虚拟样机技术在新办机车车辆专业教学中应用的必要性探讨
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摘要：随着高速铁路、城轨交通的快速发展及国家“一带一路”倡议的实施，机车车辆一线工程技术人才的需求呈现爆发式增长，一大批本科院校相继新办机车车辆专业。本文首先列举了新办机车车辆专业在理论与实践教学中存在的问题，然后设计虚拟样机技术在专业教学环节的应用方案，最后归纳阐述了虚拟样机技术的优势与价值：扩展专业教学手段，弥补实验条件不足。
关键词：虚拟样机；机车车辆；专业教学；实践课程
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）14-0162-02
一、引言
我国目前处于高速铁路、城际轨道交通、城市轨道交通高速发展阶段。预计到2020年，250公里/小时以上铁路建设里程将超过1.8万公里，占世界高速铁路总里程的一半以上；城市轨道交通线将超过6000公里，其中截止到20017年底，上海市城轨交通运营总里程已达666公里（含磁浮），预计到2020年将超过830公里。另外，我国“一带一路”倡议的实施，正在逐步向国外输出轨道交通工程项目。高速铁路和城轨交通的快速发展，极大地推动了地方本科院校兴办轨道交通专业的热情，其中包括机车车辆作为应用型本科特色专业受到追捧。然而地方高校在实际办学中，机车车辆专业一方面必须非常注重实践教学环节，培养面向一线站段的、应用型性的、本科水平的技术人才要求，另外一方面却面临着实验室建设时间短、资金不足，实践教学条件有限的难题。机车车辆专业的实验条件建设成为限制新办专业发展的重要一环[1]。
二、新办机车车辆专业的困境
1.实验教学条件问题。机车车辆是一个依托轨道交通行业的特殊专业。与老牌铁路院校或铁路职业院校多年办学不同，地方高校新办专业时，其基础一穷二白。除师资外，最缺乏足够的实验设备、场地及器材等硬件，不说机车车辆实验平台、综合实验线等大型实验系统，甚至连基础的高速铁路和城市轨道车辆教具、模型都不齐全。这是因为机车车辆专业实验设备一般功能单一，如典型的转向架模型、制动系统、牵引传动等演示教学类设备，基本无法应用于科学研究，另外价格昂贵，院校经费投入比较大，建设周期比较长，这些会严重制约专业的快速发展。另外在培养模式上，地方院校新办机辆专业以“重基础、宽口径”为出发点，面向高速铁路和城市轨道交通两个既有统一性、又有突出不同点的就业方向。这对专业实验教学条件提出了更高的要求，需要同时满足两个不同就业方向。
2.校外实训基地不足。以“培养卓越一线工程师”为导向的新办机车车辆专业，校外实训基地的建设在整个课程体系建设中的作用尤为重要，是解决校内实验设备紧缺，大部分设备偏教学演示，学生接触实际系统不足难题的重要手段。然而，由于机车车辆作为非常专业且相对独立的行业，使得新办专业院校在拓展校外实训基地时会遇到很大困难，主要是因为：首先，机车车辆紧密相关的企业单位是数量不多的大型国企、央企，新办专业的院校与它们交流、合作的基础薄弱，建设与落实学生联合培养、实训基地等方面需要克服较多困难，周期较长；其次，机车车辆实践基地具有繁重的日常运维或生产制造工作，安排学生大规模、长期的实训项目存在一定的困难。
三、虚拟样机技术在专业教学中应用
1.虚拟样机技术简介。虚拟样机（VP，Virtual Prototyping）技术作为一种全新的、面向产品全寿命周期的产品设计、优化和生产的数字化研发方法，具有方案模拟水平高、可重复性好、修改与优化方便等优势，可缩短产品的研发周期，降低产品的成本，已在各行各业中研发体系内扮演着重要角色，并逐步渗透到专业教学中。
2.课程教学应用设计。基于虚拟样机技术，可实现机车车辆系统的设计、分析及方案改進优化，内容包括静力学、运动学和动力学。在机车车辆专业实际教学中，虚拟样机技术可以应用课程包括：（1）机械原理、机械设计等专业基础课程。可利用MSC.ADAMS的物体、力、铰接等元件，建立弹簧振子、连杆等机构，学习约束、驱动、自由度等概念；使用凸轮、齿轮、轴承、带、链、绳索等机械包组件，可以搭建虚拟机械运动平台，让学生通过动手操作，设计、修改机械部件，学习机械传动原理，多次重复观察如齿轮啮合、滚动接触、振动冲击等复杂、难懂的物理现象。[2，3]（2）机车总体及走行部、城轨车辆结构与原理、动车组运用与维修等。可使用UG，CATIA等三维CAD软件制作零部件图、装配图、爆炸图等图片、动画课件，详细展示轮对、转向架、车体等复杂轨道车辆结构，配合模型教具，便于学生直观的学习轨道车辆结构与原理；可设计虚拟装配、维修实践课程，使得学生可以反复练习结构拆装、维修，为到动车所、地铁车辆维保等单位工作奠定基础。（3）列车牵引、机车动力学基础、综合实践等。可使用MSC/ADAMS，SIMPACK等动力学软件，具有友好的操作界面。在实际教学实践中发现，学生学习、掌握振动与动力学操作界面，学习车辆系统动力学理论基础后，通过简单的操作练习，可以建立各类机械构件、机车车辆的虚拟样机模型，并进行动态仿真模拟，获得对象的动力学和运动学性能指标。典型仿真试验包括：车辆/轮对蛇形运动、临界速度仿真试验，车辆/列车舒适性、平稳性、安全性仿真试验，列车牵引、制动仿真试验。这些仿真试验不仅可以在机车车辆专业课中穿插使用，展示动力学相关概念及知识，而且可以作为专业综合实践（转向架测试综合实践和机车车辆综合实践）的一部分，补充试验条件上的不足。[4]使用虚拟样机技术应用在轨道车辆教学中，可强化对课本理论知识的理解，可以用于结构方案的优化设计，并培养动手的能力和创新设计思维
3.虚拟样机应用在教学中的技术优势。（1）教学与实验成本降低。利用虚拟样机技术的低成本的优势，一些实验装置和设备价格高昂，如车辆牵引制动试验、列车运行动态性能监测试验，这些完全可以借助仿真实验平台来完成。在课程教学中不用购置实际的实验装置，也不存在设备损坏、折旧的风险，减少实验设备的投入，实验成本低廉。（2）实验重复性高。基于虚拟样机技术设计的实验课程可重复性高，实验结果一致性好，方便指导老师同时指导多组学生同时操作实验。（3）功能强大、组合灵活。传统实验设备一般功能单一，而虚拟样机技术功能强大，可以根据实际教学、科研需要模拟各类实际工况，开展从简单的结构原理观察实验到复杂的系统结构设计、优化实验，组合灵活多样，可满足不同年级、不同学习层次的学生教学应用。（4）无危害人身安全的风险。机车车辆专业在实践课程中的学生安全问题一直比较棘手，由于在铁路现场进行集中实践教学时指定老师难以照顾到每一个学生，人身安全隐患较大，使得动手实践内容与质量大打折扣。虚拟样机技术是在计算机上模拟，可有效解决在铁路现场中实验人员的安全问题。
四、结语
地方院校机车车辆专业的目标定位与传统铁路优势高校是错位的，其培养的毕业生主要是面向铁路车辆运用、维护与检修的一线工程师，学生的动手与实践能力要求比较高。然而，作为地方院校新办机车车辆专业，因专业建设周期短、实验室设备投入不足，在教学和科研的教具实验室、试验线及校外实践基地等方面一般存在不足。
参考文献：
[1]潘玉娜.浅谈地方本科院校新办机车车辆专业[J].课程教育研究，2013，（31）：227-228.
[2]董振，唐治宏.虚拟样机技术在机械创新设计虚拟仿真实验教学中的应用[J].教育观察，2018，（3）：76-79.
[3]张伟.机械原理教学中虚拟样机技术的应用实践[J].中国电力教育，2014，（2）：152-153.
[4]路永婕，郑明军，王军.虚拟样机技术在车辆工程专业教学中的应用研究[J].科技资讯，2015，（31）：177-178.
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