鄭國(guó)君, 靳春寧, 李寶軍, 高仁璟

(大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

鄭國(guó)君, 靳春寧, 李寶軍, 高仁璟

(大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

基于成果導(dǎo)向教育(OBE)的理念,對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探討。構(gòu)建了車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件平臺(tái)。以車身子結(jié)構(gòu)前防撞梁的正面碰撞為例,介紹虛擬仿真模型的建立、速度參數(shù)的修改、吸能盒厚度參數(shù)的修改,對(duì)前防撞梁整體變形進(jìn)行輸出顯示,給出了不同工況下的能量曲線。通過(guò)將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),有助于學(xué)生形成復(fù)雜工程問(wèn)題的分析能力和解決能力。

虛擬仿真； 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程涉及力學(xué)、材料學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)學(xué)知識(shí),是一門綜合性課程。該課程主要講授汽車車身的開(kāi)發(fā)流程和設(shè)計(jì)方法、基于人機(jī)工程學(xué)的車身設(shè)計(jì)、車身結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ团c力學(xué)模型、車身結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)、車身抗撞性要求和設(shè)計(jì)、基于制造工藝和材料要求的白車身設(shè)計(jì)等內(nèi)容[1],引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(尤其是白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))的重要性及設(shè)計(jì)要求,掌握車身結(jié)構(gòu)拓?fù)浜托阅芊治龅脑?熟悉有關(guān)車身結(jié)構(gòu)軟件的使用,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和設(shè)計(jì)能力,使學(xué)生掌握汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造這一汽車行業(yè)主流技術(shù)。

“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng),使之圍繞確保學(xué)生在未來(lái)生活中獲得實(shí)質(zhì)性成功的經(jīng)驗(yàn)”是成果導(dǎo)向教育(outcome-based education,OBE)的定義和要求[2-3]。在OBE教育模式中,學(xué)生學(xué)到了什么和是否成功，遠(yuǎn)比怎樣學(xué)習(xí)和什么時(shí)候?qū)W習(xí)重要。大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué),以學(xué)生的能力獲得為導(dǎo)向,基于OBE的理念定義了“車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)目標(biāo),主要是：

(1) 掌握汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí),能夠解決復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題,能夠?qū)?fù)雜車身及其部件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和提出設(shè)計(jì)方案；

(2) 能夠設(shè)計(jì)出滿足特定需求的車身結(jié)構(gòu)及部件,并體現(xiàn)出創(chuàng)新意識(shí)；

(3) 能夠評(píng)價(jià)車身設(shè)計(jì)(包括新技術(shù)、新方法、新工藝、新材料的應(yīng)用)對(duì)安全和駕駛者健康的影響。

1 汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和難點(diǎn)

汽車車身的作用主要是保護(hù)乘員以及構(gòu)成良好的空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境。在形式上,車身結(jié)構(gòu)主要分為非承載式和承載式兩種。車身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,而且不同的結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的性能差異。車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受到多方面的制約,如材料、工藝、美學(xué)、安全性、輕量化要求等。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要多學(xué)科、綜合性知識(shí),不僅要掌握車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論知識(shí),還要掌握一系列與汽車車身結(jié)構(gòu)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。

大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院成立于2007年,目前已建成與車身結(jié)構(gòu)相關(guān)的系列化實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了持續(xù)的改進(jìn)和擴(kuò)充。但是,實(shí)物實(shí)驗(yàn)僅能覆蓋汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中的部分教學(xué)內(nèi)容；而大量高度復(fù)雜、危險(xiǎn)、高成本的實(shí)驗(yàn)則難以通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[4-6],例如車身碰撞實(shí)驗(yàn)、車身空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等。某些實(shí)驗(yàn)即使可以做,也僅能讓學(xué)生觀摩,學(xué)生不能充分參與；而學(xué)生獨(dú)立完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是重要的學(xué)習(xí)過(guò)程[7-8]。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)方式通常是進(jìn)行理論講授并配以動(dòng)畫、實(shí)驗(yàn)視頻播放。這種教學(xué)模式在表現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和車身設(shè)計(jì)元素對(duì)車身性能的影響方面并不理想,學(xué)生單純地通過(guò)教材或者課件很難對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有較好的把握,在自主學(xué)習(xí)和培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力方面不盡如人意?；贠BE的視角,“車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方式亟待改革[9-10]。

2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)

大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院基于OBE教學(xué)理念,積極開(kāi)展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革,申報(bào)并獲批了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。作為車輛工程本科生必修課程之一的“車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程,依托于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái),構(gòu)建了較為完善的車身結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,并在該課程的教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮了非常重要的作用。

2.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真內(nèi)容

汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要按照白車身、整車&子結(jié)構(gòu)和零部件3子模塊進(jìn)行構(gòu)建,如圖1所示。

圖1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在每一個(gè)子模塊下面至少有2個(gè)不同的虛擬仿真模型。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,教師要較詳細(xì)地講解模型的創(chuàng)建步驟,并進(jìn)行性能分析。在課后,由學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)仿真模型的分析并提交分析報(bào)告。學(xué)生通過(guò)完成獨(dú)立分析報(bào)告,不僅可以更深入理解課程內(nèi)容,也可以在自由練習(xí)的過(guò)程中更好地熟悉各種車身結(jié)構(gòu),并熟練掌握虛擬仿真軟件的實(shí)際工程應(yīng)用。此外,教師也可以根據(jù)學(xué)生完成的分析報(bào)告更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),以便持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件平臺(tái)

為了讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)獨(dú)立應(yīng)用虛擬仿真分析軟件完成車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),需要盡可能降低軟件使用門檻、盡可能用同一種軟件。

LS-DYNA[11]是一款功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性軟件,它作為有限元求解器,在汽車、軍工、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用,也是汽車車身結(jié)構(gòu)分析的主要工具之一。LS-DYNA主要采用Lagrange算法,其時(shí)間積分采用中心差分格式,以結(jié)構(gòu)分析、顯示求解為主,適用于求解在高速碰撞、爆炸沖擊下的大位移、大應(yīng)變的非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題。LS-DYNA可以在主要工作站UNIX、LINUX操作系統(tǒng)以及各種基于Windows系統(tǒng)上的PC機(jī)操作,并且支持MPP分布式計(jì)算,在各種平臺(tái)上的數(shù)據(jù)不需要轉(zhuǎn)換格式,為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大的方便,也為巨型問(wèn)題的求解提供很好的保證。鑒于此,筆者將該軟件應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建中。

2.3 虛擬仿真平臺(tái)在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中的作用

基于LS-DYNA,根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)借助計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和虛擬仿真技術(shù),為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐操作提供平臺(tái)。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,使車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)模式得到很大改進(jìn),教師不再單純以講授理論為主,大量的教學(xué)內(nèi)容可以通過(guò)虛擬仿真模型講授,可以通過(guò)更改參數(shù)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析。學(xué)生也可以基于虛擬仿真平臺(tái)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)強(qiáng)化鞏固理解課程內(nèi)容。

與傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)相比,采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具有以下3方面的優(yōu)勢(shì)：

(1) 可以彌補(bǔ)教學(xué)環(huán)境中所欠缺的實(shí)驗(yàn)條件,且無(wú)需購(gòu)買昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用[12-13],而且實(shí)驗(yàn)安全性高；

(2) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性好,可以更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程,并且能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多角度分析,有利于學(xué)生更好地熟悉車身結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理念；

(3) 學(xué)生可以自由下載仿真模型的模板和實(shí)驗(yàn)步驟說(shuō)明,可以自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,還可以開(kāi)展一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)。

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)和課后練習(xí)整個(gè)教學(xué)過(guò)程。學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)必然會(huì)遇到各種實(shí)際問(wèn)題,教師可針對(duì)學(xué)生感興趣的問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo),講解學(xué)生感興趣的前沿技術(shù)、操作技巧,加強(qiáng)師生之間、學(xué)生之間、課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的良性互動(dòng)。

3 車身前防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例

3.1 虛擬仿真模型的建立

汽車前防撞梁的組成部件包括前梁、吸能盒、前縱梁等,其中前梁和吸能盒是主要的吸能緩沖部件,其吸收能量的能力將直接影響汽車的安全性能。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)際動(dòng)手操作,在運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)防撞梁的碰撞性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí),要建立主要吸能部件和剛性壁障簡(jiǎn)化模型[14]。圖2所示為簡(jiǎn)化版的前防撞梁碰撞剛性墻的虛擬仿真模型。

圖2 簡(jiǎn)化版前防撞梁碰撞剛性墻虛擬仿真模型

3.2 速度參數(shù)和吸能盒厚度參數(shù)的修改

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了滿足學(xué)生不同的設(shè)計(jì)需求,需要能夠?qū)Ψ抡婺Ｐ瓦M(jìn)行快速有效的修改,從而得到不同的仿真分析結(jié)果。

基于LS-DYNA建立的虛擬仿真模型前處理模型均為文本編碼格式,可通過(guò)文本方式打開(kāi)并進(jìn)行修改。找到初始速度關(guān)鍵字并修改,如圖3所示。

圖3 初始速度參數(shù)更改

圖3中高亮處參數(shù)即為前防撞梁整體初始速度值,可更改成不同的碰撞初始速度。實(shí)例中速度為負(fù)值,表示沿著X軸的反方向。

與修改初始速度參數(shù)類似,可打開(kāi)模型的前處理文件,找到吸能盒厚度參數(shù)關(guān)鍵字并修改。

3.3 虛擬仿真模型的結(jié)果分析

在后處理軟件中,可將前防撞梁整體變形和吸能情況進(jìn)行輸出顯示,分別如圖4和圖5所示。通過(guò)對(duì)比能量曲線可以發(fā)現(xiàn)：在前防撞梁發(fā)生碰撞且碰撞時(shí)速度相同的情況下,吸能盒支架厚度越厚,碰撞過(guò)程中前防撞梁系統(tǒng)所吸收的能量越多；在保持吸能盒支架厚度相同的情況下,系統(tǒng)的碰撞速度越高,碰撞過(guò)程中前防撞梁系統(tǒng)所吸收的能量越多。

圖4 前防撞梁整體變形

圖5 不同工況下的能量曲線

在吸能盒支架處采集縱梁截面力。碰撞峰值力反映正面碰撞過(guò)程中剛性墻反饋給前防撞梁沖擊力的大小,如果剛性墻反力峰值過(guò)大,將導(dǎo)致車架加速度過(guò)大,這對(duì)于保護(hù)乘員安全是極為不利的。

從表1可知：前防撞梁在相同撞擊速度的情況下,吸能盒支架厚度越大,剛性變形越小,輸出的碰撞峰值力越大；在吸能盒支架厚度不變的情況下,系統(tǒng)碰撞速度越快,車架加速度越大,輸出的碰撞峰值力越大。

表1 不同工況下剛性墻反力峰值及尾部加速度

3.4 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)互動(dòng)和結(jié)果反饋

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,可通過(guò)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),將難以進(jìn)行的實(shí)物實(shí)驗(yàn)以虛擬仿真的形式呈現(xiàn)。學(xué)生可以通過(guò)充分的實(shí)驗(yàn)互動(dòng),直觀地理解和掌握汽車前碰撞梁各部分結(jié)構(gòu)以及在碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形、碰撞力以及碰撞過(guò)程中的能量吸收情況；教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)修改仿真模型中的參數(shù),得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致、科學(xué)的分析,得出車身結(jié)構(gòu)的一些重要設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),最終形成真正意義的分析能力和設(shè)計(jì)能力。

在上述實(shí)驗(yàn)實(shí)例中,學(xué)生通過(guò)實(shí)際的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),可以很容易得到如下結(jié)論：車架結(jié)構(gòu)厚度越大并不意味著對(duì)保護(hù)乘員安全越有利,應(yīng)在吸能、碰撞力、加速度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間取一個(gè)平衡。在車架輕量化的基礎(chǔ)上保證安全性能達(dá)到最優(yōu),將是學(xué)生課后思考的重要內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程不僅需要掌握車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí),還需要掌握關(guān)于車身結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法,而單純的課堂理論講授、有限的實(shí)物實(shí)驗(yàn)和視頻演示很難達(dá)到能力培養(yǎng)的目標(biāo)。通過(guò)構(gòu)建開(kāi)放的車身結(jié)構(gòu)虛擬仿真平臺(tái),學(xué)生可以全時(shí)段地自由下載和練習(xí),通過(guò)任課教師指導(dǎo)關(guān)鍵的技巧性操作,自主對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整,培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新思維能力,顯著提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合分析和解決能力。

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Research on virtual simulation experimental teaching of vehicle body structure design

Zheng Guojun, Jin Chunning, Li Baojun, Gao Renjing

(School of Automotive Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on the educational idea of the outcome-based education (OBE),the experimental teaching of the vehicle body structure design is explored,and the virtual simulation software platform for the vehicle body structure design is constructed. By taking the frontal collision of the front anti-collision beam in the vehicle body structure as an example,the establishment of the virtual simulation model and the modifications of velocity parameters and thickness parameters of the energy absorbing box are introduced. The overall deformation of the front anti-collision beam is displayed,and the energy curves under different conditions are presented. Through the introduction of the virtual simulation technology into the experimental teaching,it is helpful for the students to develop their ability to analyze and solve complex engineering problems.

virtual simulation; vehicle body structure design; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.029

2017-01-23

大連理工大學(xué)教改基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2016010)

鄭國(guó)君(1981—),男,湖北恩施,博士,講師,主要研究方向?yàn)檐嚿砹悴考尚魏蛙嚿磔p量化

E-mail：gj_zheng@dlut.edu.cn

靳春寧(1971—),男,吉林長(zhǎng)春,博士,副教授,主要研究方向?yàn)檐嚿碓O(shè)計(jì)、車身CAD.

E-mail：jincn@dlut.edu.cn

U463.82

A

1002-4956(2017)07-0110-04