车身结构设计课程计算机仿真实验教学探讨_李平飞.pdf

752022 年/第 36 期/12 月车身结构设计课程计算机仿真实验教学探讨李平飞*，吴涛（西华大学汽车与交通学院四川成都610039）摘要车身结构设计是西华大学车辆工程专业重要的专业课，研究型仿真实验对培养学生综合分析问题的能力及创新意识具有重要作用。论文分析了该课程实验教学中存在的问题及新教学计划的对策，介绍了课程教学中所涉及的计算机仿真技术，并在实验教学中通过采用计算机仿真技术突破实验条件限制，使学生不仅进一步掌握了专业软件的应用，而且培养了学生独立思考和综合分析的能力。关键词车身结构设计；研究型；实验教学；计算机仿真；能力中图分类号：G642文献标识码：ADOI:10.16400/ki.kjdk.2022.36.023Discussion on Computer Simulation Experiment Teaching of Vehicle BodyStructure Design CourseLI Pingfei,WU Tao(School of Automotive and Transportation,Xihua University,Chengdu,Sichuan 610039)AbstractVehicle body structure design is an important professional course for automotive engineering major of XihuaUniversity.Research simulation experiment plays an important role in cultivating students ability of comprehensiveanalysisandinnovation.The problems existingin the experimental teachingofthis course andthe countermeasures ofthenew teaching plan are analyzed,then the computer simulation technologies involved in the course teaching is introduced.In experimental teaching,computer simulation is adopted to break through the limitations of experimental conditions,sothat students not only further master the application of professional simulation software,but also cultivate the ability ofindependent thinking and comprehensive analysis.Keywordsvehicle body structure design;research;experimental teaching;computer simulation;ability随着我国汽车产业的不断深入发展，消费者以及行业对汽车产品性能的追求由早期的粗放式逐步发展至精细化、综合化，这就要求汽车企业不断将先进技术引入汽车的研发、制造等全流程中去，因此汽车行业用人单位对车辆工程专业毕业生专业能力的要求也越来越高1。为应对供需两端需求的变化，西华大学车辆工程专业的车身结构设计课程在教学过程中，将计算机仿真引入教学，积极探索研究型实验教学模式，为培养创新能力和综合应用分析能力强、适应用人单位需求的“新工科”高质量工程技术人才打好基础2。1 课程教学探讨车身结构设计是西华大学车辆工程专业的重要专业课，其教学目的是通过本课程的学习，使学生掌握汽车车身开发流程和设计方法，了解人机工程学的基本理论和车身布置设计方法，掌握车身结构刚度设计要求和方法及车身NVH特性、车身碰撞安全性、车身轻量化设计与分析方法等，能够根据仿真计算结果，对车身结构的安全性、刚度、强度、轻量化水平、NVH 特性等性能进行评价3，并提出可行的解决方案，从而达到基本具备分析和解决该领域复杂工程问题的能力。在本轮教学计划修订前，该课程的原教学计划开设了 3 个实验，由于实验室条件有限，开设的实验主要以车身结构认识、车身测绘等实验项目为主，而对于诸如车身碰撞安全性、轻量化设计等重要内容，在实验教学中难以融入，导致学生对这些主要内容的理解程度不能很好地满足新工科人才培养的要求。在本轮教学计划修订时，课程团队结合本专业所学专业软件，将仿真技术充分应用到实践教学环节中，使实验项目的设置更加合理，学生的综合分析能力得到充分培养。2 仿真技术计算机仿真是用数学模型来表示物理过程、设备或系统，然后运用计算机对其进行模拟4。计算机仿真技术已成为汽车开发全流程不可缺少的关键技术，它可以缩短汽DISCIPLINES EXPLORATION762022 年/第 36 期/12 月车产品开发周期、提高产品开发成功率、降低成本，即降本增效。在汽车产品开发的不同阶段，行业内有众多较成熟的仿真分析软件在广泛应用，如动力学仿真软件ADAMS、碰撞仿真软件 LS-DYNA 等。在车身结构设计课程中，可用于研究型实践教学的仿真软件有 ANSYS、hypermesh、Nastran 等有限元分析软件及多刚体动力学仿真软件 MADYMO。有限元软件可用于车身结构强度设计、轻量化设计、碰撞安全性设计等方面，多刚体软件 MADYMO 可用于汽车碰撞乘员安全防护仿真分析。3 教学案例本文以车身正面碰撞条件下乘员安全防护虚拟仿真实验为例，探索计算机仿真实验在实验教学中的应用。在学习本课程前，学生已完成部分专业软件的学习，对有限元及多刚体基础理论有一定的了解。在课程实验开始前，学生提前学习MADYMO软件基础，在实验指导老师的指导下完成实验选题，并逐项完成实验内容，最终撰写实验报告，达到灵活应用专业知识的综合能力。3.1 MADYMO 仿真软件MADYMO是一款在汽车被动安全研究领域广泛应用的、成熟的商业软件，随着汽车安全技术的发展，该软件也具备主被动安全一体化的仿真分析能力。通过在该软件中建立车身结构、假人、座椅及约束系统等多刚体仿真模型，可对乘员约束系统的安全性及乘员损伤进行仿真分析，其仿真的可靠性和有效性已得到大量试验的验证5。目前该软件可将显示动态有限元 FE（FiniteElement）和多刚体动力学 MB（MultiBody）计算功能完美耦合在一起，其结构如图 1 所示。该软件采用可扩展标识语言 XML进行编辑输入，主要包括求解器（Solver）、假人模型（Dum-my）、前/后处理程序（XMADgic/MADpost）等几个部分。所有参数设置仅支持国际单位制。图 1MADYMO 模型总体结构3.2 实验基本原理虚拟仿真实验的车身模型系基于实际样车而建立的车身数字化虚拟模型，与实车具有相同的几何结构、轴荷分配，约束系统部件数字化模型包含车辆座椅、转向盘系统、安全带系统、安全气囊系统。虚拟仿真实验是参照GB115512014 汽车正面碰撞的乘员保护6要求，完成正面碰撞参数设置、车身参数设置、假人参数设置、数据处理等，最后根据仿真结果分析车内乘员的安全性。3.3 实验过程实验过程中将学生分成多个实验小组，每个小组给定不同的实验参数，以区分各小组独立完成的实验结果。将在 MADYMO 软件中已完成整车模型、约束系统建模、假人建模的多刚体模型提供给参加实验的学生。在此基础上，学生根据要求进一步完善仿真建模和参数设置，直到满足仿真条件和标准要求。3.3.1 建立车身模型在 MADYMO 中建立的模型主要包括底板、脚踏板、座椅、转向系、前围板、仪表板、前风窗玻璃、A 柱、车顶、座椅等，车体模型中各部件通过铰链连接。该模型已建好并经验证，在实验开始前发送给学生。3.3.2 驾驶人模型定位在给定的车身模型内，选择 HybridIII50 百分位男性（或女性）假人模型，根据标准对假人与车体部件的位置和距离要求，调整假人身体各部位的位置和角度，使其与试验要求中的假人保持一致，坐姿调整符合要求后需要将各关节的自由度进行约束，并在假人模型上施加重力加速度，同时用静力平衡后的假人铰链位置替换初始铰链位置。模型定位完成后，将假人模型中锁死的铰链解锁，完成假人的初始定位。最后，在所建立的模型中根据接触部位的具体类型定义接触，如图 2 所示。图 2假人初始坐姿 学科探索772022 年/第 36 期/12 月3.3.3 建立约束系统模型进一步设置驾驶人约束系统，包括安全带及安全气囊。在建立安全带模型时可采用混合式（有限元与多刚体）安全带模型，该模型能更精确地模拟安全带与假人的相互作用。同时，有限元部分安全带能够模拟安全带在假人表面的侧向滑动及乘员下潜时的情况。安全气囊模型的主要组成包括气袋及起爆盒两部分，点爆前的气袋折叠在起爆盒里面，起爆盒按实际情况安装在方向盘中央7（图 3）。建模完成后，根据接触部位的特征定义接触的具体类型。图 3约束系统模型完成上述建模，根据实验要求设置仿真参数后即可提交计算。图 4、图 5 结果为某一学生根据 GB115512014汽车正面碰撞的乘员保护要求及实验指导书的实验内容、要求，利用MADYMO软件进行仿真计算得到的结果。从实验过程及实验报告来看，学生能够结合课程所学内容及实验要求在 MADYMO 软件中完成建模、仿真，能利用专业软件解决给定的问题，更为重要的是表明学生基本具备利用专业软件对车身碰撞安全及乘员安全防护进行仿真分析的能力，达到了实验的目的。更进一步，还可通过指导学生优化约束系统，提高驾驶人的安全防护水平，培养学生的综合分析能力和创新意识。图 4头部合成加速度曲线图 5胸部加速度曲线4 结语随着新工科人才培养的推进，西华大学车辆工程专业在教学计划修订过程中主动转变思路，以需求为导向，将仿真技术引入实验教学中，有效促进了研究型实践教学的探索。本文以车身碰撞乘员安全防护虚拟仿真为案例，介绍了实验中建模、计算、仿真结果分析、优化等实验过程。从实验开设效果来看，实验教学效果良好，学生通过实验不仅更好地掌握了专业仿真软件的应用，而且在综合分析能力的培养方面也得到了较充分的锻炼，为未来就业、考研升学添砖加瓦。*通讯作者：李平飞基金项目：教育部汽车工程国家级实验教学示范中心项目(教高函 2013 10 号)。参考文献1王尔烈,王洪亮,王显会,等.“新四化”背景下车辆工程专业计算机仿真教学探讨J.实验室科学,2022,25(2):123-126.2姚嘉,卢伟,匡兵,等.车辆工程专业教学改革面临的问题与思考J.中国管理信息化,2020,23(5):206-208.3卢伟,姚嘉,匡兵,等.车身设计课程的教学改革方案与实践J.中国管理信息化,2020,23(3):196-198.4袁忠大,李航,张勇.航空发动机课程计算机仿真教学研究J.装备制造技术,2020(7):214-216.5唐灿.汽车正面碰撞不同体型男性驾驶人的安全性研究D.成都:西华大学,2017.6汽车正面碰撞的乘员保护(GB 11551-2014)S.中华人民共和国工业和信息化部,2014-09-03.7王聪.汽车正碰仿真分析与其驾驶员约束系统安全性评价D.沈阳:东北大学,2014.DISCIPLINES EXPLORATION