段利斌， 江浩斌， 張學(xué)榮， 耿國慶， 曹曉輝

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

0 引 言

汽車碰撞是最主要的道路交通事故形式，造成了巨大的生命與財產(chǎn)損失。提高車身結(jié)構(gòu)耐撞性和乘員保護的研發(fā)能力，可以從車輛工程專業(yè)學(xué)生的理論教育和實踐能力的培養(yǎng)做起［1-2］。我國許多高校的車輛工程專業(yè)均開設(shè)了《車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計》《汽車與交通安全》《汽車性能與仿真》等課程，這些課程均涉及車身結(jié)構(gòu)耐撞與乘員保護評價的理論和實驗環(huán)節(jié)［3-6］。開展實車碰撞實驗，不僅需要3000m2以上的場地，還需要昂貴的儀器設(shè)備、實驗假人，單次實驗費用達20 萬元以上，按標(biāo)準(zhǔn)流程操作整個實驗過程耗時約12 ～16 h。汽車碰撞實驗過程復(fù)雜、所有操作必須由專業(yè)人員完成，學(xué)生的參與度低，還存在較大的安全風(fēng)險。因此，不適合在高校開展實車碰撞實驗教學(xué)。

基于真實車輛建立高精度數(shù)字化車輛仿真模型，運用數(shù)字化車輛、數(shù)字化假人、虛擬實驗室與虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）等先進教學(xué)技術(shù)［7-15］，開發(fā)車身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗平臺（以下簡稱“平臺”）。學(xué)生通過在自主交互的虛擬環(huán)境中開展在線仿真實驗，掌握汽車碰撞實驗的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作流程、數(shù)據(jù)分析方法、國家新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Procedure，C-NCAP）安全評價方法，達到“以虛補實，虛實結(jié)合，深度交互，理實融合”的教學(xué)效果。

1 實驗原理與目的

對車身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗的教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法、手段等進行了系統(tǒng)化設(shè)計，使學(xué)生在自主交互的虛擬環(huán)境中完成實驗，彌補實體實驗的不足。本實驗遵循以下基本原理：車輛數(shù)字化虛擬模型與真實車輛的可替代性；乘員約束系統(tǒng)模型的可驗證性；虛擬假人與物理假人的動力學(xué)性能的一致性，實驗內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 實驗基本內(nèi)容

本實驗的主要目的是使學(xué)生在較短時間內(nèi)掌握汽車碰撞實驗的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作流程、數(shù)據(jù)分析方法、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、C-NCAP 安全等級評價方法，為研究道路交通事故防控、開發(fā)高安全性汽車產(chǎn)品奠定理論和實踐基礎(chǔ)。預(yù)期達到以下目的：虛實結(jié)合、以虛補實，解決實體教學(xué)實驗難以開展的問題；運用先進教學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)“深度交互、理實融合”學(xué)習(xí)效果；激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問題的能力。

2 項目開發(fā)與交互式操作

2.1 項目開發(fā)

本平臺運用了三維建模軟件（如UG、Catia等）、有限元前處理軟件（如Altair Hyperworks）、后處理求解器軟件（LS-DYNA）、數(shù)據(jù)及動畫后處理軟件（如Hyper View）、微軟虛擬化管理軟件、沉浸式虛擬交互系統(tǒng)以及Hybrid III及World SID 50 百分位虛擬假人。以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，借助開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺的支撐，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該實驗項目，并通過平臺提供面向用戶的智能指導(dǎo)、自動批改服務(wù)功能，盡可能幫助學(xué)生實現(xiàn)自主的實驗，加強實驗項目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果，具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學(xué)平臺，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 平臺運行流程

2.2 交互式操作

平臺包括汽車正面碰撞和側(cè)面碰撞2 個模塊，如圖3 所示。學(xué)生進行實驗之前需要預(yù)習(xí)、查閱文獻資料、完成預(yù)習(xí)報告。在開展虛擬仿真實驗時，要通過軟件初始界面的“實驗概況”“實驗準(zhǔn)備”按鈕進入相應(yīng)環(huán)節(jié)，了解實驗?zāi)康?、實驗原理、認(rèn)知汽車結(jié)構(gòu)、認(rèn)知實驗場地與儀器設(shè)備。完成認(rèn)知后進入實驗操作環(huán)節(jié)，完成汽車碰撞、處理數(shù)據(jù)、分析碰撞結(jié)果，最后形成實驗報告。

圖3 虛擬仿真實驗?zāi)K

以汽車正面碰撞為例，說明本實驗平臺的學(xué)生交互性操作的主要步驟：

步驟1 車身結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)設(shè)置：包括前縱梁、前指梁、防撞梁、吸能盒等結(jié)構(gòu)的厚度和材料牌號，如圖4 所示。

圖4 車身結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)設(shè)置

步驟2 安裝HPM裝置（H點測量）：調(diào)整座椅位置，靠背角度到設(shè)計值（見圖5），完成后將裝置放回假人庫。

圖5 HPM（H點測量）裝置安裝

步驟3 安裝假人：從假人庫中選擇正確假人模型，安裝至座椅，調(diào)整假人坐姿，記錄各項假人定位參數(shù)，確保試驗一致性。給假人系好安全帶，扣上安全扣，如圖6 所示。

圖6 三點式安全帶佩戴

步驟4 安裝數(shù)據(jù)采集儀和傳感器：將數(shù)據(jù)采集儀安裝在汽車后備箱、車身B 柱上安裝加速度傳感器、安全帶上安裝力傳感器，如圖7 所示。

圖7 安裝數(shù)據(jù)采集儀

步驟5 碰撞前車身參數(shù)測量和整車稱重：用掃描式三坐標(biāo)儀測量車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，用地磅測得汽車整備質(zhì)量，如圖8 所示。

圖8 碰撞前車身結(jié)構(gòu)參數(shù)測量和整車稱重

步驟6 安裝牽引鉸鏈：安裝鉸鏈，連接牽引滑塊和車身，如圖9 所示。

圖9 牽引鉸鏈安裝

步驟7 實施汽車碰撞：推動控制臺上的“啟動正面碰撞”推桿，進行汽車正面碰撞，觀察汽車碰撞過程，如圖10 所示。

圖10 汽車碰撞過程

步驟8 碰撞后車身參數(shù)測量，如圖11 所示。

圖11 碰撞后車身參數(shù)測量

步驟9 碰撞數(shù)據(jù)處理和分析：從后備箱取出數(shù)據(jù)采集儀，下載高速攝像機視頻，連接電腦進行數(shù)據(jù)處理；觀察碰撞波形時間歷程曲線，獲取a-t 曲線，計算v-t曲線與L-t曲線，如圖12 所示。

步驟10 車身變形及假人姿態(tài)查看分析：從正視、側(cè)視、俯視等不同角度查看車身結(jié)構(gòu)變形及假人運動姿態(tài)。例如，查看前縱梁、防火墻等關(guān)鍵部件的變形狀態(tài)及最大變形量，如圖13 所示。

圖12 碰撞數(shù)據(jù)處理和分析

圖13 車身變形及假人姿態(tài)查看分析

步驟11 假人損傷曲線查看和分析：包括頭部、胸部、髖部加速度，安全帶張力以及胸部壓縮量、頸部力矩、頸部張力、大腿軸向壓力、小腿軸向壓力、小腿力矩、膝部滑移量等，如圖14 所示。

圖14 假人損傷曲線查看和分析

步驟12 正面碰撞乘員保護評價：根據(jù)上述假人損傷曲線以及正面碰撞評分標(biāo)準(zhǔn)，得到乘員保護總評分。進行乘員安全水平可視化顯示，如圖15 所示。

圖15 乘員安全水平可視化顯示

3 項目特色與創(chuàng)新

本實驗項目堅持“以虛補實，虛實結(jié)合、深度交互、理實融合”教學(xué)理念，主要特色和創(chuàng)新包括：

全面融合數(shù)字化車輛、數(shù)字化假人、虛擬實驗室與VR等先進教學(xué)技術(shù)，學(xué)生參與度高，解決了實體教學(xué)實驗難以開展的問題；

不斷融入吸收最新教學(xué)實踐和科研成果，虛擬車輛模型、虛擬假人、虛擬乘員模型精度高，虛擬仿真實驗結(jié)果可信度高；

以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，將理論、操作、仿真、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等知識融合貫通，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

4 項目推廣應(yīng)用

4.1 面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用

以車輛工程、交通工程、運輸工程方向的專業(yè)課程實驗教學(xué)為主，擴展面向其他專業(yè)方向，汽車服務(wù)工程、環(huán)境工程和安全工程等專業(yè)相關(guān)課程的實驗教學(xué)。通過在線選課、自主實驗，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力與查閱文獻資料能力、增強學(xué)生實驗技能和動手能力?，F(xiàn)已在車輛工程、交通運輸?shù)? 個專業(yè)開設(shè)本實驗，教學(xué)效果良好。

向國內(nèi)高校和企業(yè)、社會辦學(xué)機構(gòu)開放，2018 ～2019 年主要面向省內(nèi)本科院校，并邀請部分國內(nèi)院校參與；2020 ～2021 年向國內(nèi)本科院校開放，并對國內(nèi)主要汽車企業(yè)開放；2022 年開始面向國內(nèi)高校和企業(yè)及實驗室、檢測站開放，允許符合條件的社會機構(gòu)接入。

4.2 面向社會的推廣與持續(xù)服務(wù)

通過舉辦會議、成立論壇、接待參訪等形式，與校內(nèi)外及國內(nèi)外院校、汽車企業(yè)和研究機構(gòu)建立有效的資源共享平臺；國內(nèi)其他相關(guān)專業(yè)的學(xué)校和學(xué)生能共享我們的建設(shè)成果，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力服務(wù)。目前，本平臺已向省內(nèi)部分高校和南京、上海等多家相關(guān)企業(yè)開放。

綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云計算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，合理實驗項目，豐富虛擬仿真實驗內(nèi)容；舉辦相關(guān)技能大賽，促進和提升學(xué)生的專業(yè)實踐能力。

5 結(jié) 語

針對汽車碰撞虛擬仿真實驗教學(xué)資源相對匱乏的現(xiàn)狀，運用虛擬車輛模型、虛擬假人、虛擬儀器、虛擬實驗場，借助3D可視化、人機交互、VR、智能網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代信息等技術(shù)，開發(fā)了車身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗平臺。

本實驗平臺堅持“以虛補實，虛實結(jié)合、深度交互、理實融合”教學(xué)理念，以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，全面融合數(shù)字化車輛、數(shù)字化假人、虛擬實驗室與VR等先進教學(xué)技術(shù)，對車身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗的教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法、手段等進行系統(tǒng)化設(shè)計，為研究道路交通事故防控、開發(fā)高安全性汽車產(chǎn)品奠定理論和工程基礎(chǔ)。

本實驗項目面向國內(nèi)高校和企業(yè)、社會辦學(xué)機構(gòu)開放，主要用于企業(yè)員工的崗前培訓(xùn)和高校專業(yè)課的實驗教學(xué)。目前，已向南京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校和南京、上海等多家相關(guān)企業(yè)開放，具有廣闊的應(yīng)用前景。