汽車側面碰撞虛擬仿真實驗項目建設與教學實踐

段利斌 江浩斌 張學榮 耿國慶 曹曉輝

摘要：汽車側面碰撞虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏，作者及所在教學團隊依托江蘇大學國家級車輛工程虛擬仿真實驗教學中心，基于真實車輛建立高精度數字化車輛仿真模型，綜合運用數字化仿真假人、虛擬儀器、虛擬仿真實驗室、有限元仿真軟件、三維場景與VR、人機在線交互等技術，開發了汽車側面碰撞虛擬仿真實驗項目。學生通過在線開展虛擬仿真實驗，加深學生對車身結構、乘員保護裝置、汽車側面碰撞安全性評價和虛擬仿真實驗原理的理解。解決了實車碰撞實驗難以開展的問題，彌補了實車實驗的不足，提高了實驗效率，從而達到“以虛補實，虛實結合，深度交互，理實融合”的教學效果。

關鍵詞：車身結構;側面碰撞;虛擬仿真;實驗項目;教學實踐

中圖分類號：G642.4? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0263-02

汽車保有量快速增加，汽車碰撞事故頻發，其中側面碰撞是道路交通事故的主要形式之一。我國許多高校的車輛工程專業均開設了《車身結構與設計》、《汽車與交通安全》、《汽車性能與仿真》等專業課程，這些課程均涉及汽車側面碰撞的相關理論和實驗環節。

一、實驗原理與目的

車輛數字化虛擬模型與實際樣車具有相同的車身結構、材料、軸荷分配等，用于乘員損傷評價的虛擬假人與物理實驗假人的動力學性能完全一致，虛擬仿真數據與實際實驗數據非常吻合。因此，虛擬仿真實驗結果可用于評價汽車側面碰撞的相關響應，體現了虛實結合的原則。

二、實驗交互式操作

本實驗項目在開放式虛擬仿真實驗教學管理和網絡共享平臺上運行。教師可利用該平臺在網上安排學生預習、指導學生實驗和批改實驗報告，學生可利用該平臺在網上進行選課、預習、自主測試、自主設計實驗以及撰寫和提交實驗報告。教學系統提供一體化的教學過程管理，學生在理論學習之后，查詢相關標準資料，再進入虛擬仿真實驗室進行實驗，如圖1所示。

三、實驗教學項目特色

1.實驗教學項目的先進性。本實驗項目的先進性主要體現在：（1）實驗項目易學易用、界面友好，學生參與度高、沉浸性強，解決了該項目實驗過程復雜、實驗器材昂貴、學生參與度低、實體教學實驗難以開展的問題，具有“以虛補實，虛實結合”的鮮明特色。（2）不斷吸收最新的教學實踐和科研成果，虛擬仿真實驗與實車碰撞實驗結果等效性強，可信度高。（3）以工程認證理念和新工科人才培養要求為導向，將“車身結構碰撞+乘員約束保護+安全性能評價”等理論分析、實驗操作、仿真計算、技術標準應用等知識縱橫交互，融會貫通，加深了學生對汽車碰撞機理和安全保護技術的深入理解，有效鍛煉和培養了學生分析和解決復雜工程問題的能力。

2.教學方法。將數字化3D仿真技術、虛擬儀器與VR技術、有限元仿真軟件、人機在線交互等技術綜合運用，激發學生的學習興趣。通過該實驗教學，學生可以學習和掌握汽車碰撞實驗的基本內容、儀器設備、技術標準、操作步驟和數據分析方法，加深對車身結構特性、乘員保護裝置、汽車安全性評價的理解，還可以熟悉整車數字化模型。

3.評價體系。該實驗項目在開放式虛擬仿真實驗教學管理系統和共享平臺上運行，教師可利用該平臺在線上安排學生預習、指導學生實驗和批改實驗報告并與學生互動交流，實現了全流程、一體化、交互式的教學管理與評價。

4.傳統教學的延伸與拓展。本實驗項目運用3D仿真、VR在線交互等現代教學技術，通過三維交互虛擬仿真實驗系統的轉換和優化，學生可在三維場景下開展“汽車側面碰撞虛擬仿真實驗”，學習汽車側面碰撞與乘員保護評價實驗的基本內容、儀器設備、操作步驟和數據分析方法，實現對傳統理論教學和實驗教學的延伸和拓展。

四、教學效果

本實驗項目可達到以下教學效果：

1.利用最新發展的虛擬仿真技術，將汽車側面碰撞在仿真環境中體現，可以極大地提高教學過程的直觀性和現實性。

2.通過汽車側面碰撞虛擬仿真實驗的訓練，顯著提高學生的自學能力、查閱文獻資料能力、實驗技能和動手能力、分析和解決實際問題的能力。

3.汽車側面碰撞虛擬仿真實驗重視認知、技能、情感等多種目標的協同達成，促進了整體教學目標的推進，注重階段性目標和方向性目標的有機結合。

4.汽車側面碰撞虛擬仿真實驗能注意到教材知識的縱橫向聯系，形成知識網絡，教學內容的呈現考慮到學生的心理結構特色，合理統籌規劃教與學的內容。

五、結語

針對汽車碰撞虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏的現狀，筆者及所在教學團隊依托江蘇大學國家級車輛工程虛擬仿真實驗教學中心，開發了汽車側面碰撞虛擬仿真實驗項目。基于高精度數字化車輛仿真模型、數字化仿真假人、虛擬儀器、虛擬仿真實驗室、三維場景與VR等技術，學生可以學習和掌握汽車側面碰撞實驗的基本內容、儀器設備、技術標準、操作步驟和數據分析方法，加深對車身結構、乘員保護裝置、汽車側面碰撞安全性評價和虛擬仿真實驗原理的理解。

參考文獻：

[1]江浩斌，等.車輛工程虛擬仿真實驗教學體系與平臺的構建[J].實驗室研究與探索，2017，36（06）：114-117+146.

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[3]張嘉鷺，馬軍，邢邦圣.高速動車組虛擬仿真實驗教學資源建設與共享研究[J].實驗技術與管理，2019，36（02）：153-155+180.

Construction and Teaching Practice of Vehicle Side Crash Virtual Simulation Experiment Project

DUAN Li-bin，JIANG Hao-bin，ZHANG Xue-rong，GENG Guo-qing，CAO Xiao-hui

（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Abstract：Virtual simulation experimental teaching resources of vehicle side impact are relatively scarce.The author and his teaching team rely on the National Vehicle Engineering Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Jiangsu University to establish a high-precision digital vehicle simulation model based on real vehicles，and make comprehensive use of digital simulation dummy，virtual instrument，virtual simulation laboratory，finite element simulation software，three-dimensional scene and VR.The virtual simulation experiment project of automobile side impact was developed based on online interaction technology.Through online virtual simulation experiments，students can deepen their understanding of body structures，occupant protection device，vehicle side crash safety evaluation and virtual simulation experiment principle.It solves the problem such that the real vehicle collision experiment is difficult to carry out，which improves the efficiency of the experiment.By this way，the teaching effects of "virtual complement，virtually and reality combination，deep interaction and rational integration" are expected to achieve.

Key words：Automotive Body Structure;Side Impact;Virtual Simulation;experiment project;teaching practice