計算機仿真技術在車輛工程專業(yè)實踐教學中的應用研究

李偉 肖平

摘 要：隨著我國汽車產銷量的不斷增長，市場對車輛工程專業(yè)人才的需求也越來越大，很多高校紛紛開辦了車輛工程專業(yè)。該專業(yè)辦學具有設備投入大、實驗場地局限以及實車實驗危險性高的特點，為了解決這些矛盾，在對車輛工程專業(yè)實踐環(huán)節(jié)教學方法進行研究的基礎上，得出結論，即采用計算機仿真技術可以進行多種汽車虛擬仿真教學實驗，這些教學實驗可以部分地取代實車實驗，也可以得到良好的教學效果。本文結合Advisor仿真軟件介紹了采用該軟件進行汽車匹配和多工況虛擬仿真的教學方法。

關鍵詞：車輛工程專業(yè)；實踐教學；計算機仿真技術；Advisor軟件

一、緒論

隨著我國經濟社會的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車在我國也越來越普及，我國已經名副其實地邁入汽車社會[1]。目前，我國汽車產銷量已經超過2000萬輛，汽車企業(yè)都在不斷地擴大再生產，整個社會對汽車類人才的需求量也越來越大。因此，很多高等院校都紛紛開設了車輛工程專業(yè)[2]。車輛工程專業(yè)是應用型專業(yè)，非常注重理論與實踐相結合的教學模式，這要求各個高校必須加大對實驗設備的投入。但是目前很多高校都處于快速發(fā)展期，各個專業(yè)、學科對資金投入的要求都在增加，很多高校無力承受這一沉重負擔，使得實踐教學受到影響。目前，計算機仿真技術已日趨成熟，可以依托性能優(yōu)良的電腦設備進行各種虛擬仿真實驗。對于車輛工程專業(yè)來說，這些仿真實驗是對實車實驗有力的補充、甚至可以部分地取代實車實驗。這對資金投入不足或受產地限制的高校的實踐性教學具有非常重要的意義。目前，汽車仿真軟件很多，如Adams、Flunt、Anasys等，其中Advisor仿真軟件是由美國可再生能源實驗室在Matlab/S imulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件[3]。該軟件可在給定的道路循環(huán)條件下（工況）利用車輛各部分參數快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的燃油經濟性、動力性以及排放性等性能。應用Advisor軟件可以進行仿真實驗從而讓學生比較直觀地了解汽車的結構組成、動力匹配、能量消耗、尾氣排放等知識，給學生提供一個將書本理論知識應用到汽車工程實踐的平臺，為學生日后從事汽車設計制造奠定扎實的基礎。

二、基于Advisor的汽車匹配教學實驗

讓學生熟悉和掌握各種汽車的機械結構和動力學匹配是開展車輛工程專業(yè)實踐教學的重要的一步，在無法進行實車實驗的條件下，Advisor仿真軟件可以為學生很直觀展現(xiàn)各種汽車的結構，特別是新能源汽車的結構匹配關系[4]。圖1是Advisor環(huán)境下電動汽車的結構圖，該圖是基于Matlab/Simulink建立的。從圖中可以讓學生清楚地了解到電動汽車首先根據路面狀況將需求力矩傳送給車輪，車輪又將該信息傳送到變速器中，進而該扭矩信息又進入電動機，電動機根據需求力矩消耗的電能產生轉動力矩驅動汽車車輪前進，整個過程中都伴隨著電能的消耗。學生在該過程中會認識到每個部件不僅僅是機械連接，更多的是部件之間還會相互影響與限制，而這些都是在理論教學中無法直觀表達的。

圖2是Advisor環(huán)境下GUI主界面，也稱為交互操作界面，通過該界面，學生可以輸入汽車的各種參數從而對汽車進行定義。界面的左側為當前選中的汽車類型圖像，右側是用戶操作區(qū)域，圖像會隨著用戶操作的不同而變化，通過這些可以使學生了解各種汽車的動力學系統(tǒng)匹配關系。圖中界面左上方為汽車的結構示意圖，標識了汽車的動力傳動以及能量流動，學生單擊圖中的汽車部件后會彈出編輯對話框[5]，例如點擊發(fā)動機圖標會彈出發(fā)動機的型號列表，在該列表中顯示有FC_INSIGHT、FC_TT_IC和FC_SI186等眾多發(fā)動機型號，學生可以根據自己的實驗需求選擇合適的發(fā)動機。若在列表中沒有型號合適的發(fā)動機，可以點擊View/Edit M_file進入Matlab程序中修改發(fā)動機的參數使之滿足使用需求。這些對于無力購買實車實驗平臺的高校來說具有重要的意義，通過簡單的參數修改即可得到一臺“全新”的汽車而無需購置汽車實物。界面左下方是傳動系統(tǒng)的性能曲線菜單，該菜單包括發(fā)動機、電動機、學生可根據需要點擊下拉菜單查看不同曲線，每種曲線的工作狀態(tài)和特性均在左下角顯示出來，便于學生快速掌握部件的工作特性。圖2右上方表示的是汽車的類型下拉菜單，菜單中有目前比較常用的車型，比如電動汽車車，公交車，城市越野SUV等，在其下方表示的是車輛的動力組成，包括并聯(lián)式車型、串聯(lián)式車型、純電動車型。在下方的欄目中列出有不同的部件，學生可以再次修改參數，這與單擊左邊車輛圖表修改參數具有相同的效果。將車輛信息定義好后單擊SAVE按鈕可以該汽車文件保存，方便以后修改，單擊CONTINUE進入下一步操作[6]。該種交互式界面做到了簡潔明了，直觀易懂，可以很方便學生的掌握和理解，一定程度上可以激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造性。

總之，通過Advisor軟件平臺可以使學生很直觀地對汽車結構原理、系統(tǒng)傳動鏈、排放情況以及能量流動方向進行認知和匹配實驗。雙擊圖1和圖2中的各個模塊可以進入模塊編輯界面，Advisor允許對模塊進行修改，可以根據實際情況增減參數。每種車型都具有Simulink結構圖，學生可以根據需求選擇不同的車型進行匹配實驗，也可以根據課本知識，自主搭建新車型進行結構認知和匹配實驗。

三、基于Advisor的多工況汽車仿真教學實驗

在Advisor環(huán)境下，當學生確定好車型參數后，可以結合各種工況進行仿真教學實驗。Advisror提供了幾十種汽車工況Map圖，每種工況代表了汽車車速與時間的對應關系，反映在一個地區(qū)車輛的行駛規(guī)律。圖3為China1015和EUDC工況，分別描述了中國城市工況和歐洲城市工況，是目前電動汽車實車實驗中常采用的工況。從圖中可以看出China1015工程有較多啟停，而EUDC工況一直處于較高車速，這也能讓學生對于中國和歐洲的城市汽車運行狀況有清晰的了解。仿真實驗完全按照實際車輛行駛規(guī)律進行，在進行仿真實驗后，學生可以在仿真結果中查看所有的仿真數據，并可以根據該數據繪制曲線，包括速度、排放、加速度、行駛里程、發(fā)動機轉速和電動機扭矩等曲線。從而可以使學生通過實驗了解汽車在該工況下的整車及各子系統(tǒng)的動力學特性。例如，圖4為學生設計的某款混合動力電動汽車分別在純電動和混合動力驅動下的行駛里程和電池荷電狀態(tài)變化曲線。

總之，可以通過仿真實驗使學生對混合動力電動汽車的整車動力學性能、運轉特性等有著深刻的理解。由于實驗設備和實驗產地的限制，而這些實驗在很多高校都是難以開展的。

四、結論

目前我國已經是汽車大國，汽車的產銷量居世界首位，我國對汽車類人才的需求也越來越大。如何迅速地培養(yǎng)合格的汽車類人才是擺在所有具有車輛工程專業(yè)的高校面前的重大任務。為了緩解車輛工程專業(yè)教學設備投入大、實踐教學產地局限，解決實車實驗危險性高等缺點，采用計算機仿真技術進行實車仿真實驗可以部分地替代實車實驗，起到良好的教學效果。Advisor軟件是一款代表性的汽車仿真軟件，可以進行整車的設計與仿真，包括車型選擇、部件設計、整車參數設計、整車仿真等。該軟件允許高校在設備條件有限的條件下使汽車“跑起來”得到各種汽車工作數據。在進行計算機仿真實驗過程中，學生可以將書本理論知識應用到實際操作中，使學生實踐能力得到提高。因此，在目前車輛工程專業(yè)難以大幅度地進行設備投入和場地投入的情況下，應該大力發(fā)展虛擬仿真汽車實驗從而在一定程度上替代實車實驗，提高學生的實踐能力。

參考文獻：

[1]閔鶴.中國汽車營銷體系和汽車銷售市場結構模式的探討[J].科技經濟市場， 2016， （3）：168169.

[2]楊年炯.與專業(yè)認證相銜接的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革探討[J].高教學刊， 2016， （17）：221225.

[3]孫建強，贠海濤，呂福麟，等.基于ADVISOR的純電動汽車動力系統(tǒng)匹配設計[J].移動電源與車輛，2013，（02）：3134.

[4]曾小華，宮維鈞. ADVISOR2002電動汽車仿真與在開發(fā)應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5]張振華.電動汽車制動能回收系統(tǒng)特性研究[D].青島科技大學，2011.

[6]張翔，趙韓，錢立軍，等.電動汽車仿真軟件ADVISOR的應用[J].交通科技與經濟，2004，（03）：4043.

基金項目：安徽工程大學2017年校級教學質量提升計劃項目——汽車工程虛擬仿真實驗教學中心（2017xnfzsyzx01）；安徽工程大學2012校級雙語教學示范課程——汽車技術概論；2017年度安徽省高等學校省級質量工程項目資助“示范實驗實訓中心——汽車工程虛擬仿真實驗教學中心（No.2017sxzx24）

作者簡介：第一作者李偉（1993），男，安徽合肥人，碩士，研究方向：電動汽車驅動系統(tǒng)。

*通訊作者：肖平（1973），男，安徽銅陵人，博士，副教授，研究方向：車輛工程專業(yè)教學與研究工作。