郑州航空工业管理学院机电工程学院 侯军兴 文振华
【摘 要】利用多款仿真软件搭建了汽车专业课程仿真教学平台，分别构建了整车模型、发动机模型和其他子系统模型，将其应用到课堂理论教学、实验教学和课程设计中，加深了学生对汽车构造、汽车理论及发动机原理等专业课程的理解，提高了其科研创新能力，取得了良好理论与实践教学效果。
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关键词 汽车工程；教学改革；仿真平台
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2015）20-0017-02
基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B470018)资助。
汽车工业是全球经济的支柱，近年我国汽车工业发展迅猛，对从事车辆专业技术人才的需求也急剧增加。车辆工程专业是培养车辆领域从事产品设计开发、制造和性能研究的高级工程技术人才。汽车构造、汽车理论、发动机原理等课程是车辆工程的主要专业课程，目前主要采用先课堂讲授教材理论知识，然后再进行实验的教学方法。由于理论知识比较抽象和枯燥，受试验条件和经费的限制，众多学生进行汽车、发动机试验的时间较短，参与科研创新的时间更短，导致学生学习后仍然不能深入认识和理解汽车专业知识，特别是涉及到技术前沿的内容；即使有些学生较好地掌握了理论知识，但与实践知识脱节，不能真正应用到实际中，创新意识不强。为了改善汽车专业课程的教学效果，同时减少投资昂贵的试验台架，将数值仿真技术引入到理论和实践教学中，利用多款仿真软件建立了汽车专业课程仿真教学平台，将理论教学和实践教学有机的结合起来，让学生参与到教学过程中来，通过对整车模型、发动机模型和零部件模型由整体到局部的构建，参数输入，模型调校和验证，最后进行性能仿真分析，增加了教学的直观性，并且通过学生自主进行建模优化、性能仿真分析，对车辆的详细构造，各系统参数及其对整车发动机性能的影响有了深入地了解，巩固了专业知识，提高了科研创新能力，改善了理论和实践教学质量。
一、汽车专业课程仿真教学平台的建设
汽车专业课程仿真教学平台首先包括整车性能仿真分析平台，该平台基于Cruise软件，可以进行车辆基本性能和复杂条件下的性能分析与评价，先进动力传动系统的分析评价研究等。它包括车辆组件、发动机模型、离合器组件、变速箱组件、主减速器组件、差速器组件、轮胎组件、驾驶室组件等。整车的输入参数包括发动机外特性参数、万有特性参数，变速箱档位速比参数、后桥主减速比参数、轮胎参数和整车参数。利用Cruise建好仿真模型后需要对其进行标定，即在模型中输入整车配置参数，计算得到仿真结果，如市区循环油耗和综合油耗等经济性指标、最大爬坡度、最高车速和加速时间等动力性指标，然后将其与原车试验数据进行对比，完善模型参数，当仿真结果与试验结果的偏差在允许范围之内，说明建立的模型是准确可靠的。建立整车模型的操作简单，所用的车辆元件均已模块化，可直接将元件拖入建模器窗口，再进行数据输入、数据总线连接、计算任务设定和数据的后处理分析；简单易学，非常适合本科阶段的学生学习，通过学生的建模可以使其了解掌握复杂的汽车结构、理论设计和汽车动力学模型，发动机万有特性、外特性曲线以及传统车辆、混合动力车辆和纯电动车辆的区别，通过调整不同的参数输入可以实时了解各参数对车辆动力性、经济性和排放性能的影响规律，还可以进行加速性能、循环油耗和牵引力计算等各种性能计算分析，激发学生的学习积极性，提高学生的基本专业技能和科研创新能力。
汽车仿真教学平台其次包括发动机设计优化分析平台，该平台基于AWS软件，主要包括Boost、Hydsim、Glide、Tycon和Excite，可以分别进行发动机工作过程循环模拟、喷油系统模拟、活塞运动及机油消耗模拟、配气机构模拟和发动机结构振动模拟等。以发动机工作过程循环模拟为例，建立某型号增压中冷发动机的Boost模型，该模型可以模拟包括燃烧在内的发动机的整个工作循环过程，还可以在开发设计阶段预测分析发动机的稳态和瞬态性能。建立的模型中包括涡轮增压器、中冷器、容积腔、气缸、连接管道、测量点和系统边界。在模型中输入发动机的缸径、冲程等具体结构参数，定义喷油器孔径和孔数、喷孔流量系数和喷油规律。增压器模型采用了简化模型，放热模型采用AVL-MCC放热模型，传热模型采用Woschni 1978传热模型。从发动机系统模型可以清楚地了解发动机的气流运动过程：大气通过增压器增压后进入进气道，随后进入各缸进行燃烧，燃烧结束后进入排气道，再通过涡轮增压器排入大气。该模型具有友好的交互式图形界面系统，具有基本发动机循环模拟技术的学生可以在很短的时间内掌握该软件的所有功能。学生们可以根据自己学习研究的具体发动机，从菜单中选择出所需的单元拖到建模图层上，用管道将它们连接起来，发动机结构中的所有单元都连接好后，输入发动机气缸数据、中冷器数据、涡轮增压器数据和管道数据等，通过试验标定后，学生们就可以进行各种发动机设计方案的对比、进排气系统和气门尺寸等发动机部件的优化设计、增压系统的设计和消音器设计的模拟。
二、汽车专业课程仿真教学平台的应用
首先，汽车专业课程仿真教学平台应用于课堂理论教学。汽车与发动机理论是一门综合性学科，课程教学内容涉及领域较多，如发动机的流动和燃烧过程涉及流体力学、热力学、传热学和燃烧学等知识，十分复杂，学生课堂理解和掌握很困难。如果在课堂教学中加入仿真教学，一方面直观地再现了发动机的喷雾燃烧过程，另一方面比单纯的数学推导形象和具体了，学生记忆知识点更容易。这样不仅提高了学生的计算机应用水平和专业理论知识，还使他们了解了行业内先进的专业仿真技术。其次，仿真教学平台应用于实验教学。汽车与发动机的实验教学是一个非常重要的环节，通过实验可以加深学生对专业知识的了解和感性认识。但是受试验条件和经费的限制，学生们只能在有限的实验台上完成一些实验项目，不能开展大规模实验，而且发动机、变速器等总成的内部状态不容易观测及测量。通过实际实验和仿真虚拟实验的结合，学生们清晰的认识了整车、发动机、变速器及各个部件的构造、运动形式及原理，实现了专业理论知识指导基本实验技能的学习，同时实验教学辅助和加深了专业理论知识的学习，互相促进。再次，仿真教学平台应用于专业课程设计。专业课程设计是理论设计与实践的有机结合，注重培养学生运用专业理论知识进行理论设计的综合能力。例如《汽车设计》的课程设计，要求保证汽车动力性的前提下设计的车辆燃油经济性最好，学生需要对整车、发动机、变速器、驱动桥和轮胎等进行综合设计与匹配。通过各种方案的仿真分析、具体图纸设计和方案最终完成，使学生了解了汽车设计的程序和基本方法，为以后从事专业技术工作打下必要的基础，同时自主进行的创造性设计还有助于培养学生的创新技能。
针对汽车技术更新快、测试设备昂贵，学生参与实践和科研创新的时间短等问题，利用多款专业仿真软件构建了汽车课程仿真教学平台，将其应用到课堂理论教学、实验教学和课程设计中。学生利用该平台可自主对车辆、发动机和部件进行建模和性能仿真分析。通过学生的理论学习、实践学习和综合学习过程，一方面使其深入理解了汽车构造、汽车理论和发动机原理等知识；另一方面，提高了其计算机应用水平，掌握了先进的车辆仿真计算能力；激发了学习热情，培养了创新研究能力，取得了良好的理论和实践综合教学效果。
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（编辑：郝婵）