基于ADMAS的车辆工程专业教学中汽车动力学仿真实验方法研究

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　　摘 要：为了提高车辆工程专业学生实践能力，对ADMAS仿真软件在车辆工程专业实践教学中的应用进行了研究。首先，在分析该软件功能特点的基础上，建立汽车子系统模型;进而基于子系统模型搭建整车仿真平台;最后，以B级路面为输入进行汽车系统动力学仿真实验并对结果进行分析。本文为采用仿真软件替代实车实验进行车辆工程专业实践教学奠定了一定的理论与实践基础。
　　关键词：车辆工程专业;实践教学;ADMAS仿真
　　1 绪论
　　目前，我国已名副其实地进入汽车社会[1]。随着汽车行业的迅猛发展，汽车保有量的不断提升，我国对汽车类人才的需求也在逐年上升[2]。为了顺应人才市场对汽车类人才的需求，很多高校都开设了车辆工程专业。而车辆工程专业是实践性很强的工科专业类型。目前，很多高校车辆工程专业都在积极地进行国际工程认证以及实施卓越工程师培养计划，这要求该专业培养方案中必须加大对学生实践能力培养的学分比重，必须增加本科实验设备投入，然而在短期内很多新办车辆工程专业难以实现[3]。为了弥补这一不足，计算机仿真技术可以很好地为车辆工程专业各类实验提供平台，利用汽车仿真技术部分地替代实车实验，可以快速、安全和高效地让学生掌握相关技术原理，从而达到实践教学目的。
　　2 ADAMS仿真软件介绍
　　目前机械汽车类仿真软件很多，例如美国的MATLAB软件，其SIMULINK模块中含有很多的汽车系统模型，但是他们大多是根据动力学方程结合建模模块得到，不具备机械直观的效果;ADVISOR软件是美国开发的另一款电动汽车仿真软件，汽车子系统模型采用物理特性与外特性相结合的方式建立，仿真方便快速，二次开发容易实现，但该模型也不具备机械直观的效果。ADAMS软件也是美国开发的一款机械/汽车系统仿真软件，该软件采用刚体动力学界面，模块库中包含了很多汽车系统模型，包括发动机、变速器、悬架、转向以及制动系统等[4];在仿真时实验者可以方便地根据自己的需要进行选择、修改等。同时，该仿真软件中还包含各种机械系统模型，如杆件、轴承、质点、曲柄、连杆等，实验者可以根据自己需要自行搭建汽车系统模型。该仿真软件具有机械直观的效果，实验者可以将机械原理、汽车构造、内燃机原理以及汽车理论等理论与实践知识直接运用到模型的搭建之中，非常方便。因此，这款软件非常适合车辆工程专业学生在培养过程中进行动力学、运动学的仿真实验，从而可以实现在没有实物的情况下，可以使学生了解汽车系统的结构与工作原理、参数配置与性能特点等等，可以快速地达到实践教学目的且可以取得良好的教学效果。
　　3 基于ADAMS软件的汽车系统建模与仿真
　　为了进行汽车系统的仿真实验，首先必须搭建各子系统仿真模块。首先，实验者可以根据实验系统要求在模块库中选择相应子系统模型;在此基础上对该模型参数进行修改使之符合自己仿真的车型要求。图1（a），（b），（c），（d），（e），（f）为所建立的前悬架、后悬架、发动机系统、制动系统、后轮系统以及车身系统模型。
　　
　　（a）前悬架系统（b）后悬架系统
　　
　　（c）发动机系统 （d）制动系统
　　
　　（e）后轮系统 （f）车身
　　图1 整车子系统模型
　　待所有模型建立完毕，开始进行整车系统的装配。进入ADAMS/Car的Standard Interface 模块，单击File→New→Full-Vehicle Assembly，弹出整车装配对话框与整车模型如图2与图3所示。
　　
　　图2 整车装配对话框
　　
　　图3 整车模型
　　4 仿真与分析
　　整车仿真實验较实车教学实验有很多优势，例如在实车实验中不方便进行有一定为危险性的实车测试、不方便进行某些特定工况下的实车测试，如在零下30℃测试发动机的起动性能，这些在高校实验条件下难以实现，而在仿真软件中很容易实现。ADAMS软件提供了很多仿真工况供实验者选择，例如，为了进行汽车振动系统的仿真实验，必须选择一个路况。在ADAMS软件中提供了丰富的路况模型如白噪声路面输入、脉冲路面输入、正弦波路面输入等;同时，还可以根据路面具体情况对不同波形的路面输入进行修改使之符合路面的实际情况，例如对白噪声路面模型进行修改可以正确地表达A、B、C级等公路特性，非常方便。
　　本次仿真采用B级路面为输入，仿真时间为6秒，仿真可以观测很多指标，如汽车质心振动加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷、汽车俯仰角加速度、侧倾角加速度等;如图4所示为观测到的汽车平顺性重要指标——汽车质心振动加速度振动曲线，由图4可以看出，汽车平顺性良好，其最大振动加速度不超过1m·s-2，说明汽车的乘坐舒适性好，垂向动力学特性优良。
　　
　　图4 仿真结果
　　5 结论
　　由以上建模与仿真过程可以看出，学生如果要建立汽车动力学仿真模型，必须对汽车悬架、制动系统、转向系统、发动机等结构与工作原理知识有很好地掌握。同时，还必须对实验工况、实验结果等有充分的理解，这样才能很好地完成建模与实验工作。同时，计算机还可以对某些实车无法完成的实验进行模拟，从而解决某些实验由于危险以及条件限制而不能开设的问题，可以达到很好的教学效果。
　　参考文献：
　　[1]何志婵.消费平稳增长背景下我国新能源汽车产业和汽配市场创新发展研究：以广西为例[J].南宁师范大学学报（哲学社会科学版），2019，40（6）：118-123.
　　[2]宋文艳，杨兵.浅议新能源汽车产业的技术创新与市场培育[J].中外企业家，2019，（33）：115-117.
　　[3]谭正平，李跃平.汽车理论实车道路实验教学探讨[J].教育教学论坛，2016，（28）：270-271.
　　[4]康少波，宋少云.基于ADMAS的汽车手动换挡器的换挡槽曲线设计[J].武汉轻工大学学报，2017，36（3）：46-49.
　　[5]胡明，邓宗全，高海波.基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（1）：28-31.
　　基金项目：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（编号：2017sxzx24）;安徽工程大学2017年校级本科教学质量提升计划项目——汽车工程虚拟仿真实验教学中心（编号：2017xnfzsyzx01）;安徽工程大学2012校级双语教学示范课程——汽车技术概论;新工科示范课程项目（编号：2018xgksfkc07）;安徽省省级质量工程教学研究项目“成果导向（OBE）理念下课程体系的设计研究”（编号：2017jyxm0334）;安徽省省级质量工程虚拟仿真实验教学项目“机械制造装备虚拟仿真实验教学项目”（编号：2018xfsyxm002）;安徽工程大学2019年校级本科教学质量提升计划项目——基于VR技术的虚拟教学创新型教学模式与平台研究
　　作者简介：肖平（1973-），男，安徽铜陵人，博士，教授，研究方向：汽车动力学与仿真技术。
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