虛擬樣機技術在應用型本科機械原理課程教學中的應用

韋丹柯等

[摘 要]傳統教學方法不能滿足應用型本科教育“突出實踐、強化應用”的要求。在機械原理教學中應用虛擬樣機技術進行運動學、動力學仿真和分析，可以激發學生學習興趣，提高教學質量，培養理論和實踐相結合的應用能力。

[關鍵詞]ADAMS 機械原理 教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）07-0123-02

應用型本科教育是以培養知識、能力和素質全面協調發展，面向生產、建設、管理、服務一線的高級應用型人才為目標定位的教育。筆者結合自身的教學實踐和應用型本科的教學目標，根據課程的特點，在《機械原理》課程教學及實踐環節中有針對性地應用虛擬樣機技術軟件，取得了良好的教學效果。

一、傳統教學模式的不足

《機械原理》課程是機械類專業重要的專業基礎課程，起著從基礎課過渡到專業課，從理論課程過渡到結合工程實踐的承前啟后關鍵性作用，與工程實踐的聯系極為緊密。

目前該課程的教學模式依然沿用傳統的以教師為中心的知識傳授型，主要是在課堂上進行陳述性的知識講解，多采用板書講授、出示掛圖和模型的方法進行教學。雖然近年來逐步采用多媒體教學，但也僅是普通ppt，無法動態演示機構的運動，不利于學生形成直觀印象，不能夠理解機械產品結構和功能之間的關系?？傮w而言，傳統教學模式存在著“重理論輕實踐、重理論傳授輕學生能力培養”的缺陷。由于該課程涉及知識面廣、知識點多，而且學生普遍缺乏工程實踐經驗，因此學習難度大，學生的感受大多是“機械原理不好學，實踐應用更無從下手”，無法達到應用型本科教學的目標，對此進行改革勢在必行。

二、教學中引入虛擬樣機技術的目的

虛擬樣機技術是設計制造領域的一項新技術，它利用計算機軟件建立機械系統的三維實體模型，進行運動學和動力學分析，可以快速、準確、直觀地分析和評估機械系統的性能。目前已出現多種虛擬樣機技術軟件，市場占有率較高、應用較為廣泛的是由美國MSC公司研發的機械系統動力學自動分析軟件（Auto Dynamic Analysisof Mechanical System，以下簡稱ADAMS）。

ADAMS具有易教、易學、易用的特點，使用者只要掌握了基本的機械原理知識和計算機操作就可以完成常用機構的建模、仿真和分析。

（一）改變教學模式，提高教學質量

指導學生利用ADAMS完成機械原理中常見機構，如連桿機構、凸輪機構和齒輪機構等的建模，等于將實驗室、生產現場搬入教室，讓學生從多個角度觀察各種常見機構。學生建模的過程也是自主參與學習的過程，從而變枯燥的傳授性講授為教師主導的學生自主學習，增強了學生的感性認識，激發學習興趣，實現理論和實踐相結合，有效地提高教學質量。

（二）提高學習積極性，培養學生能力

利用ADAMS進行運動學分析，速度快、精度高，可以幫助學生克服因傳統方法使用不便而形成的畏難情緒，讓他們了解、掌握現代計算機輔助機械設計的方法，提高學習積極性，為自身綜合素質的全面提高奠定良好的基礎。

三、教學中虛擬樣機技術的應用

（一）在理論教學中的應用

機械原理課程所涉及的知識面廣，具有“模型多、關系多、門類多、公式多、圖形多、表格多”的特點，相對枯燥且難以理解，因此要求教師在教學中需時刻注意，深入思考，不斷探索如何激發學生的學習積極性。筆者在教學過程中，根據教學內容需要利用ADAMS制作各種常用機構的三維模型并多角度動態演示機構的運動，使教學內容直觀、生動，吻合了學生涉新獵奇的心理愿望，有效地激發了學生的興趣。圖一為利用ADAMS建立的行星輪系模型。

此外，筆者針對教學難點，指導學生利用ADAMS創建機構模型，可以有效幫助學生掌握機構組成及運動特點，降低學習難度，取得很好效果。

傳統的凸輪設計無論是用圖解法還是解析法，其原理都是“反轉法”，即在選定推桿的運動規律和確定凸輪機構的基本尺寸（基圓半徑和偏距等）的前提下，假設凸輪靜止不動，使推桿相對于凸輪沿-ω方向做反轉運動，同時又在其導軌內按選定的運動規律作預期的運動，推桿在這種復合運動中其尖頂的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。

利用ADAMS設計凸輪采用的是相對軌跡曲線生成實體方法，只需要定義凸輪的轉速、偏距和基圓半徑以及推桿的運動規律，仿真凸輪和推桿在各自運動規律驅動下所做的運動，利用ADAMS提供的捕捉運動點軌跡功能，可得到推桿尖頂相對凸輪的運動軌跡，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體。這種方法可以有效降低學習難度，使教學難點更加清晰、生動，學生可以直觀地、全面地了解凸輪設計過程，在短時間內理解并掌握尖頂推桿盤型凸輪機構的設計方法，達到教學大綱要求。對學有余力的學生，則要求他們利用課余時間完成綜合應用三維建模軟件（UG、Pro/E）和ADAMS進行滾子推桿盤型凸輪機構的設計，從而化教學難點為學習興趣點，進一步提高學生的學習積極性。圖二為利用ADAMS設計的凸輪機構示意圖。

（二）在課程設計中的應用

機械原理課程的課程設計是培養學生機械設計綜合能力、創新能力的重要環節，一般分為兩個階段：第一階段是方案設計，第二階段是尺寸綜合、運動分析和受力分析。第二階段進行運動分析和受力分析的方法通常是圖解法和解析法，運用圖解法時，一張圖紙只能完成一個位置的分析，且準確性差；運用解析法時，無論數學模型的建立還是計算程序的編制相當繁瑣。實踐證明無論是采用哪種方法，學生都需要大量的時間才能完成，不能提出多種設計方案進行對比分析，從而影響了綜合能力和創新能力的培養。

利用ADAMS完成運動分析和受力分析，可便捷地建立全參數化的機械系統模型，快速地完成運動學和動力學仿真，以曲線圖和動畫形式輸出分析結果，能夠讓學生直觀地看到自己的設計成果，增強學生的成就感和自信心；學生也可以采用不同方法驗證圖解法或解析法分析結果精度，保證學生能按時、高質量地完成課程設計。圖三為指導學生利用ADAMS完成的牛頭刨床運動分析示意圖。

利用ADAMS的參數化建模，還可以自動改變設計變量完成優化設計，找出設計的最優方案，可以彌補學生由于缺乏設計經驗，在尺寸綜合過程中犯下的錯誤。

此外，利用ADAMS完成課程設計，還可以進行多種方案的對比分析，鍛煉學生的綜合應用能力，讓想象力和創造力得到充分發揮。

四、結語

將虛擬樣機技術引入機械原理課程教學，將傳統的教學方法和現代的計算機輔助設計有機地結合為一體，可以改變原有較為陳舊的分析方法，有利于實現教學模式的轉變，實現理論和工程實踐相結合；能有效地激發學生的學習積極性，使教學質量大為提高。無論是在課堂教學還是在課程設計中，以ADAMS為代表的虛擬樣機技術都能得到充分的應用，有利于學生掌握現代機械設計的手段和方法，培養他們應用和創新的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李大勝，石懷榮，呂明.應用型本科院校機械原理課程教學改革與實踐[J].淮海工學院學報，2012（2）：90-92

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

[3] MSC公司.ADAMS/View軟件手冊.

[4] MSC公司.ADAMS/PostProcessor軟件手冊.

[責任編輯：鐘 嵐]