汽车侧面碰撞虚拟仿真实验项目建设与教学实践

段利斌 江浩斌 张学荣 耿国庆 曹晓辉

摘要：汽车侧面碰撞虚拟仿真实验教学资源相对匮乏，作者及所在教学团队依托江苏大学国家级车辆工程虚拟仿真实验教学中心，基于真实车辆建立高精度数字化车辆仿真模型，综合运用数字化仿真假人、虚拟仪器、虚拟仿真实验室、有限元仿真软件、三维场景与VR、人机在线交互等技术，开发了汽车侧面碰撞虚拟仿真实验项目。学生通过在线开展虚拟仿真实验，加深学生对车身结构、乘员保护装置、汽车侧面碰撞安全性评价和虚拟仿真实验原理的理解。解决了实车碰撞实验难以开展的问题，弥补了实车实验的不足，提高了实验效率，从而达到“以虚补实，虚实结合，深度交互，理实融合”的教学效果。

关键词：车身结构;侧面碰撞;虚拟仿真;实验项目;教学实践

中图分类号：G642.4     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）38-0263-02

汽车保有量快速增加，汽车碰撞事故频发，其中侧面碰撞是道路交通事故的主要形式之一。我国许多高校的车辆工程专业均开设了《车身结构与设计》、《汽车与交通安全》、《汽车性能与仿真》等专业课程，这些课程均涉及汽车侧面碰撞的相关理论和实验环节。

一、实验原理与目的

车辆数字化虚拟模型与实际样车具有相同的车身结构、材料、轴荷分配等，用于乘员损伤评价的虚拟假人与物理实验假人的动力学性能完全一致，虚拟仿真数据与实际实验数据非常吻合。因此，虚拟仿真实验结果可用于评价汽车侧面碰撞的相关响应，体现了虚实结合的原则。

二、实验交互式操作

本实验项目在开放式虚拟仿真实验教学管理和网络共享平台上运行。教师可利用该平台在网上安排学生预习、指导学生实验和批改实验报告，学生可利用该平台在网上进行选课、预习、自主测试、自主设计实验以及撰写和提交实验報告。教学系统提供一体化的教学过程管理，学生在理论学习之后，查询相关标准资料，再进入虚拟仿真实验室进行实验，如图1所示。

三、实验教学项目特色

1.实验教学项目的先进性。本实验项目的先进性主要体现在：（1）实验项目易学易用、界面友好，学生参与度高、沉浸性强，解决了该项目实验过程复杂、实验器材昂贵、学生参与度低、实体教学实验难以开展的问题，具有“以虚补实，虚实结合”的鲜明特色。（2）不断吸收最新的教学实践和科研成果，虚拟仿真实验与实车碰撞实验结果等效性强，可信度高。（3）以工程认证理念和新工科人才培养要求为导向，将“车身结构碰撞+乘员约束保护+安全性能评价”等理论分析、实验操作、仿真计算、技术标准应用等知识纵横交互，融会贯通，加深了学生对汽车碰撞机理和安全保护技术的深入理解，有效锻炼和培养了学生分析和解决复杂工程问题的能力。

2.教学方法。将数字化3D仿真技术、虚拟仪器与VR技术、有限元仿真软件、人机在线交互等技术综合运用，激发学生的学习兴趣。通过该实验教学，学生可以学习和掌握汽车碰撞实验的基本内容、仪器设备、技术标准、操作步骤和数据分析方法，加深对车身结构特性、乘员保护装置、汽车安全性评价的理解，还可以熟悉整车数字化模型。

3.评价体系。该实验项目在开放式虚拟仿真实验教学管理系统和共享平台上运行，教师可利用该平台在线上安排学生预习、指导学生实验和批改实验报告并与学生互动交流，实现了全流程、一体化、交互式的教学管理与评价。

4.传统教学的延伸与拓展。本实验项目运用3D仿真、VR在线交互等现代教学技术，通过三维交互虚拟仿真实验系统的转换和优化，学生可在三维场景下开展“汽车侧面碰撞虚拟仿真实验”，学习汽车侧面碰撞与乘员保护评价实验的基本内容、仪器设备、操作步骤和数据分析方法，实现对传统理论教学和实验教学的延伸和拓展。

四、教学效果

本实验项目可达到以下教学效果：

1.利用最新发展的虚拟仿真技术，将汽车侧面碰撞在仿真环境中体现，可以极大地提高教学过程的直观性和现实性。

2.通过汽车侧面碰撞虚拟仿真实验的训练，显著提高学生的自学能力、查阅文献资料能力、实验技能和动手能力、分析和解决实际问题的能力。

3.汽车侧面碰撞虚拟仿真实验重视认知、技能、情感等多种目标的协同达成，促进了整体教学目标的推进，注重阶段性目标和方向性目标的有机结合。

4.汽车侧面碰撞虚拟仿真实验能注意到教材知识的纵横向联系，形成知识网络，教学内容的呈现考虑到学生的心理结构特色，合理统筹规划教与学的内容。

五、结语

针对汽车碰撞虚拟仿真实验教学资源相对匮乏的现状，笔者及所在教学团队依托江苏大学国家级车辆工程虚拟仿真实验教学中心，开发了汽车侧面碰撞虚拟仿真实验项目。基于高精度数字化车辆仿真模型、数字化仿真假人、虚拟仪器、虚拟仿真实验室、三维场景与VR等技术，学生可以学习和掌握汽车侧面碰撞实验的基本内容、仪器设备、技术标准、操作步骤和数据分析方法，加深对车身结构、乘员保护装置、汽车侧面碰撞安全性评价和虚拟仿真实验原理的理解。

参考文献：

[1]江浩斌，等.车辆工程虚拟仿真实验教学体系与平台的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（06）：114-117+146.

[2]潘公宇，等.车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计[J].实验技术与管理，2017，34（04）：1-5.

[3]张嘉鹭，马军，邢邦圣.高速动车组虚拟仿真实验教学资源建设与共享研究[J].实验技术与管理，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