工程模型創新在新時期大學中的實際應用

周天亮++陳明月

摘要：

結構模型設計為學生提供了綜合運用所學專業知識程專業學生的重要學科，是極富創造性，挑戰性的科技競技的最佳機會。專業結構模型設計大賽已成為培養大學生創新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環節。文章從結構模型競賽中材料選用和設計原則的角度出發，分析了結構模型競賽在培養學生創新能力、計算能力和綜合素質等方面發揮的作用，探討模型制作應注意的問題以及與實際工程的關系，對未來結構模型競賽發展方向提出建議。

關鍵詞：工程；創新；實踐；設計；模型制作

工程模型創新依托我校已有的工程類專業，在對其進行細致的學習了解后，利用其專業知識以及對已有模型成果的轉化，進行新的工程模型創新項目，以往的工程模型大多以學院安排的課程實驗為主，學生完成的過程中大多對老師產生嚴重的依賴性，目的性不明確，所以導致其創新性嚴重不足，并且課程實驗中的模型制作多為“填鴨”教育，學生對模型的思考及創新結果可想而知。

工程模型創新項目是在明確立題的基礎上全部由學生本人自主完成，其成果在后期由指導老師設定標準后統一進行測評，檢驗其創新性，并與傳統的成果進行比較，總結經驗成果。

1、研究項目與研究方法

1.1研究項目

1.1.1 其中以土木結構設計為首，旗下主要作品為龍門式起重機（gantry crane）是橋式起重機的一種變形，俗稱龍門吊、龍門起重機。龍門式起重機是門式起重機的象形說法。主要用于室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業。整體結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。龍門式起重機具有場地利用率高、作業范圍大、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。

如圖 1 所示的桁架梁式龍門起重機是由角鋼或工字鋼焊接而成的，優點是造價低，自重輕，抗風性好。但是由于焊接點多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有撓度大，剛度小，可靠性相對較低，需要頻繁檢測焊點等缺點。適用于對安全要求較低，起重量較小的場地。

1.1.2其二塔吊，其結構是一種常見的工程結構，廣泛應用于建筑工程、橋梁工程、安裝工程、交通工程等領域，是一種需求量大，安全性要求高的結構。塔吊模型，模型包括塔架（及其下部延伸部分）、起重臂、平衡臂等構件，其構造示例如圖 2所示。模型采用竹條材料制作，現場完成模型的塔架結構部分（包括下部延伸部分）和吊臂部分（包括起重臂、平衡臂及其上面所有結構）。

1.1.3其次為3D打印（3DP）即快速成型技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通

過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。通過對其技術核心的自主學習，加強自己的創新能力和動手操作能力，我們通過結合學校現有的實驗器材，進行創新設計，3D打印，最后做出實體模型。

其部分成果展示：

1.1.4 在此基礎上，進行了較大模型的學習和制作，以拖拉機模型為例，對拖拉機的整體原理進行了仔細的分析和學習，經多次試驗失敗后，總結經驗，最終成型。

部分成果展示：

1.2研究方法

結合工程類基礎課程的理論力學、材料力學、機械學、機械原理、機械設計等一系列的專業知識，與現代創新項目接軌，其資料查詢來源于本校網絡圖書館及其他網絡文獻。

經過一系列的測算后，通過大家討論后得出集中稱重性能及力學結構較好的進行拼裝實驗與改進；通過UG等三維軟件的繪畫、渲染、結構的運動仿真等進行前期的預實驗，之后采用3D打印的方式進行實際的操作。

使用竹條和膠水制作一龍門式起重機結構，下部具有至少長 600mm，寬 350mm 的立面空間，將在頂部梁的中央懸掛一質量為 10Kg 的加載配重，要求結構在此工況下不發生破壞。塔吊起重臂和平衡臂的配重點位置應設置一根較粗的橫梁以方便加載掛鉤的安放，橫梁和周邊構件不能妨礙加載，加載掛鉤直接懸掛在橫梁中間位置；起重臂和平衡臂的配重點在底板平面的投影位置到塔架底板中心距離分別為400mm和200mm。模型采用竹條材料制作，通過理論計算與實踐測定其性能。

2、 結果與分析

2.1方案構思：

塔吊采用懸挑桁架結構，四邊形豎直支座穩如泰山浩然正氣，上端呈三棱錐的懸挑整體桁架在繼承傳統造型的意義上又不失改革創新。整體給人一種“似曾相識”卻又“未曾謀面”的意境。在整體形象給人帶來親和力的同時，理性技術的表現也毫不遜色：“k”形斜撐就極具藝術感染力清晰地體現了力與美。塔吊整體外觀通透、純凈、輕盈、精巧。

結構制作：

力學可分析，三角形是最穩定的結構，利用三角斜撐的穩定性，結構上部荷載就可逐層分解到下部支架，受力均勻，從而使整個結構穩定。考慮到比賽中模型先后受到豎向荷載和側向荷載，其中以側向荷載為主要控制荷載，模型結構選擇了框架和柱間斜撐構成的框架—斜撐體系，框架結構主要承受豎向荷載，斜撐體系主要承受側向荷載，從而保證結構具有足夠的側向剛度，控制其側向位移在規定范圍內。

結構采用圓形桿，制作簡單，抗壓性、抗拉性都較出色。根據各桿件不同的受力情況，其直徑選擇也各不相同。通過制作工藝，使桿中紙與紙之間貼合緊密，強度保持在受力范圍內，減輕了桿的自重，達到了節約材料的目的。

2.2 方案構思：

龍門式起重機采用拱形桁架結構，三角形豎直支座，上部采用拱形三角形桁架。

2.3 以抽油機為例，大慶做為石油之城，全城遍布了游梁式抽油機，他主要通過連桿機構換向，曲柄重塊平衡的抽油機，俗稱磕頭機。游梁式抽油機是油田目前主要使用的抽油機類型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機的傳動經變速箱、曲柄連桿機構變成驢頭的上下運動，驢頭經光桿、抽油桿帶動井下抽油泵的柱塞作上下運動，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。教師在教學過程中，也會不只一次的提到，所以我們進行了實地的測量與觀察，并手繪出一個抽油機的運動模型，經過等比例縮放，用UG軟件進行了實際的建模，把抽油機的運動類型及軌跡，進行了參數化，進過有限元分析，確定了實際可行的模型結果。然后經過3D打印機的成型，最后得出一個抽油機的實體模型，可以模仿抽油機在實際工作過程中的運動情況。

在機械加工中，牛頭刨床是常見的加工工具。中小型牛頭刨床的主運動大多采用曲柄搖桿機構（見曲柄滑塊機構）傳動，故滑枕的移動速度是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動，滑枕基本上是勻速運動。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時不切削，牛頭刨床的生產率較低。機床的主參數是最大刨削長度。牛頭刨床主要有普通牛頭刨床、仿形牛頭刨床和移動式牛頭刨床等。普通牛頭刨床（見圖）由滑枕帶著刨刀作水平直線住復運動，刀架可在垂直面內回轉一個角度，并可手動進給，工作臺帶著工件作間歇的橫向或垂直進給運動，常用于加工平面、溝槽和燕尾面等。仿形牛頭刨床是在普通牛頭刨床上增加一仿形機構，用于加工成形表面，如透平葉片。移動式牛頭刨床的滑枕與滑座還能在床身（臥式）或立柱（立式）上移動，適用于刨削特大型工件的局部平面。

我們這次設計中，對牛頭刨床的運動進行了簡化。簡化為床身、導軌、滑臺、刀頭、夾具等幾部分。驅動部分的電動機用手輪來代替，主要體現牛頭刨床在加工過程中的運動方式。還可以用作機械原理的教具，方便老師上課講解。

3、討論

目前大學生自主創新意識薄弱，現如今包括教育界在內的主流社會已經達成共識：提升當代大學生的創業創新能力是各個高校教育的核心內容，以此思路為指引，提升大學生自主創業和自主創新的項目如雨后春筍般出現。目前，各高校相繼開展工程模型設計大賽、申請創新項目等，但缺乏專業的指導和實踐，將模型應用到生產實踐更是少之又少。

結構模型設計與實際工程設計有著緊密的聯系，其設計過程與實際結構設計過程大同小異。結構模型設計過程需要結構工程學科的基本理論知識和專業知識，是了解學生是否掌握力學基本原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結構構件的力學性能和計算原理等的最直接檢驗 ，可為學生今后從事結構工程設計、施工、管理以及研究開發等實踐性工作打下基礎。但是由于結構模型在幾何外形上遠遠小于實際結構，因此二者在材料選用、材料性能、設計原則、制作加工工藝等方面存在很大的差別。

[參考文獻]

[1]《結構力學》王蔭長等編、冶金工業出版社.

[2]《結構力學》（上、下冊）（第四版）楊茀康編、高等教育出版社.

[3]《結構力學》（上、下冊）（2004） 李廉錕編、高等教育出版社.

[4]《機械原理》鄒慧君、張春林、李杞儀主編（第二版）高教出版社2006.

[5]《機械設計及理論》李柱國、許敏主編科學出版社2003.

1 黑龍江八一農墾大學大學生創新創業訓練計劃項目 項目名稱“工程模型創新團隊”

2 通訊作者：陳明月（1983，9-），漢族，黑龍江哈爾濱市，理學碩士，黑龍江八一農墾大學工程學院輔導員，講師。

（作者單位：黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）