虚拟样机技术在应用型本科机械原理课程教学中的应用

[摘 要]传统教学方法不能满足应用型本科教育“突出实践、强化应用”的要求.在机械原理教学中应用虚拟样机技术进行运动学、动力学仿真和分析,可以激发学生学习兴趣,提高教学质量,培养理论和实践相结合的应用能力.

[关 键 词]ADAMS机械原理教学改革

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2014）07-0123-02

应用型本科教育是以培养知识、能力和素质全面协调发展,面向生产、建设、管理、怎么写作一线的高级应用型人才为目标定位的教育.笔者结合自身的教学实践和应用型本科的教学目标,根据课程的特点,在《机械原理》课程教学及实践环节中有针对性地应用虚拟样机技术软件,取得了良好的教学效果.

一、传统教学模式的不足

《机械原理》课程是机械类专业重要的专业基础课程,起着从基础课过渡到专业课,从理论课程过渡到结合工程实践的承前启后关键性作用,与工程实践的联系极为紧密.

目前该课程的教学模式依然沿用传统的以教师为中心的知识传授型,主要是在课堂上进行陈述性的知识讲解,多采用板书讲授、出示挂图和模型的方法进行教学.虽然近年来逐步采用多媒体教学,但也仅是普通ppt,无法动态演示机构的运动,不利于学生形成直观印象,不能够理解机械产品结构和功能之间的关系.总体而言,传统教学模式存在着“重理论轻实践、重理论传授轻学生能力培养”的缺陷.由于该课程涉及知识面广、知识点多,而且学生普遍缺乏工程实践经验,因此学习难度大,学生的感受大多是“机械原理不好学,实践应用更无从下手”,无法达到应用型本科教学的目标,对此进行改革势在必行.

二、教学中引入虚拟样机技术的目的

虚拟样机技术是设计制造领域的一项新技术,它利用计算机软件建立机械系统的三维实体模型,进行运动学和动力学分析,可以快速、准确、直观地分析和评估机械系统的性能.目前已出现多种虚拟样机技术软件,市场占有率较高、应用较为广泛的是由美国MSC公司研发的机械系统动力学自动分析软件（AutoDynamicAnalysisofMechanicalSystem,以下简称ADAMS）.

ADAMS具有易教、易学、易用的特点,使用者只要掌握了基本的机械原理知识和计算机操作就可以完成常用机构的建模、仿真和分析.

(一)改变教学模式,提高教学质量

指导学生利用ADAMS完成机械原理中常见机构,如连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等的建模,等于将实验室、生产现场搬入教室,让学生从多个角度观察各种常见机构.学生建模的过程也是自主参与学习的过程,从而变枯燥的传授性讲授为教师主导的学生自主学习,增强了学生的感性认识,激发学习兴趣,实现理论和实践相结合,有效地提高教学质量.

(二)提高学习积极性,培养学生能力

利用ADAMS进行运动学分析,速度快、精度高,可以帮助学生克服因传统方法使用不便而形成的畏难情绪,让他们了解、掌握现代计算机辅助机械设计的方法,提高学习积极性,为自身综合素质的全面提高奠定良好的基础.

三、教学中虚拟样机技术的应用

机械原理课程所涉及的知识面广,具有“模型多、关系多、门类多、公式多、图形多、表格多”的特点,相对枯燥且难以理解,因此要求教师在教学中需时刻注意,深入思考,不断探索如何激发学生的学习积极性.笔者在教学过程中,根据教学内容需要利用ADAMS制作各种常用机构的三维模型并多角度动态演示机构的运动,使教学内容直观、生动,吻合了学生涉新猎奇的心理愿望,有效地激发了学生的兴趣.图一为利用ADAMS建立的行星轮系模型.

此外,笔者针对教学难点,指导学生利用ADAMS创建机构模型,可以有效帮助学生掌握机构组成及运动特点,降低学习难度,取得很好效果.

传统的凸轮设计无论是用图解法还是解析法,其原理都是“反转法”,即在选定推杆的运动规律和确定凸轮机构的基本尺寸（基圆半径和偏距等）的前提下,检测设凸轮静止不动,使推杆相对于凸轮沿-ω方向做反转运动,同时又在其导轨内按选定的运动规律作预期的运动,推杆在这种复合运动中其尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线.

利用ADAMS设计凸轮采用的是相对轨迹曲线生成实体方法,只需要定义凸轮的转速、偏距和基圆半径以及推杆的运动规律,仿真凸轮和推杆在各自运动规律驱动下所做的运动,利用ADAMS提供的捕捉运动点轨迹功能,可得到推杆尖顶相对凸轮的运动轨迹,也就是凸轮的轮廓曲线,然后就可以快速生成凸轮的几何实体.这种方法可以有效降低学习难度,使教学难点更加清晰、生动,学生可以直观地、全面地了解凸轮设计过程,在短时间内理解并掌握尖顶推杆盘型凸轮机构的设计方法,达到教学大纲要求.对学有余力的学生,则要求他们利用课余时间完成综合应用三维建模软件（UG、Pro/E）和ADAMS进行滚子推杆盘型凸轮机构的设计,从而化教学难点为学习兴趣点,进一步提高学生的学习积极性.图二为利用ADAMS设计的凸轮机构示意图.

机械原理课程的课程设计是培养学生机械设计综合能力、创新能力的重要环节,一般分为两个阶段：第一阶段是方案设计,第二阶段是尺寸综合、运动分析和受力分析.第二阶段进行运动分析和受力分析的方法通常是图解法和解析法,运用图解法时,一张图纸只能完成一个位置的分析,且准确性差；运用解析法时,无论数学模型的建立还是计算程序的编制相当繁琐.实践证明无论是采用哪种方法,学生都需要大量的时间才能完成,不能提出多种设计方案进行对比分析,从而影响了综合能力和创新能力的培养.

利用ADAMS完成运动分析和受力分析,可便捷地建立全参数化的机械系统模型,快速地完成运动学和动力学仿真,以曲线图和动画形式输出分析结果,能够让学生直观地看到自己的设计成果,增强学生的成就感和自信心；学生也可以采用不同方法验证图解法或解析法分析结果精度,保证学生能按时、高质量地完成课程设计.图三为指导学生利用ADAMS完成的牛头刨床运动分析示意图.

利用ADAMS的参数化建模,还可以自动改变设计变量完成优化设计,找出设计的最优方案,可以弥补学生由于缺乏设计经验,在尺寸综合过程中犯下的错误.

此外,利用ADAMS完成课程设计,还可以进行多种方案的对比分析,锻炼学生的综合应用能力,让想象力和创造力得到充分发挥.

四、结语

将虚拟样机技术引入机械原理课程教学,将传统的教学方法和现代的计算机辅助设计有机地结合为一体,可以改变原有较为陈旧的分析方法,有利于实现教学模式的转变,实现理论和工程实践相结合；能有效地激发学生的学习积极性,使教学质量大为提高.无论是在课堂教学还是在课程设计中,以ADAMS为代表的虚拟样机技术都能得到充分的应用,有利于学生掌握现代机械设计的手段和方法,培养他们应用和创新的能力.

[参考文献]

[1]李大胜,石怀荣,吕明.应用型本科院校机械原理课程教学改革与实践[J].淮海工学院学报,2012（2）：90-92

[2]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社,2003.

[3]MSC公司.ADAMS/View软件手册.

[4]MSC公司.ADAMS/PostProcessor软件手册.

[责任编辑：钟岚]