液壓與氣壓傳動課程虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)探究

王本永　劉春生　孫月華

摘 要：“液壓與氣壓傳動”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，存在教師難教、學(xué)生難學(xué)的問題。本文針對“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)的具體情況，指出了課程教學(xué)中存在的新問題以及將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中的解決辦法，從闡述虛擬樣機(jī)理念及對課程教學(xué)的意義入手，提出“液壓與氣壓傳動”課程虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)的實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：液壓與氣壓傳動；虛擬樣機(jī)；仿真教學(xué)

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2013）05-0056-02

一、問題的提出

“液壓與氣壓傳動”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的核心課程。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，社會對人才培養(yǎng)質(zhì)量，特別是實(shí)踐創(chuàng)新能力不斷提出更新更高的要求。作為人才培養(yǎng)方案的終端支撐，本專業(yè)核心課程要給予積極的響應(yīng)，要從教學(xué)內(nèi)容、方法、手段等多方面努力提高教學(xué)水平的檔次[1-3]。該課程不僅涉及專業(yè)知識面廣、教學(xué)內(nèi)容多，且其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，是一門教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程，其中基本概念與基本原理多、應(yīng)用性強(qiáng)，需要理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合。該課程在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)方面占有主要地位。經(jīng)過多年努力和建設(shè)，作為黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的重點(diǎn)課程，創(chuàng)建了教學(xué)團(tuán)隊(duì)，并且得到了資助。雖然“液壓與氣壓傳動”課程在課程體系及教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行了一些有益的嘗試和改革，取得了一些成績，但仍存在以下不足。（1）隨著課程內(nèi)容的更新，有些重要的教學(xué)內(nèi)容沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備支撐，比如，氣壓傳動部分。（2）現(xiàn)有的多媒體課件效果不好，由于本課程存在概念、結(jié)構(gòu)原理的抽象性和隱蔽性，使用現(xiàn)有課件教學(xué)有很多內(nèi)容教師講解不清楚，學(xué)生也聽不明白。（3）虛擬樣機(jī)技術(shù)屬于前沿的現(xiàn)代技術(shù)理論，國內(nèi)有的重點(diǎn)高校在本科已開設(shè)專門課程，而黑龍江科技學(xué)院沒有開設(shè)，也未在關(guān)系密切的本門課程中作出講解。

基于以上不足，本文認(rèn)為將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到“液壓與氣壓傳動”課程的教學(xué)改革中，不僅可以加深學(xué)生對該門課程內(nèi)容的理解，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力，而且可以使學(xué)生掌握虛擬樣機(jī)的理論，從而從教學(xué)內(nèi)容、方法和手段上全面提升本課程的教學(xué)水平。

二、虛擬樣機(jī)理念及對課程教學(xué)的意義

虛擬樣機(jī)技術(shù)是機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的一種數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是在縮短機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、改進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高市場競爭力和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷提高的背景下產(chǎn)生的[4]。物理樣機(jī)制造和測試是設(shè)計(jì)過程中保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要一環(huán)，通過物理樣機(jī)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問題，提供設(shè)計(jì)修改的依據(jù)，樣機(jī)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)修改往往是交替進(jìn)行的，這一過程增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本。為了解決這一弊端，可以在制造物理樣機(jī)之前，用物理樣機(jī)的計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真模型（即虛擬樣機(jī)）代替，在虛擬樣機(jī)上進(jìn)行各種對物理樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無法進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，觀測產(chǎn)品各組成部分的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)測系統(tǒng)的整體性能，快速分析多種設(shè)計(jì)方案，不斷修改設(shè)計(jì)缺陷，直至得到最佳設(shè)計(jì)方案，并且這種應(yīng)用貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)和制造過程中。虛擬樣機(jī)技術(shù)的可靠性和有效性已為多數(shù)成功應(yīng)用所證實(shí)，比如，美國波音公司采用虛擬樣機(jī)技術(shù)成功地進(jìn)行了波音777飛機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)及制造，通用動力公司全數(shù)字化機(jī)車虛擬樣機(jī)的使用，世界最大的工程機(jī)械制造商Caterpillar公司采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)對大型設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，降低了產(chǎn)品成本，提高了性能，等等。

使用虛擬樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造具有下列優(yōu)點(diǎn)。（1）從整體上把握產(chǎn)品的功能特性和設(shè)計(jì)要求。（2）協(xié)同物理樣機(jī)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行測試和驗(yàn)證。（3）可以同時(shí)對多種設(shè)計(jì)方案模擬比較分析，尋找出最優(yōu)設(shè)計(jì)。（4）貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程，并不斷得到完善。（5）不同于簡單的單領(lǐng)域仿真，其涉及的知識領(lǐng)域廣，考慮問題全面，可提高產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。（6）支持不同工程領(lǐng)域人員對同一虛擬產(chǎn)品并行地進(jìn)行全方位測試、分析與評估。（7）可以減少產(chǎn)品開發(fā)后期的設(shè)計(jì)更改，進(jìn)而能最大程度減小整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。（8）減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用。

基于虛擬樣機(jī)理念，在“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)中，引入虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)，對其進(jìn)行研究，具有以下幾方面的意義。

1.提高課程的直觀性，使學(xué)生易于理解課程內(nèi)容，并產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。例如，在講解液壓元件或氣壓元件的組成、結(jié)構(gòu)和工作原理的過程中，可以展示元件三維實(shí)體模型（不同組成部分用不同的透明度和色彩描述）的運(yùn)動仿真動畫，同時(shí)可用曲線的形式動態(tài)實(shí)時(shí)地顯示與三維實(shí)體模型的運(yùn)動狀態(tài)相對應(yīng)的任意參數(shù)，其直觀性和仿真性可有效化解抽象理論的教學(xué)難度，便于學(xué)生理解，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

2.用虛擬樣機(jī)代替實(shí)物教學(xué)，節(jié)省了大量資金，且節(jié)省了教師的大量教學(xué)時(shí)間，增加了教學(xué)的信息量，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動積極性，培養(yǎng)了學(xué)生使用新技術(shù)新手段解決實(shí)際問題的自主創(chuàng)新能力。

3.虛擬樣機(jī)技術(shù)是工程領(lǐng)域中一種新的現(xiàn)代化設(shè)

計(jì)手段，可以使企業(yè)縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低開發(fā)成本，提高市場競爭力。目前國內(nèi)缺少掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)的大量高級專業(yè)人才，造成企業(yè)許多課題只能交給科研院所或高校解決，因此，將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到課程教學(xué)中，使學(xué)生掌握新技術(shù)領(lǐng)域的知識，可以大大提高學(xué)生就業(yè)的競爭力。

三、課程虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)的實(shí)現(xiàn)路徑

虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)作為一種教學(xué)方法，同其他教學(xué)法一樣，在保證和提升效果的前提下，做到教學(xué)成本與教學(xué)效果的平衡[5]。當(dāng)成本高昂或存在條件限制時(shí)，就要考慮用其他的教學(xué)法代替或用幾種教學(xué)法相結(jié)合的方式來保證教學(xué)質(zhì)量，引入虛擬樣機(jī)仿真法輔助“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)就是基于這樣的思想和針對黑龍江科技學(xué)院的具體情況提出的。用好虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)法，首先要對授課對象和授課內(nèi)容進(jìn)行有效的分析，結(jié)合教學(xué)大綱要求，以樹形圖的形式對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行逐級分類，直到最后一級找出典型的液壓元件、氣壓元件、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)，并標(biāo)出其中的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容。然后，在樹形圖上標(biāo)出適合用虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)法的部分。接下來就是建立液壓氣壓元件和系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)仿真模型，這部分工作具體而繁雜?！耙簤号c氣壓傳動”課程的虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)法的實(shí)現(xiàn)離不開虛擬樣機(jī)軟件，包括三維實(shí)體建模軟件、多體機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件、數(shù)值分析軟件和多領(lǐng)域仿真集成軟件以及各軟件之間的接口程序等。液壓與氣壓傳動是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)和流體系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，虛擬樣機(jī)包括機(jī)械系統(tǒng)模型、流體系統(tǒng)模型和流固耦合特性接口三部分。

1.機(jī)械系統(tǒng)模型可用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件

ADAMS建立。在ADAMS/View環(huán)境中建立機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，定義零部件的物理特性，并施加約束關(guān)系、驅(qū)動特征、載荷等要素得到。由于ADAMS/View中幾何建模的局限性，復(fù)雜實(shí)體很難建模，所以，可在標(biāo)準(zhǔn)三維幾何建模軟件環(huán)境中完成，轉(zhuǎn)換到ADAMS/View環(huán)境中。轉(zhuǎn)換有直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換兩種。在各種三維建模軟件中，SolidWorks是較適合的，它采用的建模核心與ADAMS軟件相同，都是Parasolid實(shí)體建模形式，在直接轉(zhuǎn)換中不會產(chǎn)生或較少產(chǎn)生信息損失。在間接轉(zhuǎn)換中，SolidWorks配有插件COSMOSMotion，可以輸出為ADAMS直接讀取使用的Cmd命令文件，避免信息丟失。

2.流體系統(tǒng)模型可用多領(lǐng)域系統(tǒng)集成仿真軟件

AMESim建立。AMESim軟件提供了多學(xué)科建模平臺，具有模型庫豐富、建模簡單、分析工具齊全等特點(diǎn)。利用其中的液壓和氣動應(yīng)用庫，可以在不需要書寫任何程序代碼的情況下，建立流體系統(tǒng)的仿真模型。

3.流固耦合特性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞接口可由ADAMS/

Control模塊建立。在ADAMS中將機(jī)械系統(tǒng)模型的位移、速度等定義為接口的輸出變量，將來自流體模型的壓力等定義為接口的輸入變量，調(diào)用控制模塊ADAMS/Control創(chuàng)建ADAMS與AMESim之間的接口子模塊ADAMS_model。在AMESim中調(diào)用工具Import Adams model加載接口子模塊ADAMS_model，并設(shè)置好仿真參數(shù)。仿真時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真與流體系統(tǒng)的流體傳動仿真同時(shí)進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果由接口子模塊ADAMS_model進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，從而完成聯(lián)合仿真，構(gòu)成“液壓與氣壓傳動”課程教學(xué)的虛擬樣機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊雪榮.“液壓傳動”課程教學(xué)探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2008，（S1）.

[2]鄧曉剛，李良.液壓與氣動技術(shù)教學(xué)思考與探索[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2011，（10）.

[3]趙喜敬，張偉杰，荀杰.基于CDIO的液壓傳動與控制課程教學(xué)方法探討[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2009，（4）.

[4]王侃，楊秀梅.虛擬樣機(jī)技術(shù)綜述[J].新技術(shù)新工藝，2008，（3）.

[5]莫懷訓(xùn)，劉曉瑞.仿真教學(xué)，實(shí)例教學(xué)，以及一體化教學(xué)方法的比較探討[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2007，（3）.