE 教學(xué)改革 仿真技術(shù) 工程實(shí)踐 案例教學(xué)

CAE（Computer Aided Engineering）技術(shù)作為現(xiàn)代汽車工業(yè)不可或缺的研發(fā)工具，正在深刻改變傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)和制造模式。面對產(chǎn)業(yè)升級和人才需求的新形勢，高等院校汽車工程專業(yè)的CAE課程教學(xué)需要改革創(chuàng)新。通過整合最新的仿真技術(shù)發(fā)展成果，構(gòu)建符合工程實(shí)際的教學(xué)體系，培養(yǎng)具備較強(qiáng)CAE應(yīng)用能力的汽車工程技術(shù)人才，對推動我國汽車產(chǎn)業(yè)向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展具有重要意義。

1 汽車CAE教學(xué)改革背景

汽車工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在深刻改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)模式，CAE技術(shù)作為汽車開發(fā)的核心工具，在整車性能優(yōu)化、可靠性驗(yàn)證和成本控制等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。隨著新能源汽車、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)品迭代周期不斷縮短，對CAE仿真分析的精度和效率提出更高要求。傳統(tǒng)的CAE課程教學(xué)過分注重理論知識傳授，實(shí)踐環(huán)節(jié)與工程應(yīng)用脫節(jié)，難以滿足汽車企業(yè)對復(fù)合型人才的迫切需求。當(dāng)前高校汽車工程專業(yè)的CAE課程普遍存在教學(xué)內(nèi)容滯后、實(shí)踐條件受限、考核方式單一等問題。教材內(nèi)容與行業(yè)發(fā)展存在脫節(jié)，缺乏對新技術(shù)、新方法的及時更新；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)局限于簡單的建模與計(jì)算，未能體現(xiàn)CAE在整車開發(fā)全流程中的系統(tǒng)應(yīng)用。

在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，汽車企業(yè)對CAE人才的知識結(jié)構(gòu)和能力要求發(fā)生顯著變化。除了需要掌握傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元分析等基礎(chǔ)理論外，還須具備多物理場耦合分析、參數(shù)化建模、仿真數(shù)據(jù)處理等專業(yè)技能。同時，新能源汽車領(lǐng)域?qū)﹄姵責(zé)峁芾怼㈦姶偶嫒菪缘葘ｍ?xiàng)分析提出新的技術(shù)要求。因此，推進(jìn)CAE課程教學(xué)改革，構(gòu)建符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的人才培養(yǎng)體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 CAE課程教學(xué)改革方案

2.1 課程體系重構(gòu)與創(chuàng)新

汽車CAE課程體系的重構(gòu)以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，將原有的“CAE基礎(chǔ)”拆分為“CAE理論基礎(chǔ)”和“CAE技術(shù)應(yīng)用”兩門核心課程，分別側(cè)重理論知識傳授和工程實(shí)踐訓(xùn)練。理論課程涵蓋有限元分析理論、動力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等基礎(chǔ)內(nèi)容，同時融入多物理場耦合分析、參數(shù)化建模等前沿技術(shù)。專業(yè)選修課程增設(shè)“新能源汽車CAE技術(shù)”，系統(tǒng)講解電池?zé)峁芾怼㈦姶艌龇治龅忍厣珒?nèi)容。在教材建設(shè)方面，編寫了《汽車CAE技術(shù)及應(yīng)用》校本教材，將最新的仿真分析方法和典型工程案例引入課堂。通過改革課程內(nèi)容，構(gòu)建了涵蓋基礎(chǔ)理論、專業(yè)技能和工程實(shí)踐的完整知識體系。課程設(shè)置充分考慮理論與實(shí)踐的學(xué)時比例，確保了學(xué)生掌握理論基礎(chǔ)的同時，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2.2 仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)踐教學(xué)采用“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+綜合實(shí)訓(xùn)+企業(yè)項(xiàng)目”的遞進(jìn)式培養(yǎng)模式。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段重點(diǎn)訓(xùn)練CAE軟件操作技能，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等基本操作。綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了整車碰撞、底盤動力學(xué)等典型分析項(xiàng)目，學(xué)生需完成從建模到后處理的完整仿真分析流程[2]。在校企合作框架下，引入企業(yè)實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目作為課程設(shè)計(jì)題目，學(xué)生以小組形式開展車身輕量化設(shè)計(jì)、NVH性能優(yōu)化等專題研究。實(shí)踐教學(xué)平臺配備了HyperWorks、ANSYS等主流CAE軟件，搭建了計(jì)算工作站集群，為大規(guī)模仿真分析提供硬件支持。針對新能源汽車開發(fā)需求，增設(shè)了電池?zé)峁芾怼㈦姶偶嫒菪苑治龅葘ｍ?xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室配置了3D打印設(shè)備和模型加工中心，支持快速原型制作和方案驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了從虛擬仿真到實(shí)物驗(yàn)證的閉環(huán)。如圖1所示為仿真實(shí)踐教學(xué)流程及內(nèi)容框架。

2.3 教學(xué)評價方法改革

教學(xué)評價體系突出過程性考核和能力評估，建立了多元化的評價機(jī)制[3]。理論課程采用“平時成績+期末考試”的綜合評價方式，平時成績包括作業(yè)完成情況、課堂討論參與度等多個維度。實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核標(biāo)準(zhǔn)注重考查學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新能力，評分要素包括模型的合理性、計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、優(yōu)化方案的可行性等。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引入企業(yè)導(dǎo)師參與評價，從專業(yè)角度對學(xué)生的項(xiàng)目完成質(zhì)量進(jìn)行考核。建立了基于工程能力的形成性評價體系，通過項(xiàng)目答辯、技術(shù)報告、建模競賽等多種形式，全面評估學(xué)生對CAE技術(shù)的掌握程度和實(shí)際應(yīng)用能力。針對新能源汽車CAE技術(shù)課程，專門設(shè)置了電池?zé)峁芾矸治觥㈦姶艌龇抡娴忍厣u價項(xiàng)目，確保評價內(nèi)容與行業(yè)發(fā)展需求相適應(yīng)。同時，引入第三方評價機(jī)制，邀請行業(yè)專家定期對課程教學(xué)效果進(jìn)行評估，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和考核方式。

3 汽車CAE仿真技術(shù)應(yīng)用

3.1 整車碰撞安全分析

整車碰撞安全性能分析采用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，基于某款中型轎車的有限元模型開展研究。模型包含約150萬個單元，涵蓋白車身、懸架系統(tǒng)、動力總成等關(guān)鍵部件。碰撞工況設(shè)置符合C-NCAP法規(guī)要求，包括正面100%剛性壁碰撞、正面40%偏置碰撞和側(cè)面碰撞。材料本構(gòu)模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，考慮了高強(qiáng)度鋼、鋁合金等材料的應(yīng)變率效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，車身A柱、B柱在碰撞過程中變形量分別為32mm和25mm，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；乘員艙變形控制在允許范圍內(nèi)，保證了生存空間。通過對碰撞過程中的能量吸收機(jī)制分析，前縱梁吸能占比達(dá)到45%，防撞梁和保險杠橫梁的吸能效果顯著。基于仿真結(jié)果，對前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了縱梁前端的折疊槽，提升了約12%的吸能效率。優(yōu)化后的方案通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)的最大誤差在8%以內(nèi)，驗(yàn)證了分析方法的可靠性。

3.2 車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估基于OptiStruct求解器開展靜態(tài)分析和模態(tài)分析。建立了完整的白車身有限元模型，單元類型主要采用四邊形殼單元CQUAD4，局部特征采用三角形殼單元CTRIA3。邊界條件模擬實(shí)際約束狀態(tài)，在前后懸架硬點(diǎn)處施加位移約束。靜強(qiáng)度工況包括前后扭曲、彎曲和側(cè)翻等工況，計(jì)算結(jié)果顯示車身扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)到12000N·m/deg，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。模態(tài)分析結(jié)果表明，車身一階彎曲頻率為38.5Hz，一階扭轉(zhuǎn)頻率為42.3Hz，避開了發(fā)動機(jī)激振頻率范圍。通過靈敏度分析識別出對整車剛度貢獻(xiàn)較大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對A柱下端、門檻、縱梁連接區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化。采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對車身疲勞壽命進(jìn)行評估，關(guān)鍵焊點(diǎn)的疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求[4]。優(yōu)化后的方案通過Kamp;C試驗(yàn)臺架驗(yàn)證，實(shí)測剛度值與仿真計(jì)算的相對誤差在5%以內(nèi)。

3.3 底盤動力學(xué)性能仿真

底盤動力學(xué)性能仿真采用ADAMS/Car軟件構(gòu)建整車動力學(xué)模型[5]。懸架系統(tǒng)采用雙叉臂式前懸架和多連桿式后懸架，建立了包含襯套、減振器、彈簧等部件的詳細(xì)參數(shù)模型。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)考慮了齒輪齒條機(jī)構(gòu)的非線性特性，制動系統(tǒng)模型包含了制動力分配和ABS控制邏輯。輪胎模型采用Pacejka 2002版本，通過輪胎試驗(yàn)臺架數(shù)據(jù)標(biāo)定核心參數(shù)。開展了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、蛇形繞樁、緊急制動等典型工況的仿真分析。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況下，車輛特征速度為80km/h，最大橫擺角速度增益為0.28rad/s，體現(xiàn)出良好的操縱穩(wěn)定性。緊急制動工況分析表明，從100km/h制動至停止的距離為38.5m，滿足法規(guī)要求。通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整了前后懸架剛度分配和減振器阻尼特性，使橫向加速度峰值降低8%，提升了操控性能。仿真結(jié)果經(jīng)過實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，動態(tài)響應(yīng)特性吻合度達(dá)到90%以上。

4 CAE人才培養(yǎng)質(zhì)量分析

4.1 仿真教學(xué)效果評估

改革后的CAE教學(xué)體系在某大學(xué)汽車工程專業(yè)實(shí)施兩年，通過定量與定性相結(jié)合的方式對教學(xué)效果進(jìn)行評估。參與改革課程的178名學(xué)生中，56名汽油車方向、87名電動車方向、35名無人駕駛方向的學(xué)生均表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)積極性。課程考核結(jié)果顯示，學(xué)生的理論知識掌握程度顯著提升，期末考試平均分由改革前的76.5分提高至85.3分。在CAE軟件應(yīng)用能力方面，90%以上的學(xué)生能夠獨(dú)立完成整車碰撞分析、NVH性能優(yōu)化等復(fù)雜仿真任務(wù)。通過對學(xué)生課程滿意度的問卷調(diào)查，教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性評分達(dá)到4.6分（滿分5分），實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的滿意度達(dá)到4.8分。如表1所示為2022-2024年CAE課程教學(xué)效果評估數(shù)據(jù)。

4.2 工程應(yīng)用能力提升

CAE課程改革顯著提升了學(xué)生的工程應(yīng)用能力，在實(shí)際工程項(xiàng)目中展現(xiàn)出扎實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)。經(jīng)過系統(tǒng)的課程訓(xùn)練，學(xué)生能夠熟練運(yùn)用CAE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成車架強(qiáng)度分析、空氣動力學(xué)優(yōu)化等關(guān)鍵任務(wù)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，有效縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，顯著降低了試制成本。在整車碰撞性能分析中，學(xué)生掌握了LS-DYNA軟件的建模技巧和后處理方法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)的最大誤差控制在8%以內(nèi)。在底盤開發(fā)項(xiàng)目中，學(xué)生運(yùn)用ADAMS進(jìn)行多體動力學(xué)仿真，優(yōu)化了懸架系統(tǒng)參數(shù)，使整車操控性能提升12%，轉(zhuǎn)向特性和制動性能得到明顯改善。在新能源汽車開發(fā)方面，學(xué)生掌握了電池包熱管理分析、電驅(qū)動系統(tǒng)電磁場仿真等專項(xiàng)技術(shù)，完成了多個實(shí)際工程項(xiàng)目。通過深入?yún)⑴c企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生將CAE技術(shù)應(yīng)用于輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等領(lǐng)域，培養(yǎng)了系統(tǒng)思維和問題解決能力。學(xué)生獨(dú)立完成的多項(xiàng)設(shè)計(jì)成果已應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，取得了顯著的技術(shù)突破和經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 企業(yè)人才培養(yǎng)反饋

通過建立校企合作機(jī)制，邀請汽車企業(yè)專家參與課程建設(shè)和教學(xué)評價，獲得了積極的反饋。合作企業(yè)對畢業(yè)生的CAE應(yīng)用能力評價持續(xù)提升，尤其在新能源汽車開發(fā)領(lǐng)域表現(xiàn)突出。畢業(yè)生在一線相關(guān)企業(yè)的CAE分析崗位就業(yè)率達(dá)到95%，較改革前提升了25個百分點(diǎn)。企業(yè)對畢業(yè)生的滿意度調(diào)查顯示，在專業(yè)技能、工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等方面的評分均超過90分。部分優(yōu)秀畢業(yè)生已成為企業(yè)CAE技術(shù)團(tuán)隊(duì)的骨干，承擔(dān)整車開發(fā)中的關(guān)鍵分析任務(wù)。企業(yè)反饋表明，改革后的人才培養(yǎng)模式更加符合行業(yè)發(fā)展需求，為汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了有力的人才支撐。崗位跟蹤調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，畢業(yè)一年后的崗位勝任度評分達(dá)到4.7分（滿分5分），體現(xiàn)了較強(qiáng)的職業(yè)適應(yīng)能力和發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^定期的企業(yè)走訪和用人單位座談會，收集到的反饋意見，企業(yè)普遍反映畢業(yè)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力，在產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)揮重要作用。

5 結(jié)語

通過為期兩年的教學(xué)改革實(shí)踐，CAE課程體系得到顯著優(yōu)化，教學(xué)效果取得明顯提升。項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了解決復(fù)雜工程問題的能力。仿真技術(shù)在汽車開發(fā)各環(huán)節(jié)的深入應(yīng)用，不僅提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，降低了試驗(yàn)成本，而且為高校培養(yǎng)高素質(zhì)汽車工程技術(shù)人才提供了有效途徑。未來將進(jìn)一步加強(qiáng)校企合作，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容，完善實(shí)踐教學(xué)體系，為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)更多優(yōu)秀的CAE應(yīng)用人才。

基金項(xiàng)目：江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項(xiàng)目：基于BOPPPS模型的機(jī)械專業(yè)課程混合式教學(xué)的實(shí)踐研究（2023SJYB1716）。

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