计算机仿真技术在车辆工程专业实践教学中的应用研究

李伟 肖平

摘 要：随着我国汽车产销量的不断增长，市场对车辆工程专业人才的需求也越来越大，很多高校纷纷开办了车辆工程专业。该专业办学具有设备投入大、实验场地局限以及实车实验危险性高的特点，为了解决这些矛盾，在对车辆工程专业实践环节教学方法进行研究的基础上，得出结论，即采用计算机仿真技术可以进行多种汽车虚拟仿真教学实验，这些教学实验可以部分地取代实车实验，也可以得到良好的教学效果。本文结合Advisor仿真软件介绍了采用该软件进行汽车匹配和多工况虚拟仿真的教学方法。

关键词：车辆工程专业；实践教学；计算机仿真技术；Advisor软件

一、绪论

随着我国经济社会的发展，人们生活水平的不断提高，汽车在我国也越来越普及，我国已经名副其实地迈入汽车社会[1]。目前，我国汽车产销量已经超过2000万辆，汽车企业都在不断地扩大再生产，整个社会对汽车类人才的需求量也越来越大。因此，很多高等院校都纷纷开设了车辆工程专业[2]。车辆工程专业是应用型专业，非常注重理论与实践相结合的教学模式，这要求各个高校必须加大对实验设备的投入。但是目前很多高校都处于快速发展期，各个专业、学科对资金投入的要求都在增加，很多高校无力承受这一沉重负担，使得实践教学受到影响。目前，计算机仿真技术已日趋成熟，可以依托性能优良的电脑设备进行各种虚拟仿真实验。对于车辆工程专业来说，这些仿真实验是对实车实验有力的补充、甚至可以部分地取代实车实验。这对资金投入不足或受产地限制的高校的实践性教学具有非常重要的意义。目前，汽车仿真软件很多，如Adams、Flunt、Anasys等，其中Advisor仿真軟件是由美国可再生能源实验室在Matlab/S imulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件[3]。该软件可在给定的道路循环条件下（工况）利用车辆各部分参数快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等性能。应用Advisor软件可以进行仿真实验从而让学生比较直观地了解汽车的结构组成、动力匹配、能量消耗、尾气排放等知识，给学生提供一个将书本理论知识应用到汽车工程实践的平台，为学生日后从事汽车设计制造奠定扎实的基础。

二、基于Advisor的汽车匹配教学实验

让学生熟悉和掌握各种汽车的机械结构和动力学匹配是开展车辆工程专业实践教学的重要的一步，在无法进行实车实验的条件下，Advisor仿真软件可以为学生很直观展现各种汽车的结构，特别是新能源汽车的结构匹配关系[4]。图1是Advisor环境下电动汽车的结构图，该图是基于Matlab/Simulink建立的。从图中可以让学生清楚地了解到电动汽车首先根据路面状况将需求力矩传送给车轮，车轮又将该信息传送到变速器中，进而该扭矩信息又进入电动机，电动机根据需求力矩消耗的电能产生转动力矩驱动汽车车轮前进，整个过程中都伴随着电能的消耗。学生在该过程中会认识到每个部件不仅仅是机械连接，更多的是部件之间还会相互影响与限制，而这些都是在理论教学中无法直观表达的。

图2是Advisor环境下GUI主界面，也称为交互操作界面，通过该界面，学生可以输入汽车的各种参数从而对汽车进行定义。界面的左侧为当前选中的汽车类型图像，右侧是用户操作区域，图像会随着用户操作的不同而变化，通过这些可以使学生了解各种汽车的动力学系统匹配关系。图中界面左上方为汽车的结构示意图，标识了汽车的动力传动以及能量流动，学生单击图中的汽车部件后会弹出编辑对话框[5]，例如点击发动机图标会弹出发动机的型号列表，在该列表中显示有FC_INSIGHT、FC_TT_IC和FC_SI186等众多发动机型号，学生可以根据自己的实验需求选择合适的发动机。若在列表中没有型号合适的发动机，可以点击View/Edit M_file进入Matlab程序中修改发动机的参数使之满足使用需求。这些对于无力购买实车实验平台的高校来说具有重要的意义，通过简单的参数修改即可得到一台“全新”的汽车而无需购置汽车实物。界面左下方是传动系统的性能曲线菜单，该菜单包括发动机、电动机、学生可根据需要点击下拉菜单查看不同曲线，每种曲线的工作状态和特性均在左下角显示出来，便于学生快速掌握部件的工作特性。图2右上方表示的是汽车的类型下拉菜单，菜单中有目前比较常用的车型，比如电动汽车车，公交车，城市越野SUV等，在其下方表示的是车辆的动力组成，包括并联式车型、串联式车型、纯电动车型。在下方的栏目中列出有不同的部件，学生可以再次修改参数，这与单击左边车辆图表修改参数具有相同的效果。将车辆信息定义好后单击SAVE按钮可以该汽车文件保存，方便以后修改，单击CONTINUE进入下一步操作[6]。该种交互式界面做到了简洁明了，直观易懂，可以很方便学生的掌握和理解，一定程度上可以激发学生的学习兴趣和创造性。

总之，通过Advisor软件平台可以使学生很直观地对汽车结构原理、系统传动链、排放情况以及能量流动方向进行认知和匹配实验。双击图1和图2中的各个模块可以进入模块编辑界面，Advisor允许对模块进行修改，可以根据实际情况增减参数。每种车型都具有Simulink结构图，学生可以根据需求选择不同的车型进行匹配实验，也可以根据课本知识，自主搭建新车型进行结构认知和匹配实验。

三、基于Advisor的多工况汽车仿真教学实验

在Advisor环境下，当学生确定好车型参数后，可以结合各种工况进行仿真教学实验。Advisror提供了几十种汽车工况Map图，每种工况代表了汽车车速与时间的对应关系，反映在一个地区车辆的行驶规律。图3为China1015和EUDC工况，分别描述了中国城市工况和欧洲城市工况，是目前电动汽车实车实验中常采用的工况。从图中可以看出China1015工程有较多启停，而EUDC工况一直处于较高车速，这也能让学生对于中国和欧洲的城市汽车运行状况有清晰的了解。仿真实验完全按照实际车辆行驶规律进行，在进行仿真实验后，学生可以在仿真结果中查看所有的仿真数据，并可以根据该数据绘制曲线，包括速度、排放、加速度、行驶里程、发动机转速和电动机扭矩等曲线。从而可以使学生通过实验了解汽车在该工况下的整车及各子系统的动力学特性。例如，图4为学生设计的某款混合动力电动汽车分别在纯电动和混合动力驱动下的行驶里程和电池荷电状态变化曲线。

总之，可以通过仿真实验使学生对混合动力电动汽车的整车动力学性能、运转特性等有着深刻的理解。由于实验设备和实验产地的限制，而这些实验在很多高校都是难以开展的。

四、结论

目前我国已经是汽车大国，汽车的产销量居世界首位，我国对汽车类人才的需求也越来越大。如何迅速地培养合格的汽车类人才是摆在所有具有车辆工程专业的高校面前的重大任务。为了缓解车辆工程专业教学设备投入大、实践教学产地局限，解决实车实验危险性高等缺点，采用计算机仿真技术进行实车仿真实验可以部分地替代实车实验，起到良好的教学效果。Advisor软件是一款代表性的汽车仿真软件，可以进行整车的设计与仿真，包括車型选择、部件设计、整车参数设计、整车仿真等。该软件允许高校在设备条件有限的条件下使汽车“跑起来”得到各种汽车工作数据。在进行计算机仿真实验过程中，学生可以将书本理论知识应用到实际操作中，使学生实践能力得到提高。因此，在目前车辆工程专业难以大幅度地进行设备投入和场地投入的情况下，应该大力发展虚拟仿真汽车实验从而在一定程度上替代实车实验，提高学生的实践能力。

参考文献：

[1]闵鹤.中国汽车营销体系和汽车销售市场结构模式的探讨[J].科技经济市场， 2016， （3）：168169.

[2]杨年炯.与专业认证相衔接的车辆工程专业人才培养体系改革探讨[J].高教学刊， 2016， （17）：221225.

[3]孙建强，贠海涛，吕福麟，等.基于ADVISOR的纯电动汽车动力系统匹配设计[J].移动电源与车辆，2013，（02）：3134.

[4]曾小华，宫维钧. ADVISOR2002电动汽车仿真与在开发应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5]张振华.电动汽车制动能回收系统特性研究[D].青岛科技大学，2011.

[6]张翔，赵韩，钱立军，等.电动汽车仿真软件ADVISOR的应用[J].交通科技与经济，2004，（03）：4043.

基金项目：安徽工程大学2017年校级教学质量提升计划项目——汽车工程虚拟仿真实验教学中心（2017xnfzsyzx01）；安徽工程大学2012校级双语教学示范课程——汽车技术概论；2017年度安徽省高等学校省级质量工程项目资助“示范实验实训中心——汽车工程虚拟仿真实验教学中心（No.2017sxzx24）

作者简介：第一作者李伟（1993），男，安徽合肥人，硕士，研究方向：电动汽车驱动系统。

*通讯作者：肖平（1973），男，安徽铜陵人，博士，副教授，研究方向：车辆工程专业教学与研究工作。