虚拟样机及虚拟试验在汽车专业课程教学中的应用分析★

吴光强，何东伟

（1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314001）

0 引言

虚拟样机及虚拟试验通过建立三维数字化模型，并对其进行结构强度分析和动力学分析，通过仿真验证产品方案的合理性。在一定程度上可以替代传统的试验，主要的优点有：可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，降低实际试验费用；在复杂产品开发中，可以实现设计者，产品用户在设计阶段信息的互反馈，使设计者全方位吸收，采纳对新产品的建议；虚拟试验不受场地，时间和次数的限制，可对试验过程进行回放、再现和重复。

虚拟样机及虚拟试验已经成为新型教学手段，帮助学生逼真学习环境，通过真实感受来增强记忆，自主学习更容易让学生接受，激发学生的学习兴趣。

1 虚拟样机及虚拟试验在汽车专业应用的必要性

汽车是一个复杂的机电产品，在设计制造过程中，需要大量试验进行验证和评价。为降低成本、缩短开发周期，虚拟样机及虚拟试验来进行研发非常合适，而汽车后期维护也可以通过虚拟试验进行教学和培训。

实验课老师往往会根据设备和教学大纲要求安排实验项目，大部分试验都是静态试验，主要原因实践教学成本高。比如因为有些单台套设备比较贵，就会出现学生多，设备少的问题。再如考虑到学生在试验过程中的安全性，如果授课教师又不足，只能做一些静态试验。尤其是近3 年的新冠疫情爆发期间取消了线下教学，不能现场教学，只能采用线上教学模式。

虚拟试验教学平台往往安排在机房，可以根据学生人数批次采购软件服务点，每个学生都可以自主的操作控制虚拟试验，比如学生可以设计一个汽车零部件，设计完成后紧接着就可以进行测试，测试的结果也可以立马看到反馈，有利于分层次教学，有利于提高教学质量。

2 汽车专业主要应用

2.1 汽车虚拟拆装

汽车构造是汽车类专业基础，教学过程中选用了景格系列教学仿真软件，软件分为丰田、大众、通用三个车系。以大众车系为例，有发动机拆装、变速箱拆装、底盘拆装等。发动机虚拟拆装过程中，学生需要将100 多个零件逐个按步骤安装，出现安装错误会扣分，直到正确安装顺序才能完整的安装。再比如里面有连杆活塞机构，点击机构，会生成爆炸图，让学生进一步精准理解课程。而通过虚拟教学平台，可以针对不同车型的基本构造、专车专学、由点到面、由表及里、循序渐进系统学习[1]。

虚拟装配时，对装配体进行装配规划，对装配顺序、装配方案、所用工具、夹具及装配线等相关问题进行分析，通过视觉传达、语言提示，进行演示。学生可以独立的操作实验中的每一步，发现错误立马进行修正，可以反复多次实验。这样一套流程不仅使学生熟悉认识了每一个零件的名称，还知道了每个零件对应的位置，拆装时候具体的顺序，如果后面还有实物拆装，往往能够快速高效地解决，减少错误和安全隐患。如图1 所示，通过专用设备，可以在虚拟现实中拆装汽车零部件。有一些高级的软件可以借助VR 设备，让学生有种身临其境的感觉，通过佩戴信号采集设备，这时候可以通过肢体动作进行模拟拆装，体验感更强。

2.2 汽车性能测试虚拟平台

汽车理论是汽车专业课中最重要的课程之一，很多高校汽车类专业研究生入学初试或者复试都会将汽车理论作为必选。主要研究汽车的动力性、燃油经济性、制动性、舒适性、安全性、通过性等，里面公式多，有些理论也难理解，知识点也特别多，教师往往会选择让学生把这些理论、知识点死记硬背下来，很多学生背完，但不能应用。整个教学过程中学生难以将汽车运行进行动态化，导致学生难以理解，实际操作能力更差。汽车虚拟试验场（VPG，Automobile virtual testing ground）是集成数字路面模型、轮胎模型、汽车多体动力学模型的一个虚拟仿真平台，将物理的真实试验场道路的高精度数字化模型，导入车辆多体动力学仿真软件后，基于车辆模型和轮胎模型，可模拟实车在物理试验场中的行驶状态，获得与实车试验相一致的道路载荷谱数据，从而开展整车疲劳耐久载荷的提取及分解、舒适性能分析及整车运动校核等[2]。如图2 所示为汽车虚拟试验场技术路线，图3 为汽车虚拟试验场构架及分析。通过汽车虚拟试验场，学生不用去死记硬背那些知识，只要会用就行，学生在使用过程中也更容易理解这些公式和理论，学生喜欢学便达到了那么教学的目的。

图2 汽车虚拟试验场技术路线

图3 汽车虚拟试验场构架及分析

2.3 汽车检测虚拟试验

汽车检测试验也是专业必修内容，在实车上进行故障一些设置，让学生根据仪器来排除故障，若故障设置点如果比较少，达不到检验学生学习效果要求，而故障如果设置过多，学生不一定做得出来，还存在损坏设备的风险。如果让学生先在虚拟教学平台上操作，利用虚拟平台上的示波器、万用表、故障诊断仪去操作实验，学生可以大胆去尝试，不断地寻找答案，直到找到所有故障并清除。要求每个学生先学会使用电子示波器、掌握电波信号流程。戴上专用设备后，学生能够在虚拟现实中接触汽车的每一个部件、分析每一处故障，并掌握其排除方法（见图4）。比如对汽车转向灯试验，需对前大灯变光器、闪光器进行测试，并对其部件诊断与维修[3]。

图4 虚拟现实中进行汽车测试

在虚拟教学平台中，学生也可以对实践教学中难以实现的教学场景进行学习。例如，有时候难以保证举升机构不出问题，考虑到学生安全性，在进行底盘试验中，老师把汽车举升到一定高度之后，很多老师不敢让学生站到底盘下去长时间的观测，也不敢直接让学生去操作举升机构，操作过程中需要时刻关注所有学生的状态。该试验完全可以利用虚拟教学平台，通过一些先进的VR 设备，让学生更直观地看到设备所有状态，还可以利用虚拟电子设备进行多种尝试，多种测试，观测结果，从而本质上了解汽车，掌握这些必备的专业知识。

3 结语

虚拟样机及虚拟试验技术在高校汽车专业的应用，利用三维数字技术，虚拟整车结构，实现实幻交织、人机交互、沉浸式体验的高科技教学模式。增加互动性和真实性，解决了难再现、难理解、难动作、难进入“四难”的问题，极大地激发了学员的学习热情，有效解决以往汽车专业在实践教学中存在的问题，对专业教学水平的提高提供了一个很好的补充，能够有效提升学生对教学内容的掌握程度和学校的教学质量。