计算机仿真技术在提升汽车理论课程工程实践能力方面的应用

桂林航天工业学院汽车与交通工程学院 封 进

汽车理论是我国高校汽车类本科专业的核心课程，主要学习汽车动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等基本性能、评价方法和计算方法，通过研究汽车行驶规律和动力学特性，分析使用特性与结构参数之间的内在联系，掌握汽车主要使用性能及其影响因素以及相关参数基本匹配方法，从而提供合理设计和正确使用汽车的理论依据。汽车理论课程内容是汽车设计、汽车试验学等应用类型课程的基础，在整个专业课程体系中起到重要的承上启下的作用，也是学生在行业内可持续发展的关键课程。

汽车理论课程知识面广、理论性强，涉及大量数学公式推导，本科生在学习过程中往往感觉比较抽象，难以理解。同时理论与实践联系紧密，采用传统教学，不仅课堂教学效果欠佳，学生跟不上教学进度，课堂互动开展不深，更难以进一步地对知识进行应用。教学中合理采用计算机仿真技术，不仅能提高学生的学习兴趣和教学效果，更能提高学生的工程实践能力。

汽车理论课程的主要内容是通过分析汽车动力学规律、性能参数对汽车性能进行评价，课程的实践能力培养主要指学生对汽车动力学性能模型的建立、解算，性能参数的获取及分析，因此学生实践能力的培养主要体现在计算机仿真技术的应用上。

本文以清华大学余志生老师主编的《汽车理论》第六版为例，通过“汽车动力性”“汽车动力装置参数选定”和“汽车操纵稳定性”三个代表性章节的内容，介绍汽车理论内容与计算机仿真技术相结合培养学生工程实践能力的具体实施。

一、汽车动力性

汽车动力性部分的教学目标是要求学生掌握汽车动力性评价指标及计算方法，能够建立汽车基本的行驶方程，并通过作图法进一步获得汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度等动力性评价指标，然后对影响因素做进一步的分析。

汽车动力性仿真计算软件较多，考虑对学生实践能力训练的循序渐进，应选择通用性好、普及率高、易于上手的计算机仿真软件进行实践训练入门，例如EXCEL、MATLAB、AVL_CRUISE 等。EXCEL 虽然是一款电子表格工具，但其拥有强大的计算功能和图表生成功能，通过输入公式进行计算，可以得到汽车动力性计算的图形化结果。MATLAB 作为一款专业计算软件，同样具备强大的编程和绘图能力，学生可以根据汽车行驶方程编制程序，也可以设计GUI 用户界面，通过输入车辆参数进行仿真计算。两种工具均能直观地表征车辆参数与动力性结果的关联关系，生成图表，便于对理论知识的理解。EXCEL 适合大部分学生快速上手，MATLAB 则适合之前受过相关训练或接受能力较强的学生。AVL_CRUISE 是一款主要用于汽车动力性、经济性以及排放性仿真的软件，采用图形化交互建模环境，只需设置好相应参数即可进行仿真计算并获得汽车动力性指标，可以方便看到参数变化对结果的影响。但由于计算算法由软件集成，对使用者而言该软件只是一个黑箱，不利于学生对计算方法的理解。

以MATLAB 为仿真手段进行汽车动力性内容的实践能力训练过程为例，首先参照教学内容建立汽车行驶方程，对汽车行驶方程进行编程，仿真计算并输出图形，得到汽车驱动力图、加速度倒数曲线图、汽车的爬坡度图、汽车功率平衡图等。对程序做进一步编写，还可获取汽车最高车速、加速时间和最大爬坡度等动力性指标，直观地反映出汽车的动力性，尤其是各档位的动力特性。同时通过调整程序参数改变汽车动力性，能够帮助学生掌握汽车动力性的影响因素及趋势，MATLAB 的数值计算方法还可以加深对本章重点内容汽车行驶方程的理解。

通过使用MATLAB 解决汽车动力性指标计算，可以初步培养学生使用现代工具解决复杂工程问题的能力，也为学生工程化思维的建立打下基础。

二、汽车动力装置参数选定

该部分教学内容是综合考虑汽车动力性和经济性因素，对汽车动力系统参数进行优化设计，包括发动机功率、变速器速比及档位数、主减速器速比等参数，属于对前面动力性和经济性两个章节的总结和应用，有较强的实践应用意义。由于汽车动力系统的优化设计过程中计算工作量比较大，例如C 曲线的获得，需要对不同的主传动比下汽车的加速时间和工况条件下百公里油耗进行计算，采用传统理论计算方法较为困难，难以实施完整的案例教学，必须通过计算机仿真技术开展辅助教学，以培养学生的工程能力。

考虑动力性和经济性进行动力系统参数优化设计的计算机仿真技术较多，比较著名的有GT-Suit、AVL_CRUISE、CarSim 等。上述软件都是基于汽车行驶方程和燃油经济性计算方法，采用模块化的建模方式，应用交互式图形用户界面调整车辆参数，操作简单方便，适用性强，都能够较方便地实现各类车型的动力性和经济性仿真需求。而AVL_CRUISE具有较方便的矩阵计算功能，更适合在汽车动力系统参数优化设计的仿真计算。例如，利用AVL_CRUISE 进行主减速比参数优化设计，首先采用拖拽的方式将车辆各模块从系统的模块库中拖入用户界面，单个进行参数修改，模块连接建立整车模型。在建立好工作任务、设置需要的工作循环后，可以根据主减速器速比范围设置多个主传动比进行矩阵，从而获得燃油经济性-加速时间曲线（C 曲线），提供主传动比参数选择。

采用AVL_CRUISE 进行汽车动力系统优化设计，进而完成汽车动力装置参数选定，不仅让学生又掌握一种工程应用手段，培养解决复杂工程问题的能力，加深学生对动力性和经济性的概念与计算方法的认识，更进一步培养了学生对汽车设计中性能参数指标相互制约的理解，以及汽车设计即是追求高性价比的设计理念。

三、汽车操纵稳定性

“汽车操纵稳定性”部分教学内容较多，包括线性二自由度模型、操稳性与汽车悬架、转向系、传动系的关系等，知识的难度进一步加深。应用工具的选择上不仅有MATLAB 等通用软件，还包括ADMAS、CarSim 等众多业界流行的汽车动力学专业软件。ADMAS 有专门的汽车模块，方便快速建立数字样机对汽车包括操稳性在内的多个性能指标进行仿真分析。CarSim 也是一款解决车辆动力学问题的软件，可以实现动力性、经济性、操稳性等汽车基本性能的仿真分析。软件采用图形用户界面实施建模，所有的参数设置和调整均在图形界面完成，上手相对简单。“汽车操纵稳定性”部分的理论深度进一步加强，考虑一般本科生够用即可的学习要求，可以对该部分数学模型建立过程不做要求，而着重对性能影响因素及趋势进行分析，在计算机仿真技术的学习上应结合行业应用习惯，可以分别采用ADMAS 和CarSim 进行相应工程训练。

线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应是汽车操纵稳定性的重点和难点内容，参数之间相互关联，对汽车操纵稳定性的影响不够直观，理论建模与结果分析相对困难。采用CarSim 进行建模分析可以较好地解决这个问题。CarSim 采用参数化建模，可以通过系统参数设置和特性曲线完成车辆定义。仿真结果可以通过动画或者汽车操纵稳定性参数的特性曲线进行表达，帮助学生掌握操纵稳定性评价各个指标的变化规律，从而厘清汽车操纵稳定性的设计思路。

“汽车操纵稳定性与悬架的关系”属于“汽车操纵稳定性”一章的重点教学内容，主要掌握悬架对汽车操纵稳定性的影响。这部分内容的工程实践训练上，适合采用多体动力学软件ADMAS 作为手段，ADMAS 包含了一系列的汽车专用模块，可以直接调用模块后修改参数完成建模工作。然后进行相应工况的运动仿真分析，并进行各参数灵敏度分析和优化，实现悬架硬点及安装参数的最优。同时可以根据仿真计算输出直观地得到参数变化与操稳性能的关联关系，加深悬架对操纵稳定性影响的理解。

汽车理论课程具有知识面广、理论性强、理论与实践结合紧密等特点，课程教学与改革重点应聚焦在“知识、能力、素质”三方面培养上，力求学生掌握车辆性能相关理论知识，培养解决车辆制造领域复杂工程问题的能力。教学内容合理采用计算机仿真技术，可以提高学生对知识的理解程度，进一步培养学生解决车辆工程领域复杂工程问题的能力，提升工程实践能力。