计算机仿真技术在汽车理论教学中的应用

周红妮 王保华 冯 樱

湖北汽车工业学院汽车工程学院 湖北十堰 442002

计算机仿真技术在汽车理论教学中的应用

周红妮 王保华 冯 樱

湖北汽车工业学院汽车工程学院 湖北十堰 442002

汽车理论是车辆工程等相关专业一门重要的核心课程。传统教学方法的不足，影响了课程的教学效果及学生能力的培养。结合汽车理论课程的教学内容与特点，探讨了将计算机仿真技术引入到课程教学的新的现代教学方法与手段。并以三种常用的汽车性能仿真软件MATLAB，CRUISE和ADAMS/CAR为例，列举了计算机仿真技术在汽车理论教学中的具体应用。论文将为汽车理论课程教学方法改革提供一定参考。

汽车理论；教学方法；计算机仿真技术

汽车理论是车辆工程类专业的必修课程和核心课程。此课程通过系统讲述汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性及通过性等主要行驶性能，为汽车专业的学生或从事与汽车相关研究的技术人员，提供了进行汽车设计、实验及使用所必需的专业基础知识。汽车理论课程是以力学为基础，涉及机械、电子、控制和数学等学科阐述汽车的各种行驶性能，研究在满足这些性能要求基础上选择汽车设计参数的相关原则，并介绍如何利用现代技术提高汽车行驶性能。［1］由于汽车理论涉及内容的综合性和复杂性，传统的教学方法与手段，使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。

近年来，随着计算机技术全面深入的渗透，特别是在汽车研究领域，多种计算机仿真分析软件在汽车的设计和开发中已的应用已日益广泛和深入。其中对汽车行驶性能的分析与研究中，Matlab，CRUISE，ADAMS等工程软件的应用最为广泛。而如何利用好这些仿真软件的专业优势，将计算机仿真技术引入到汽车理论课程的理论教学和实践教学中来，以激发学生的学习兴趣、提高教学效果是本文要探讨的主要问题。

1 课程教学方法探讨

汽车理论是一门涉及内容较多、理论性很强、综合多个学科的专业课程，不同于其他汽车专业课程那么形象直观，学生普遍反映难以掌握。根据课程教学内容及其特点，选择适用的教学方法是提高教学效果的关键。对于基本概念、工作原理、受力分析图、曲线图、数据表以及一些结论性的知识点，可以采用多媒体中的文字、图表和动画等方法展示，既可达到直观明了的效果，又可提高教学效率。涉及公式推导和受力分析内容的，宜采用传统的黑板板书教学方式。因为传统的黑板推演过程更能容易引导学生进行逻辑思维和抽象思维，对得到的结论印象也会更加深刻。对于比较复杂、抽象的教学内容，可以应用计算机仿真平台通过动画视频，以及现场调取模型进行分析等方式辅助教学，将其形象化以提高学生的感性认识，避免了让教师空洞地陈述、学生想象地去理解的局面，从而提高教学效果。对于汽车性能实验，特别是汽车的操纵稳定性和平顺性实验，由于实验条件的限制多数无法开展。而通过应用计算机仿真技术可以设计与实施一些虚拟仿真实验，从而弥补了实验教学内容的不足。汽车理论课程除理论教学和实验教学内容之外，一般还附带课后作业、课外大作业、课堂演讲以及后续汽车理论课程设计等环节，由于课后题目一致、项目任务单一、可用的计算工具也比较局限（常用Excel或Matlab），往往造成大量抄袭，不利于学生能力的培养与公正的评价。可以考虑以项目为驱动将多种计算机仿真技术融入实践教学环节，以加深学生对理论知识的理解，并激发学习和研究的兴趣。在教学过程中，需要根据具体的教学内容选择恰当的教学手段，结合传统教学方法与现代教学方法，使其发挥各自优势才能获得更好的教学效果。［2，3］

2 计算机仿真技术应用方法探讨

在汽车理论教学中，合理应用计算机仿真技术将对课程的教学和学生的学习效果、对后续课程设计与毕业设计，以及对学生工程软件应用能力的培养带来很大的帮助。下面将从如下几点探讨其应用方法：

2.1 建立汽车性能仿真分析辅助教学模型库

首先应根据汽车理论教材，结合学生的具体理解情况，合理选择应用点，对某些重点、难点以及不易讲述的地方，考虑能否应用计算机仿真技术进行辅助教学。应用计算机仿真软件建立汽车性能仿真分析实例库与模型库，在课程教学中可以随时调用视频录像与仿真模型，将汽车的一些结构运动、参数调整、性能分析、曲线变化等复杂问题在课堂中进行动态仿真演示。这样老师就可以方便地进行讲解，并给学生提供了直观、形象的过程与结论，学生理解起来会更容易。同时在教学过程中，向学生展示计算机仿真技术在汽车领域的应用，还可激发学生利用相关软件对理论知识进行学习和应用，为后续课外实践、课程设计、毕业设计等环节打下基础。由于课程所涉及的应用点可能较多，所以模型库建设之初，工作量较大，不过这对学校精品课程建设和直接改善课程教学效果来说是十分必要且一劳永逸的。

2.2 各种仿真软件在专业教学中的优势

根据不同计算机仿真软件的专业优势，合理应用于汽车理论教学中，使复杂问题的分析变得直观、清晰，并能激发学生的学习兴趣。Matlab软件是进行汽车性能计算的常用工具，具有强大的数值计算和图形功能，可以方便地完成各种汽车性能的计算；同时，利用Matlab的数值计算函数和Simulink模块，可以对汽车理论中复杂的过程进行仿真分析和求解。这些计算和分析的结果都可以通过Matlab提供的可视化手段呈现给学生，有助于清晰地阐释抽象的概念。［4］

车辆性能仿真软件CRUISE是一款专门为汽车传动系统匹配而设计的整车性能仿真软件。模块化的建模方式将整车分为发动机、离合器、变速箱、主减速器等汽车模块，同时设有循环行驶工况、爬坡性能分析、稳态行驶性能分析等计算任务，可方便地进行传统汽车、新能源汽车整车动力性、经济性计算与动力装置参数的匹配分析。与Matlab软件不同的是，该软件建模方便，不同的模块参数和计算任务可以详细、方便地进行设置，更加接近汽车实际模型，计算结果也更加精确。该软件在汽车动力传动系统仿真方面具有其他仿真软件无法比拟的专业性和灵活性，在国内外汽车行业应用十分广泛。

ADAMS是一款在汽车行业应用较为广泛的机械系统多体动力学仿真软件，其中ADAMS/CAR模块为一款整车设计软件包，它能够快速建造高精度的整车虚拟样机模型，通过高速动画，直观地再现各种虚拟实验工况下整车的动力学响应，大大减少了对物理样机的依赖。在汽车理论教学中，可通过ADAMS/CAR在虚拟环境中实现悬架、转向系统的运动分析，同时还可进行汽车操纵稳定性和平顺性等相关的仿真实验，解决了由于客观条件限制不能进行的实验教学环节。

另外，在汽车仿真技术研究领域还有ADVISOR，CarSim/TruckSim等工程软件，凭借自身的优势和特点，应用也较为广泛。

2.3 计算机仿真技术在项目驱动实践教学模式中的作用

目前多数汽车理论教学进行的课后作业、课外大作业和汽车理论课程设计，以Matlab软件应用较为广泛。通过Matlab软件进行编程计算可对汽车的多项性能进行分析，但是应用Matlab使学生过多偏重于公式计算与编程，具有一定的局限性。而且，单一的课题任务往往伴随大量的抄袭，不利于学生独立解决问题与公正的评价。以多类课题项目为驱动将不同计算机仿真软件应用于汽车理论各个实践教学环节，可解决上述问题。［5］实施过程中，需要构建多个贴合汽车实际使用性能的课题项目，并以同类型仿真软件的应用进行分组学习和指导，使学生在项目学习及完成过程中加深对理论知识的理解及实际应用，激发学生实际分析问题、解决问题的能力。

3 计算机仿真技术应用实例

3.1 Matlab软件应用实例

汽车的动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。其中，在绘制一下曲线图，如驱动力-行驶阻力平衡图时，以往的教学方法基本是课堂讲授曲线的作图方法，给一个课本已经绘制好的某车型的曲线，然后由曲线分析汽车各档的驱动力的变化。可根据发动机转矩拟合公式、驱动力计算公式、行驶阻力计算公式及车速计算公式，如下所示：

应用Matlab软件编写计算程序，可方便地得到如图1所示的某汽车驱动力-行驶阻力平衡图，还可进行参数调整，分析曲线的变化对汽车动力性能的影响。同时，还可应用Matlab中GUI图形用户界面设计功能，自由设计汽车动力性计算GUI界面，通过输入不同车型参数、快速实现文本计算结果及图形结果的显示，如图2所示。

Matlab软件具有强大的数值计算和图形功能，可以方便地完成包括动力性等在内的各种汽车性能的计算。除此之外，Matlab软件中的SIMULINK模块还可进行复杂过程的仿真分析。例如，在汽车理论操纵稳定性的学习中，可通过Matlab/SIMULINK快速搭建线性二自由度汽车的运动仿真模型，方便地进行前轮角阶跃输入下的瞬态响应分析。

3.2 CRUISE软件应用实例

利用CRUISE软件模块库，可快速搭建传统汽车及新能源汽车动力传动系统仿真模型，通过设置计算任务，对整车动力性、经济性等进行仿真计算。同时，软件自身也提供了多种汽车模型模板，便于初学者进行学习。图3为软件自身提供的传统后轮驱动汽车（FR）动力传动系统仿真模型，通过设置计算任务，可得到丰富的有关汽车动力性、经济性的文本和图表结果分析文件。图4为设置UDC循环工况后，计算得到的发动机工作点分布示意图，可对发动机与整车动力装置参数进行匹配分析提供依据。

图3 后轮驱动汽车动力传动系统仿真模型

图4 发动机工作点分布图

3.3 ADAMS软件应用实例

在汽车理论教学中，可通过ADAMS/CAR在虚拟环境中实现汽车操纵稳定性和平顺性等相关的仿真实验，解决实际实验条件限制带来的问题。在ADAMS/ CAR中用户可以通过模板自行创建模型，也可调用共享数据库中的系统或整车模型进行仿真分析。图5以汽车操纵稳定性中的单移线实验为例，对某车整车操纵稳定性进行了虚拟仿真。可根据标准设置实验条件，通过仿真计算，将实验结果以动画、曲线图等方式展现。ADAMS/CAR所提供的仿真实验平台，可使学生方便地进行各种有关操纵稳定性、制动性、平顺性虚拟实验，弥补了实验教学内容的不足。

图5 ADAMS/CAR中汽车操纵稳定性仿真实验-单移线实验

4 结束语

将计算机仿真技术应用到汽车理论教学，可以使教学质量得到明显提高。形象、生动的仿真模型分析与演示，既便于老师的讲述，又使学生对理论知识有了深刻的理解，克服了客观实际条件对理论教学的制约，同时也能培养学生对相关软件学习的兴趣与应用能力。当然充分利用多种计算机仿真工程软件的优势来辅助教学，还需要大量的准备工作，但考虑到对教学效果的提高改善与学生理论知识的学习，这将是十分必要。

［1］余志生.汽车理论［M］.第五版.北京：机械工业出版社，2001.

［2］杨年炯.计算机仿真技术应用于《汽车理论》教学的探讨-以空气悬架性能分析为例［J］.装备制造技术，2012，（9）：73-75.

［3］隗寒冰，李军.基于AVL/Cruise仿真平台的汽车理论实验教学改革研究［J］.科技信息，2010（29）：584-585.

［4］黄兵锋.MATLAB软件在汽车理论教学中的应用［J］.科技信息，2010（8）：114-116.

［5］鲁力群.项目驱动下的汽车理论课程改革及实践［J］.大学教育，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

周红妮，硕士，讲师。

湖北汽车工业学院2014年汽车理论校级精品课程建设项目。