Python與AMESim在液壓與氣動實踐教學中的應用

張啟暉 李聰 楊麗榮 黃武新 江濤

[摘 要]液壓與氣動課程是機械電子工程專業(yè)重要的專業(yè)必修課，并且課程重點在于講解液壓與氣動在工程實際中的應用，而課程實驗設備異于損壞，許多實例不便于實驗，而學生面對理論知識難于理解，為此運用AMESim仿真平臺，基于python構(gòu)建液壓與氣動實踐教學，拓展學生多學科多軟件的應用，以液壓元件減壓閥為例，說明實踐課程教學方法，學生在AMESim平臺下的交互操作，從而培養(yǎng)學生的液壓實踐技能，啟發(fā)學生對液壓與氣壓傳動的興趣。

[關(guān)鍵詞]液壓與氣動;python;AMESim;減壓閥

[基金項目]2019年江西理工大學虛擬仿真實驗教學項目“基于Python的液壓與氣動虛擬仿真實踐課程的研究”（XZG-18-14-82）

[作者簡介]張啟暉（1986—），男，福建寧化人，工學博士，江西理工大學講師，主要從事流體傳動與控制研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-02[收稿日期] 2020-05-29

一、引言

液壓與氣動課程是機械工程專業(yè)下較為重要的一門課程，具有一定的理論和實踐的課程。隨著科技的發(fā)展，本科教育方式方法也在發(fā)生翻天覆地的變化，在工程教育領(lǐng)域就提到了需要用現(xiàn)代的工具應用到實際的教學中，如今在液壓與氣動領(lǐng)域內(nèi)有許多的軟件，如AMESim、FluidSIM、Matlab、Fluent、Python等。這些軟件在液壓與氣動領(lǐng)域中，不管是工程還是研究都得到了大量的應用[1-3]。在傳統(tǒng)的教學中，采用的教學方法或者設備不能直觀地讓學生理解液壓與氣動元件或者回路的原理以及特性，教師需要大量的學時去講解，而如果在教學中合理地采用現(xiàn)代工具軟件，將極大地提高教學效果，拓寬教師的教學方法，能夠激發(fā)學生的學習熱情。

當前，國內(nèi)許多高校教師也開展將現(xiàn)代工具與教學的研究。陳敏捷等人在Android平臺下設計了液壓虛擬實驗系統(tǒng)，并在課堂上進行了應用。童和平等人使用了FluidSIM仿真軟件在液壓氣動教學中進行了應用。太原理工大學的王東成等人使用CATIA和AMESim的聯(lián)合引入了液壓與氣動的教學當中。內(nèi)蒙古工業(yè)大學的劉志剛等人在Unity3D的平臺下開發(fā)了液壓元件的虛擬交互平臺，并在教學中進行了實踐應用。

在液壓與氣動這門課程的實驗教學中，通常都安排拆裝液壓元件的實物，而各個院校受限于場所與數(shù)量，同時液壓元件在多次拆裝后性能和使用都會受到損壞，導致液壓元件更換頻率較大。為此本文以python為基礎(chǔ)，結(jié)合AMESim構(gòu)建液壓與氣動虛擬仿真實踐教學平臺，通過課程實驗培養(yǎng)學生的液壓實驗技能，啟發(fā)學生對液壓與氣壓傳動的學習興趣。

二、液壓與氣動的實踐教學

液壓與氣動在實踐教學中由于實驗設備的約束以及場地的限制，難以滿足所有學生都能充分參與到實驗中，這樣造成了實踐教學效果欠佳。AMESim是德國Siemens公司旗下的一款以多學科多領(lǐng)域的建模仿真軟件，在AMESim中集成了一整套Python軟件，同時也集成Qt庫，因此在AMESim軟件中能夠?qū)崿F(xiàn)液壓與氣動虛擬仿真實踐教學平臺的開發(fā)。

在液壓與氣動課程中引入AMESim和Python的教學，可以綜合學生的能力，結(jié)合三維建模軟件建立液壓元件三維模型，利用AMESim軟件使得學生對液壓元件結(jié)構(gòu)的進一步理解，在Python語言下培養(yǎng)學生的編程能力，聚合各個軟件的優(yōu)勢，使學生在學習液壓與氣動知識的同時，能夠進一步加深學生對所學專業(yè)軟件的理解。

三、實踐教學方法

基于Python與AMESim的液壓與氣動虛擬仿真實踐教學中涉及較多的知識點，并且操作實例覆蓋廣泛，因此以常見的液壓與氣動課程中液壓控制元件減壓閥為例，進行說明。

（一）教學目的

使學生掌握減壓閥的結(jié)構(gòu)，重點掌握減壓閥的工作原理，了解減壓閥的壓力流量特性。常見減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）實施過程

（1）復習：將液壓與氣動理論課上所授知識進行簡單回顧。（2）引入：引領(lǐng)學生以設計者的身份，啟動學生的思維，使他們進入積極的狀態(tài)，提出設計減壓閥的目標，通過師生討論方式進入課堂。（3）教學：以設計者的思維對Python進行講解，如對于減壓閥需要了解閥的結(jié)構(gòu)，掌握閥的工作原理，最后通過AMESim仿真方式對減壓閥的特性進行測試。（4）鞏固練習：學生可以在Python平臺上讀取減壓閥的三維圖片，了解閥的三維結(jié)構(gòu)，通過對結(jié)構(gòu)的分析，設計減壓閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且在減壓閥的仿真模型中設置相關(guān)參數(shù)，在AMEsim仿真回路中設置系統(tǒng)參數(shù)，對減壓閥的特性進行仿真分析，最后對結(jié)果進行分析和處理。（5）課堂總結(jié)：以設計者的身份再一次對減壓閥的設計過程進行梳理，對重點再一次進行總結(jié)，使學生加深印象。

四、Python與AMESim的實踐操作

（一）實驗方法描述

學生通過對規(guī)定的教學內(nèi)容的學習，掌握液壓和氣動中的重要知識點，熟練運用相關(guān)的專業(yè)軟件，達到合理設計液壓元件和回路的要求。

（二）在AMESim平臺下交互性操作

1.讀取三維模型圖片。通過三維軟件建立液壓控制元件和傳統(tǒng)液壓回路的三維模型，導出兩者的圖片，學生需要通過Python在AMESim平臺下交互讀取相應的三維圖片，從而首先能夠直觀地看到研究對象的結(jié)構(gòu)。

2.分析二維結(jié)構(gòu)圖。對三維結(jié)構(gòu)有直觀的了解后，可以讀取相應研究對象的二維結(jié)構(gòu)圖，并且可以同三維模型圖進行對比分析，一方面可以加深學生印象，另一方面也可以鍛煉學生的空間思維，訓練從三維到二維的轉(zhuǎn)換思維。

3.對元件或液壓回路的原理進行理解和分析。對液壓基本回路和典型系統(tǒng)的原理圖進行分析，一方面理解液壓回路的工作原理，另一方面加深液壓元件在液壓回路中的作用。

4.分析AMESim仿真模型。在AMESim平臺上展示液壓元件或者液壓回路的仿真模型，對仿真模型進行學習。訓練學生分析如何從結(jié)構(gòu)到仿真模型的建立，在訓練過程中進一步加深對課堂中的學到的理論知識的理解。

5.對仿真模型進行運算。利用Python讀取AMESim模型，對模型參數(shù)設置，并要對閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理的運算，通過一些經(jīng)驗公式或者使現(xiàn)有的元件的拆解和測量得到數(shù)值，在此基礎(chǔ)上可以在合理范圍內(nèi)設置多個參數(shù)數(shù)值。設置仿真計算的仿真步長和時間，并且在實踐中可以設置不同的步長和時間，便于后面對結(jié)果的對比分析。

6.分析和處理模型結(jié)果。仿真計算結(jié)束后，就可以根據(jù)需要去獲取相應的結(jié)果數(shù)據(jù)，如閥的壓力數(shù)據(jù)或者流量數(shù)據(jù)。將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可以通過Python繪制相應的壓力和流量曲線，并且對不同的設置參數(shù)得到的不同的結(jié)果曲線進行對比，分析不同參數(shù)對結(jié)果的影響規(guī)律。

五、結(jié)語

Python與AMESim在液壓與氣動實踐教學中的應用，實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗教學的深度融合，以項目化教學的形式將液壓與氣動這門課程的理論與實踐有機結(jié)合，實現(xiàn)教學內(nèi)容和方式的多樣化。通過對液壓元件和液壓回路的AMESim仿真實驗，將設計過程中對這些元件和回路的結(jié)構(gòu)、仿真和分析，轉(zhuǎn)化為可操作、常規(guī)化、可視化的虛擬仿真實驗。同時在這過程中需要同現(xiàn)有的一些元件進行對比和分析，達到實驗過程能實不虛、虛實結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合的教學模式和教學效果，培養(yǎng)學生的專業(yè)技能綜合能力和課題研究能力。

參考文獻

[1]張龍，王世偉.AMESim軟件在機械原理課程教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2019（08）：193-194.

[2]王強，劉玉科.基于SimHydraulics的某飛機起落架液壓系統(tǒng)建模與故障仿真[J].液壓與氣動，2020（04）：123-129.

[3]侯宗宗，郭雨菲.基于FLUENT的過濾器濾網(wǎng)流場模擬計算[J].船舶，2020，31（02）：58-62.

Abstract： Hydraulics and Pneumatics is an important compulsory course for mechanical and electrical engineering majors. The focus of the course is to explain the application of hydraulics and pneumatics in engineering practice. The experiment equipment is easy to damage. Many examples are not easy to experiment， and students feel that it is difficult to understand the theoretical knowledge. Therefore， the AMESim simulation platform is used to build hydraulic and pneumatic practice teaching based on Python to expand the application of multi-disciplinary and multi-software. Take the hydraulic component pressure relief valve as an example to illustrate the teaching method of the practical course. The interactive operation of students on the AMESim platform realizes the interactive simulation technology based on AMESim and Python， and cultivates the application of computer technology in hydraulic practice. And it can cultivate students' hydraulic practical skills and inspire students' interest in hydraulic and pneumatic transmission.

Key words： Hydraulic and Pneumatic; Python; AMESim; pressure relief valve