虛擬樣機(jī)技術(shù)在應(yīng)用型本科機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

韋丹柯等

[摘 要]傳統(tǒng)教學(xué)方法不能滿足應(yīng)用型本科教育“突出實(shí)踐、強(qiáng)化應(yīng)用”的要求。在機(jī)械原理教學(xué)中應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和分析，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)理論和實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞]ADAMS 機(jī)械原理 教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）07-0123-02

應(yīng)用型本科教育是以培養(yǎng)知識(shí)、能力和素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高級(jí)應(yīng)用型人才為目標(biāo)定位的教育。筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐和應(yīng)用型本科的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)課程的特點(diǎn)，在《機(jī)械原理》課程教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)中有針對(duì)性地應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，取得了良好的教學(xué)效果。

一、傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

《機(jī)械原理》課程是機(jī)械類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，起著從基礎(chǔ)課過渡到專業(yè)課，從理論課程過渡到結(jié)合工程實(shí)踐的承前啟后關(guān)鍵性作用，與工程實(shí)踐的聯(lián)系極為緊密。

目前該課程的教學(xué)模式依然沿用傳統(tǒng)的以教師為中心的知識(shí)傳授型，主要是在課堂上進(jìn)行陳述性的知識(shí)講解，多采用板書講授、出示掛圖和模型的方法進(jìn)行教學(xué)。雖然近年來逐步采用多媒體教學(xué)，但也僅是普通ppt，無法動(dòng)態(tài)演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，不利于學(xué)生形成直觀印象，不能夠理解機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系?？傮w而言，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在著“重理論輕實(shí)踐、重理論傳授輕學(xué)生能力培養(yǎng)”的缺陷。由于該課程涉及知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)多，而且學(xué)生普遍缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生的感受大多是“機(jī)械原理不好學(xué)，實(shí)踐應(yīng)用更無從下手”，無法達(dá)到應(yīng)用型本科教學(xué)的目標(biāo)，對(duì)此進(jìn)行改革勢(shì)在必行。

二、教學(xué)中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)的目的

虛擬樣機(jī)技術(shù)是設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可以快速、準(zhǔn)確、直觀地分析和評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)的性能。目前已出現(xiàn)多種虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，市場(chǎng)占有率較高、應(yīng)用較為廣泛的是由美國MSC公司研發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件（Auto Dynamic Analysisof Mechanical System，以下簡(jiǎn)稱ADAMS）。

ADAMS具有易教、易學(xué)、易用的特點(diǎn)，使用者只要掌握了基本的機(jī)械原理知識(shí)和計(jì)算機(jī)操作就可以完成常用機(jī)構(gòu)的建模、仿真和分析。

（一）改變教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量

指導(dǎo)學(xué)生利用ADAMS完成機(jī)械原理中常見機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)等的建模，等于將實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)搬入教室，讓學(xué)生從多個(gè)角度觀察各種常見機(jī)構(gòu)。學(xué)生建模的過程也是自主參與學(xué)習(xí)的過程，從而變枯燥的傳授性講授為教師主導(dǎo)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐相結(jié)合，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

（二）提高學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生能力

利用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，速度快、精度高，可以幫助學(xué)生克服因傳統(tǒng)方法使用不便而形成的畏難情緒，讓他們了解、掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，提高學(xué)習(xí)積極性，為自身綜合素質(zhì)的全面提高奠定良好的基礎(chǔ)。

三、教學(xué)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

（一）在理論教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械原理課程所涉及的知識(shí)面廣，具有“模型多、關(guān)系多、門類多、公式多、圖形多、表格多”的特點(diǎn)，相對(duì)枯燥且難以理解，因此要求教師在教學(xué)中需時(shí)刻注意，深入思考，不斷探索如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。筆者在教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要利用ADAMS制作各種常用機(jī)構(gòu)的三維模型并多角度動(dòng)態(tài)演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，使教學(xué)內(nèi)容直觀、生動(dòng)，吻合了學(xué)生涉新獵奇的心理愿望，有效地激發(fā)了學(xué)生的興趣。圖一為利用ADAMS建立的行星輪系模型。

此外，筆者針對(duì)教學(xué)難點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生利用ADAMS創(chuàng)建機(jī)構(gòu)模型，可以有效幫助學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，降低學(xué)習(xí)難度，取得很好效果。

傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)無論是用圖解法還是解析法，其原理都是“反轉(zhuǎn)法”，即在選定推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸（基圓半徑和偏距等）的前提下，假設(shè)凸輪靜止不動(dòng)，使推桿相對(duì)于凸輪沿-ω方向做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又在其導(dǎo)軌內(nèi)按選定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，推桿在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)中其尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪輪廓曲線。

利用ADAMS設(shè)計(jì)凸輪采用的是相對(duì)軌跡曲線生成實(shí)體方法，只需要定義凸輪的轉(zhuǎn)速、偏距和基圓半徑以及推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，仿真凸輪和推桿在各自運(yùn)動(dòng)規(guī)律驅(qū)動(dòng)下所做的運(yùn)動(dòng)，利用ADAMS提供的捕捉運(yùn)動(dòng)點(diǎn)軌跡功能，可得到推桿尖頂相對(duì)凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是凸輪的輪廓曲線，然后就可以快速生成凸輪的幾何實(shí)體。這種方法可以有效降低學(xué)習(xí)難度，使教學(xué)難點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)，學(xué)生可以直觀地、全面地了解凸輪設(shè)計(jì)過程，在短時(shí)間內(nèi)理解并掌握尖頂推桿盤型凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，達(dá)到教學(xué)大綱要求。對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，則要求他們利用課余時(shí)間完成綜合應(yīng)用三維建模軟件（UG、Pro/E）和ADAMS進(jìn)行滾子推桿盤型凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而化教學(xué)難點(diǎn)為學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。圖二為利用ADAMS設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)示意圖。

（二）在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械原理課程的課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，一般分為兩個(gè)階段：第一階段是方案設(shè)計(jì)，第二階段是尺寸綜合、運(yùn)動(dòng)分析和受力分析。第二階段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析的方法通常是圖解法和解析法，運(yùn)用圖解法時(shí)，一張圖紙只能完成一個(gè)位置的分析，且準(zhǔn)確性差；運(yùn)用解析法時(shí)，無論數(shù)學(xué)模型的建立還是計(jì)算程序的編制相當(dāng)繁瑣。實(shí)踐證明無論是采用哪種方法，學(xué)生都需要大量的時(shí)間才能完成，不能提出多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而影響了綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

利用ADAMS完成運(yùn)動(dòng)分析和受力分析，可便捷地建立全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)模型，快速地完成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，以曲線圖和動(dòng)畫形式輸出分析結(jié)果，能夠讓學(xué)生直觀地看到自己的設(shè)計(jì)成果，增強(qiáng)學(xué)生的成就感和自信心；學(xué)生也可以采用不同方法驗(yàn)證圖解法或解析法分析結(jié)果精度，保證學(xué)生能按時(shí)、高質(zhì)量地完成課程設(shè)計(jì)。圖三為指導(dǎo)學(xué)生利用ADAMS完成的牛頭刨床運(yùn)動(dòng)分析示意圖。

利用ADAMS的參數(shù)化建模，還可以自動(dòng)改變?cè)O(shè)計(jì)變量完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，可以彌補(bǔ)學(xué)生由于缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在尺寸綜合過程中犯下的錯(cuò)誤。

此外，利用ADAMS完成課程設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行多種方案的對(duì)比分析，鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，讓想象力和創(chuàng)造力得到充分發(fā)揮。

四、結(jié)語

將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入機(jī)械原理課程教學(xué)，將傳統(tǒng)的教學(xué)方法和現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合為一體，可以改變?cè)休^為陳舊的分析方法，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)理論和工程實(shí)踐相結(jié)合；能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使教學(xué)質(zhì)量大為提高。無論是在課堂教學(xué)還是在課程設(shè)計(jì)中，以ADAMS為代表的虛擬樣機(jī)技術(shù)都能得到充分的應(yīng)用，有利于學(xué)生掌握現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的手段和方法，培養(yǎng)他們應(yīng)用和創(chuàng)新的能力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 李大勝，石懷榮，呂明.應(yīng)用型本科院校機(jī)械原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（2）：90-92

[2] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] MSC公司.ADAMS/View軟件手冊(cè).

[4] MSC公司.ADAMS/PostProcessor軟件手冊(cè).

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]