車身結構設計虛擬仿真實驗教學研究

鄭國君, 靳春寧, 李寶軍, 高仁璟

(大連理工大學 汽車工程學院, 遼寧 大連 116024)

車身結構設計虛擬仿真實驗教學研究

鄭國君, 靳春寧, 李寶軍, 高仁璟

(大連理工大學 汽車工程學院, 遼寧 大連 116024)

基于成果導向教育(OBE)的理念,對汽車車身結構設計課程的實驗教學進行探討。構建了車身結構設計虛擬仿真軟件平臺。以車身子結構前防撞梁的正面碰撞為例,介紹虛擬仿真模型的建立、速度參數的修改、吸能盒厚度參數的修改,對前防撞梁整體變形進行輸出顯示,給出了不同工況下的能量曲線。通過將虛擬仿真技術引入實驗教學,有助于學生形成復雜工程問題的分析能力和解決能力。

虛擬仿真； 車身結構設計； 實驗教學

“車身結構設計”課程涉及力學、材料學、人機工程學、有限元分析、優化設計和實驗學知識,是一門綜合性課程。該課程主要講授汽車車身的開發流程和設計方法、基于人機工程學的車身設計、車身結構拓撲模型與力學模型、車身結構剛度和動力學性能設計、車身抗撞性要求和設計、基于制造工藝和材料要求的白車身設計等內容[1],引導學生認識車身結構設計(尤其是白車身結構設計)的重要性及設計要求,掌握車身結構拓撲和性能分析的原理,熟悉有關車身結構軟件的使用,進而培養學生對復雜工程問題的分析和設計能力,使學生掌握汽車數字化設計與制造這一汽車行業主流技術。

“清晰地聚焦和組織教育系統,使之圍繞確保學生在未來生活中獲得實質性成功的經驗”是成果導向教育(outcome-based education,OBE)的定義和要求[2-3]。在OBE教育模式中,學生學到了什么和是否成功，遠比怎樣學習和什么時候學習重要。大連理工大學汽車工程學院強調以學生為中心進行教學,以學生的能力獲得為導向,基于OBE的理念定義了“車身結構設計”課程的教學目標,主要是：

(1) 掌握汽車車身結構設計的基礎知識,能夠解決復雜的車身結構工程問題,能夠對復雜車身及其部件設計進行分析和提出設計方案；

(2) 能夠設計出滿足特定需求的車身結構及部件,并體現出創新意識；

(3) 能夠評價車身設計(包括新技術、新方法、新工藝、新材料的應用)對安全和駕駛者健康的影響。

1 汽車車身結構設計的特點和難點

汽車車身的作用主要是保護乘員以及構成良好的空氣動力學環境。在形式上,車身結構主要分為非承載式和承載式兩種。車身結構非常復雜,而且不同的結構會有很大的性能差異。車身結構的設計受到多方面的制約,如材料、工藝、美學、安全性、輕量化要求等。車身結構設計需要多學科、綜合性知識,不僅要掌握車身結構的基礎理論知識,還要掌握一系列與汽車車身結構相關的實驗原理和實驗方法。

大連理工大學汽車工程學院成立于2007年,目前已建成與車身結構相關的系列化實驗平臺,并進行了持續的改進和擴充。但是,實物實驗僅能覆蓋汽車車身結構設計教學中的部分教學內容；而大量高度復雜、危險、高成本的實驗則難以通過實物實驗實現[4-6],例如車身碰撞實驗、車身空氣動力學實驗等。某些實驗即使可以做,也僅能讓學生觀摩,學生不能充分參與；而學生獨立完成一項實驗是重要的學習過程[7-8]。由于實驗條件的限制,車身結構設計的教學方式通常是進行理論講授并配以動畫、實驗視頻播放。這種教學模式在表現車身結構設計要點和車身設計元素對車身性能的影響方面并不理想,學生單純地通過教材或者課件很難對相關知識點有較好的把握,在自主學習和培養設計能力方面不盡如人意。基于OBE的視角,“車身結構設計”課程教學方式亟待改革[9-10]。

2 車身結構設計虛擬仿真平臺建設

大連理工大學汽車工程學院基于OBE教學理念,積極開展了虛擬仿真實驗的教學改革,申報并獲批了國家級虛擬仿真實驗教學中心。作為車輛工程本科生必修課程之一的“車身結構設計”課程,依托于虛擬仿真實驗教學中心平臺,構建了較為完善的車身結構虛擬仿真實驗教學體系,并在該課程的教學過程中發揮了非常重要的作用。

2.1 車身結構設計虛擬仿真內容

汽車車身結構設計涉及的虛擬仿真實驗主要按照白車身、整車&子結構和零部件3子模塊進行構建,如圖1所示。

圖1 車身結構設計虛擬仿真實驗模塊和實驗內容

在每一個子模塊下面至少有2個不同的虛擬仿真模型。在進行實驗教學過程中,教師要較詳細地講解模型的創建步驟,并進行性能分析。在課后,由學生獨立完成一個仿真模型的分析并提交分析報告。學生通過完成獨立分析報告,不僅可以更深入理解課程內容,也可以在自由練習的過程中更好地熟悉各種車身結構,并熟練掌握虛擬仿真軟件的實際工程應用。此外,教師也可以根據學生完成的分析報告更好地掌握學生的學習狀態,以便持續改進教學方法和實驗內容。

2.2 車身結構設計虛擬仿真軟件平臺

為了讓學生在有限的實驗教學時間內獨立應用虛擬仿真分析軟件完成車身結構設計實驗,需要盡可能降低軟件使用門檻、盡可能用同一種軟件。

LS-DYNA[11]是一款功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性軟件,它作為有限元求解器,在汽車、軍工、航空航天等領域有著廣泛的運用,也是汽車車身結構分析的主要工具之一。LS-DYNA主要采用Lagrange算法,其時間積分采用中心差分格式,以結構分析、顯示求解為主,適用于求解在高速碰撞、爆炸沖擊下的大位移、大應變的非線性動力學響應問題。LS-DYNA可以在主要工作站UNIX、LINUX操作系統以及各種基于Windows系統上的PC機操作,并且支持MPP分布式計算,在各種平臺上的數據不需要轉換格式,為數據處理帶來很大的方便,也為巨型問題的求解提供很好的保證。鑒于此,筆者將該軟件應用于汽車車身結構設計虛擬仿真平臺的構建中。

2.3 虛擬仿真平臺在車身結構設計課程中的作用

基于LS-DYNA,根據車身結構設計的實驗內容、企業標準和國家標準,構建了汽車車身結構設計虛擬仿真實驗平臺。該平臺借助計算機軟硬件技術和虛擬仿真技術,為車身結構設計實踐操作提供平臺。虛擬仿真技術的應用,使車身結構設計教學模式得到很大改進,教師不再單純以講授理論為主,大量的教學內容可以通過虛擬仿真模型講授,可以通過更改參數對車身結構進行性能分析。學生也可以基于虛擬仿真平臺的車身結構設計實例來強化鞏固理解課程內容。

與傳統車身結構設計教學相比,采用虛擬仿真實驗進行車身結構設計實驗具有以下3方面的優勢：

(1) 可以彌補教學環境中所欠缺的實驗條件,且無需購買昂貴的實驗儀器和設備,節省了實驗經費和設備維護費用[12-13],而且實驗安全性高；

(2) 虛擬仿真實驗可重復性好,可以更直觀地觀察實驗過程,并且能夠對實驗結果進行多角度分析,有利于學生更好地熟悉車身結構及其設計理念；

(3) 學生可以自由下載仿真模型的模板和實驗步驟說明,可以自主安排實驗時間和實驗內容,還可以開展一些創新實驗實踐活動。

車身結構設計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、課堂教學與實驗教學之間的良性互動。

3 車身前防撞梁結構設計虛擬仿真實驗案例

3.1 虛擬仿真模型的建立

汽車前防撞梁的組成部件包括前梁、吸能盒、前縱梁等,其中前梁和吸能盒是主要的吸能緩沖部件,其吸收能量的能力將直接影響汽車的安全性能。為了方便學生學習和實際動手操作,在運用虛擬仿真技術對防撞梁的碰撞性能進行實驗分析時,要建立主要吸能部件和剛性壁障簡化模型[14]。圖2所示為簡化版的前防撞梁碰撞剛性墻的虛擬仿真模型。

圖2 簡化版前防撞梁碰撞剛性墻虛擬仿真模型

3.2 速度參數和吸能盒厚度參數的修改

在虛擬仿真實驗過程中,為了滿足學生不同的設計需求,需要能夠對仿真模型進行快速有效的修改,從而得到不同的仿真分析結果。

基于LS-DYNA建立的虛擬仿真模型前處理模型均為文本編碼格式,可通過文本方式打開并進行修改。找到初始速度關鍵字并修改,如圖3所示。

圖3 初始速度參數更改

圖3中高亮處參數即為前防撞梁整體初始速度值,可更改成不同的碰撞初始速度。實例中速度為負值,表示沿著X軸的反方向。

與修改初始速度參數類似,可打開模型的前處理文件,找到吸能盒厚度參數關鍵字并修改。

3.3 虛擬仿真模型的結果分析

在后處理軟件中,可將前防撞梁整體變形和吸能情況進行輸出顯示,分別如圖4和圖5所示。通過對比能量曲線可以發現：在前防撞梁發生碰撞且碰撞時速度相同的情況下,吸能盒支架厚度越厚,碰撞過程中前防撞梁系統所吸收的能量越多；在保持吸能盒支架厚度相同的情況下,系統的碰撞速度越高,碰撞過程中前防撞梁系統所吸收的能量越多。

圖4 前防撞梁整體變形

圖5 不同工況下的能量曲線

在吸能盒支架處采集縱梁截面力。碰撞峰值力反映正面碰撞過程中剛性墻反饋給前防撞梁沖擊力的大小,如果剛性墻反力峰值過大,將導致車架加速度過大,這對于保護乘員安全是極為不利的。

從表1可知：前防撞梁在相同撞擊速度的情況下,吸能盒支架厚度越大,剛性變形越小,輸出的碰撞峰值力越大；在吸能盒支架厚度不變的情況下,系統碰撞速度越快,車架加速度越大,輸出的碰撞峰值力越大。

表1 不同工況下剛性墻反力峰值及尾部加速度

3.4 基于虛擬仿真實驗的教學互動和結果反饋

在實際教學過程中,可通過車身結構設計虛擬仿真實驗,將難以進行的實物實驗以虛擬仿真的形式呈現。學生可以通過充分的實驗互動,直觀地理解和掌握汽車前碰撞梁各部分結構以及在碰撞過程中結構的變形、碰撞力以及碰撞過程中的能量吸收情況；教師引導學生通過修改仿真模型中的參數,得到不同的實驗結果,并根據實驗結果數據進行細致、科學的分析,得出車身結構的一些重要設計理念和設計經驗,最終形成真正意義的分析能力和設計能力。

在上述實驗實例中,學生通過實際的虛擬仿真實驗,可以很容易得到如下結論：車架結構厚度越大并不意味著對保護乘員安全越有利,應在吸能、碰撞力、加速度和結構質量之間取一個平衡。在車架輕量化的基礎上保證安全性能達到最優,將是學生課后思考的重要內容。

4 結語

車身結構設計課程不僅需要掌握車身結構的基礎知識,還需要掌握關于車身結構實驗原理和實驗方法,而單純的課堂理論講授、有限的實物實驗和視頻演示很難達到能力培養的目標。通過構建開放的車身結構虛擬仿真平臺,學生可以全時段地自由下載和練習,通過任課教師指導關鍵的技巧性操作,自主對模型進行參數化調整,培養了學生的自學能力和創新思維能力,顯著提高了學生對復雜工程問題的綜合分析和解決能力。

References)

[1] 黃金陵,龔禮洲,馬天飛,等.汽車車身設計[M].北京：機械工業出版社,2007.

[2] 顧佩華,胡文龍,林鵬,等.基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式：汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究,2014(1):27-37.

[3] 周春月,劉穎,張洪婷,等.基于產出導向OBE的階梯式實踐教學研究[J].實驗室研究與探索,2016,35(11)：206-208.

[4] 黃天澤,黃金陵.汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業出版社,1992.

[5] 連靜,高仁璟,李琳輝,等.遠程可操控式虛擬電子實驗平臺的構建[J].實驗室科學,2015,18(3):112-115.

[6] 郭烈,申國哲,楊姝,等.汽車發動機原理課程虛擬仿真教學系統構建[J].實驗室科學,2016,19(5)：71-73.

[7] 姚奕,蘇廣和,馮林平.工程專業網絡虛擬實驗室的建設與探索[J].實驗室研究與探索,2013,32(5):212-215.

[8] 孫建林,贠冰,姜偉.實驗教學示范中心與虛擬仿真實驗教學中心相互融合協同發展[J].實驗技術與管理,2016,33(9):208-210.

[9] 李擎,崔家瑞,閻群,等.工程教育認證下自動化專業實踐類課程改革[J].實驗技術與管理,2016,33(12)：225-228.

[10] 鄺溯瓊,楊定新,陶利民,等.開放式教學實驗室綜合評價體系與方法初探[J].實驗室研究與探索,2013,32(5):205-208.

[11] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業出版社,2003.

[12] 張增明,王中平,張憲鋒,等.國家級物理虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(12):146-149.

[13] 劉亞豐,余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理,2016,33(4):108-110.

[14] 胡遠志,曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社,2011.

Research on virtual simulation experimental teaching of vehicle body structure design

Zheng Guojun, Jin Chunning, Li Baojun, Gao Renjing

(School of Automotive Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on the educational idea of the outcome-based education (OBE),the experimental teaching of the vehicle body structure design is explored,and the virtual simulation software platform for the vehicle body structure design is constructed. By taking the frontal collision of the front anti-collision beam in the vehicle body structure as an example,the establishment of the virtual simulation model and the modifications of velocity parameters and thickness parameters of the energy absorbing box are introduced. The overall deformation of the front anti-collision beam is displayed,and the energy curves under different conditions are presented. Through the introduction of the virtual simulation technology into the experimental teaching,it is helpful for the students to develop their ability to analyze and solve complex engineering problems.

virtual simulation; vehicle body structure design; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.029

2017-01-23

大連理工大學教改基金重點項目(ZD2016010)

鄭國君(1981—),男,湖北恩施,博士,講師,主要研究方向為車身零部件成形和車身輕量化

E-mail：gj_zheng@dlut.edu.cn

靳春寧(1971—),男,吉林長春,博士,副教授,主要研究方向為車身設計、車身CAD.

E-mail：jincn@dlut.edu.cn

U463.82

A

1002-4956(2017)07-0110-04