周紅妮 王保華 馮 櫻

湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院 湖北十堰 442002

計算機仿真技術在汽車理論教學中的應用

周紅妮 王保華 馮 櫻

湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院 湖北十堰 442002

汽車理論是車輛工程等相關專業(yè)一門重要的核心課程。傳統(tǒng)教學方法的不足，影響了課程的教學效果及學生能力的培養(yǎng)。結合汽車理論課程的教學內(nèi)容與特點，探討了將計算機仿真技術引入到課程教學的新的現(xiàn)代教學方法與手段。并以三種常用的汽車性能仿真軟件MATLAB，CRUISE和ADAMS/CAR為例，列舉了計算機仿真技術在汽車理論教學中的具體應用。論文將為汽車理論課程教學方法改革提供一定參考。

汽車理論；教學方法；計算機仿真技術

汽車理論是車輛工程類專業(yè)的必修課程和核心課程。此課程通過系統(tǒng)講述汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性及通過性等主要行駛性能，為汽車專業(yè)的學生或從事與汽車相關研究的技術人員，提供了進行汽車設計、實驗及使用所必需的專業(yè)基礎知識。汽車理論課程是以力學為基礎，涉及機械、電子、控制和數(shù)學等學科闡述汽車的各種行駛性能，研究在滿足這些性能要求基礎上選擇汽車設計參數(shù)的相關原則，并介紹如何利用現(xiàn)代技術提高汽車行駛性能。［1］由于汽車理論涉及內(nèi)容的綜合性和復雜性，傳統(tǒng)的教學方法與手段，使得教師和學生在此課程的講授和學習中都遇到一定的困難和問題。

近年來，隨著計算機技術全面深入的滲透，特別是在汽車研究領域，多種計算機仿真分析軟件在汽車的設計和開發(fā)中已的應用已日益廣泛和深入。其中對汽車行駛性能的分析與研究中，Matlab，CRUISE，ADAMS等工程軟件的應用最為廣泛。而如何利用好這些仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，將計算機仿真技術引入到汽車理論課程的理論教學和實踐教學中來，以激發(fā)學生的學習興趣、提高教學效果是本文要探討的主要問題。

1 課程教學方法探討

汽車理論是一門涉及內(nèi)容較多、理論性很強、綜合多個學科的專業(yè)課程，不同于其他汽車專業(yè)課程那么形象直觀，學生普遍反映難以掌握。根據(jù)課程教學內(nèi)容及其特點，選擇適用的教學方法是提高教學效果的關鍵。對于基本概念、工作原理、受力分析圖、曲線圖、數(shù)據(jù)表以及一些結論性的知識點，可以采用多媒體中的文字、圖表和動畫等方法展示，既可達到直觀明了的效果，又可提高教學效率。涉及公式推導和受力分析內(nèi)容的，宜采用傳統(tǒng)的黑板板書教學方式。因為傳統(tǒng)的黑板推演過程更能容易引導學生進行邏輯思維和抽象思維，對得到的結論印象也會更加深刻。對于比較復雜、抽象的教學內(nèi)容，可以應用計算機仿真平臺通過動畫視頻，以及現(xiàn)場調(diào)取模型進行分析等方式輔助教學，將其形象化以提高學生的感性認識，避免了讓教師空洞地陳述、學生想象地去理解的局面，從而提高教學效果。對于汽車性能實驗，特別是汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性實驗，由于實驗條件的限制多數(shù)無法開展。而通過應用計算機仿真技術可以設計與實施一些虛擬仿真實驗，從而彌補了實驗教學內(nèi)容的不足。汽車理論課程除理論教學和實驗教學內(nèi)容之外，一般還附帶課后作業(yè)、課外大作業(yè)、課堂演講以及后續(xù)汽車理論課程設計等環(huán)節(jié)，由于課后題目一致、項目任務單一、可用的計算工具也比較局限（常用Excel或Matlab），往往造成大量抄襲，不利于學生能力的培養(yǎng)與公正的評價。可以考慮以項目為驅(qū)動將多種計算機仿真技術融入實踐教學環(huán)節(jié)，以加深學生對理論知識的理解，并激發(fā)學習和研究的興趣。在教學過程中，需要根據(jù)具體的教學內(nèi)容選擇恰當?shù)慕虒W手段，結合傳統(tǒng)教學方法與現(xiàn)代教學方法，使其發(fā)揮各自優(yōu)勢才能獲得更好的教學效果。［2，3］

2 計算機仿真技術應用方法探討

在汽車理論教學中，合理應用計算機仿真技術將對課程的教學和學生的學習效果、對后續(xù)課程設計與畢業(yè)設計，以及對學生工程軟件應用能力的培養(yǎng)帶來很大的幫助。下面將從如下幾點探討其應用方法：

2.1 建立汽車性能仿真分析輔助教學模型庫

首先應根據(jù)汽車理論教材，結合學生的具體理解情況，合理選擇應用點，對某些重點、難點以及不易講述的地方，考慮能否應用計算機仿真技術進行輔助教學。應用計算機仿真軟件建立汽車性能仿真分析實例庫與模型庫，在課程教學中可以隨時調(diào)用視頻錄像與仿真模型，將汽車的一些結構運動、參數(shù)調(diào)整、性能分析、曲線變化等復雜問題在課堂中進行動態(tài)仿真演示。這樣老師就可以方便地進行講解，并給學生提供了直觀、形象的過程與結論，學生理解起來會更容易。同時在教學過程中，向?qū)W生展示計算機仿真技術在汽車領域的應用，還可激發(fā)學生利用相關軟件對理論知識進行學習和應用，為后續(xù)課外實踐、課程設計、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)打下基礎。由于課程所涉及的應用點可能較多，所以模型庫建設之初，工作量較大，不過這對學校精品課程建設和直接改善課程教學效果來說是十分必要且一勞永逸的。

2.2 各種仿真軟件在專業(yè)教學中的優(yōu)勢

根據(jù)不同計算機仿真軟件的專業(yè)優(yōu)勢，合理應用于汽車理論教學中，使復雜問題的分析變得直觀、清晰，并能激發(fā)學生的學習興趣。Matlab軟件是進行汽車性能計算的常用工具，具有強大的數(shù)值計算和圖形功能，可以方便地完成各種汽車性能的計算；同時，利用Matlab的數(shù)值計算函數(shù)和Simulink模塊，可以對汽車理論中復雜的過程進行仿真分析和求解。這些計算和分析的結果都可以通過Matlab提供的可視化手段呈現(xiàn)給學生，有助于清晰地闡釋抽象的概念。［4］

車輛性能仿真軟件CRUISE是一款專門為汽車傳動系統(tǒng)匹配而設計的整車性能仿真軟件。模塊化的建模方式將整車分為發(fā)動機、離合器、變速箱、主減速器等汽車模塊，同時設有循環(huán)行駛工況、爬坡性能分析、穩(wěn)態(tài)行駛性能分析等計算任務，可方便地進行傳統(tǒng)汽車、新能源汽車整車動力性、經(jīng)濟性計算與動力裝置參數(shù)的匹配分析。與Matlab軟件不同的是，該軟件建模方便，不同的模塊參數(shù)和計算任務可以詳細、方便地進行設置，更加接近汽車實際模型，計算結果也更加精確。該軟件在汽車動力傳動系統(tǒng)仿真方面具有其他仿真軟件無法比擬的專業(yè)性和靈活性，在國內(nèi)外汽車行業(yè)應用十分廣泛。

ADAMS是一款在汽車行業(yè)應用較為廣泛的機械系統(tǒng)多體動力學仿真軟件，其中ADAMS/CAR模塊為一款整車設計軟件包，它能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機模型，通過高速動畫，直觀地再現(xiàn)各種虛擬實驗工況下整車的動力學響應，大大減少了對物理樣機的依賴。在汽車理論教學中，可通過ADAMS/CAR在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動分析，同時還可進行汽車操縱穩(wěn)定性和平順性等相關的仿真實驗，解決了由于客觀條件限制不能進行的實驗教學環(huán)節(jié)。

另外，在汽車仿真技術研究領域還有ADVISOR，CarSim/TruckSim等工程軟件，憑借自身的優(yōu)勢和特點，應用也較為廣泛。

2.3 計算機仿真技術在項目驅(qū)動實踐教學模式中的作用

目前多數(shù)汽車理論教學進行的課后作業(yè)、課外大作業(yè)和汽車理論課程設計，以Matlab軟件應用較為廣泛。通過Matlab軟件進行編程計算可對汽車的多項性能進行分析，但是應用Matlab使學生過多偏重于公式計算與編程，具有一定的局限性。而且，單一的課題任務往往伴隨大量的抄襲，不利于學生獨立解決問題與公正的評價。以多類課題項目為驅(qū)動將不同計算機仿真軟件應用于汽車理論各個實踐教學環(huán)節(jié)，可解決上述問題。［5］實施過程中，需要構建多個貼合汽車實際使用性能的課題項目，并以同類型仿真軟件的應用進行分組學習和指導，使學生在項目學習及完成過程中加深對理論知識的理解及實際應用，激發(fā)學生實際分析問題、解決問題的能力。

3 計算機仿真技術應用實例

3.1 Matlab軟件應用實例

汽車的動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。其中，在繪制一下曲線圖，如驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖時，以往的教學方法基本是課堂講授曲線的作圖方法，給一個課本已經(jīng)繪制好的某車型的曲線，然后由曲線分析汽車各檔的驅(qū)動力的變化?？筛鶕?jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩擬合公式、驅(qū)動力計算公式、行駛阻力計算公式及車速計算公式，如下所示：

應用Matlab軟件編寫計算程序，可方便地得到如圖1所示的某汽車驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，還可進行參數(shù)調(diào)整，分析曲線的變化對汽車動力性能的影響。同時，還可應用Matlab中GUI圖形用戶界面設計功能，自由設計汽車動力性計算GUI界面，通過輸入不同車型參數(shù)、快速實現(xiàn)文本計算結果及圖形結果的顯示，如圖2所示。

Matlab軟件具有強大的數(shù)值計算和圖形功能，可以方便地完成包括動力性等在內(nèi)的各種汽車性能的計算。除此之外，Matlab軟件中的SIMULINK模塊還可進行復雜過程的仿真分析。例如，在汽車理論操縱穩(wěn)定性的學習中，可通過Matlab/SIMULINK快速搭建線性二自由度汽車的運動仿真模型，方便地進行前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應分析。

3.2 CRUISE軟件應用實例

利用CRUISE軟件模塊庫，可快速搭建傳統(tǒng)汽車及新能源汽車動力傳動系統(tǒng)仿真模型，通過設置計算任務，對整車動力性、經(jīng)濟性等進行仿真計算。同時，軟件自身也提供了多種汽車模型模板，便于初學者進行學習。圖3為軟件自身提供的傳統(tǒng)后輪驅(qū)動汽車（FR）動力傳動系統(tǒng)仿真模型，通過設置計算任務，可得到豐富的有關汽車動力性、經(jīng)濟性的文本和圖表結果分析文件。圖4為設置UDC循環(huán)工況后，計算得到的發(fā)動機工作點分布示意圖，可對發(fā)動機與整車動力裝置參數(shù)進行匹配分析提供依據(jù)。

圖3 后輪驅(qū)動汽車動力傳動系統(tǒng)仿真模型

圖4 發(fā)動機工作點分布圖

3.3 ADAMS軟件應用實例

在汽車理論教學中，可通過ADAMS/CAR在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性和平順性等相關的仿真實驗，解決實際實驗條件限制帶來的問題。在ADAMS/ CAR中用戶可以通過模板自行創(chuàng)建模型，也可調(diào)用共享數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)或整車模型進行仿真分析。圖5以汽車操縱穩(wěn)定性中的單移線實驗為例，對某車整車操縱穩(wěn)定性進行了虛擬仿真。可根據(jù)標準設置實驗條件，通過仿真計算，將實驗結果以動畫、曲線圖等方式展現(xiàn)。ADAMS/CAR所提供的仿真實驗平臺，可使學生方便地進行各種有關操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性虛擬實驗，彌補了實驗教學內(nèi)容的不足。

圖5 ADAMS/CAR中汽車操縱穩(wěn)定性仿真實驗-單移線實驗

4 結束語

將計算機仿真技術應用到汽車理論教學，可以使教學質(zhì)量得到明顯提高。形象、生動的仿真模型分析與演示，既便于老師的講述，又使學生對理論知識有了深刻的理解，克服了客觀實際條件對理論教學的制約，同時也能培養(yǎng)學生對相關軟件學習的興趣與應用能力。當然充分利用多種計算機仿真工程軟件的優(yōu)勢來輔助教學，還需要大量的準備工作，但考慮到對教學效果的提高改善與學生理論知識的學習，這將是十分必要。

［1］余志生.汽車理論［M］.第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［2］楊年炯.計算機仿真技術應用于《汽車理論》教學的探討-以空氣懸架性能分析為例［J］.裝備制造技術，2012，（9）：73-75.

［3］隗寒冰，李軍.基于AVL/Cruise仿真平臺的汽車理論實驗教學改革研究［J］.科技信息，2010（29）：584-585.

［4］黃兵鋒.MATLAB軟件在汽車理論教學中的應用［J］.科技信息，2010（8）：114-116.

［5］魯力群.項目驅(qū)動下的汽車理論課程改革及實踐［J］.大學教育，2013（16）：86-87.

Discussion about the Application of Computer Simulation Technology in the Course Teaching of Automobile Theory

Zhou Hongni， Wang Baohua， Feng Ying
Hubei University of Automotive Technology， School of Automotive Engineering， Shiyan， 442002， China

Automobile Theory is an important and core course in major of vehicle engineering and other related majors. The teaching effect of the course and the training of the students' ability are affected for the defciency of conventional teaching method. According to the teaching content and characteristic in automobile theory course， the modern teaching methods and means of the course which is induced the computer simulation technology are discussed in this paper. And the three type of specifc application of computer simulation technology in the course are listed at last by using the software of Matlab， CRUISE and ADAMS/CAR. This paper could offer some

to the teaching reform of automobile theory course.

automobile theory； teaching method； computer simulation technology

2015-02-17

周紅妮，碩士，講師。

湖北汽車工業(yè)學院2014年汽車理論校級精品課程建設項目。