虛實結合的機械設計實驗教學方法

寧方立, 王 琳

(西北工業大學 機電學院，西安 710072)

虛實結合的機械設計實驗教學方法

寧方立, 王 琳

(西北工業大學 機電學院，西安 710072)

以培養高素質的機械工程專業人才為目標，針對以實物為基礎的機械設計實驗教學中存在的問題，結合機械工程專業知識面廣、系統性強、與工程結合緊密等特點，在機械設計實驗的實踐過程中，建立了以工程認知、表達、分析為主線，以代表性的真實機械零件——帶傳動、螺栓為對象的虛實結合機械設計實驗。采用虛擬實驗與實物實驗相結合的實驗教學模式，通過實物實驗教學、虛擬實驗教學和理論教學相融合的方式，全面推進和提高學生實踐能力培養。

虛實結合; 機械設計; 實踐教學

0 引 言

機械工程專業的特點是實踐性強，因此實驗環節在教學中占有舉足輕重的地位[1-6]。“機械設計”以往所采取的教學模式主要是“課堂教學+實驗教學”：課堂教學主要是教師講解的方式，實驗教學環節由實驗教師指導學生在實驗室完成。現有的實驗課程存在的主要問題是：因課時限制，有限的實驗學時主要集中在驗證性實驗上——主要是驗證書本上的內容。驗證性的學習盡管是不可缺的，但還是處于對知識的認知層面，不能對所學習知識深入解析，很難激發學生的積極性和創造性[7-9]。另外，由于辦學規模的擴大，實驗室儀器設備的短缺問題也日益突出，難以滿足教學質量的要求。

隨著計算機和網絡技術的不斷發展，虛擬仿真技術日益成熟，大機械系統背景、計算機支持的全生命周期產品研發技術，也都要求充分發展虛擬仿真實驗教學[10-14]。因此，將虛擬仿真技術引入到實驗教學中將會成為必然趨勢[15-16]。

機械工程專業如何通過虛擬化技術補充與拓展實物實驗，開展實驗教學，構建現代機械工程實驗教學體系成為當務之急。我校機械基礎與航空制造虛擬仿真實驗教學中心獲批2013年度首批國家級虛擬仿真實驗教學中心。為解決機械工程專業人才培養與實踐教學所面臨的上述問題提供了很好的平臺。機械基礎與航空制造虛擬仿真實驗教學中心依托我校機械基礎國家級實驗教學示范中心(簡稱實驗中心)，旨在“以社會需求為牽引，以實驗教學與科研相協同、實踐教學與產業相協同”的實驗教學理念，涵蓋專業基礎層、專業層、跨專業層的實驗與實踐教學內容，對機械工程專業實踐教學模式進行探索，全面推進學生實踐能力培養。

本文以代表性的真實機械零件——帶傳動、螺栓為對象，建立虛實結合的機械設計實驗。采用全虛擬實驗與實物實驗相結合的實驗教學模式，通過實物實驗教學、虛擬實驗教學和理論教學相融合的方式，為全面建立虛實結合的機械工程實踐教學模式奠定基礎。

1 虛實結合在機械設計實驗教學中的典型應用

1.1 帶傳動性能測試實驗

帶傳動在機械傳動中廣泛使用，也是機械設計課程中的基礎實驗之一。帶傳動實驗是讓學生觀察帶傳動的彈性滑動和打滑現象；了解帶的初拉力、帶速等參數的改變對帶傳動能力的影響，測繪出彈性滑動曲線, 掌握轉速、扭矩、轉速差及帶傳動效率的測量方法。

要實現上述的實驗內容和目的，實物實驗環節是必不可少的，因此,采用一臺智能帶、鏈傳動組合實驗臺(見圖1)，該實驗臺通過4路數字顯示信息，在不同負載的情況下，學生手工抄錄主動輪轉速、轉矩和被動輪轉速、轉矩，然后根據此數據計算并繪出彈性滑動曲線和傳動效率曲線。該實驗臺除了具有傳動帶彈性滑動曲線和傳動效率曲線測試功能之外，還增加了傳動主動帶輪與被動帶輪在傳動過程中轉速波動曲線測試功能，能夠更直觀地觀察傳動帶的彈性滑動狀況。

圖1 智能帶、鏈傳動組合實驗臺

帶傳動彈性滑動從緊邊到松邊的變化過程是一個漸進的現象，在以實物為實驗臺的實驗中難以觀察和觀測。因此，考慮將虛實進行結合。①由實驗臺通過S232串行線，將實驗裝置與PC機直接連通。隨帶傳動負載的逐級增加，計算機能根據專用軟件自動進行數據處理與分析，并輸出滑動曲線、效率曲線、轉速波動曲線和所有的數據。②通過這些數據輸入到自行編寫的虛擬仿真程序中，學生可以通過該程序了解彈性滑動的變化全過程(見圖2)。

圖2 帶傳動系統運行演示

學生還可以通過觀察標注于皮帶和帶輪上兩個色塊的運動位置變化，對從動輪處彈性滑動過程進行深入學習(見圖3)。

圖3 從動輪上的彈性滑動演示

1.2 螺栓性能測試實驗

現代各類機械工程中廣泛應用螺栓組機構進行聯接。如何計算和測量螺栓受力情況及靜、動態性能參數是工程技術人員面臨的一個重要課題。

因此，在這個實驗中也采用虛實結合的實驗方法。首先，通過實物的螺栓組及單螺栓聯接靜、動態綜合實驗臺(見圖4),讓學生了解和掌握實際工程中螺栓性能的測試方法和手段，特別是掌握如何測量螺栓的應變量來分析螺栓的應力和剛度。

圖4 螺栓組及單螺栓聯接靜、動態綜合實驗臺

該實驗臺的主要功能為：①螺栓受預緊軸向載荷作用時，測量螺栓的剛度C1、被聯接件的剛度C2、和聯接體相對剛度C3。并了解受預緊軸向載荷螺栓聯接中，零件相對剛度的變化對螺栓所受總拉力的影響。②測試并繪制螺栓受交變拉應力作用時，螺栓、被聯接件之間的變形曲線和變形協調圖。③通過改變螺栓聯接中零件的相對剛度，觀察螺栓中動態應力幅值的變化。④分析螺栓的預緊力對應力的影響以及對螺栓疲勞強度的影響。⑤分析螺栓的剛度對應力的影響以及對螺栓疲勞強度的影響。⑥分析被聯接件的剛度變化對應力的影響以及對螺栓疲勞強度的影響。

但是，在螺栓受載的過程中，存在螺栓桿被拉長，被連接件被壓縮的變形協調過程。另外，還存在預緊力變化的過程。這些過程由于螺栓的剛度較大，在實物實驗中，變形量較小，故難以觀察和觀測。因此，筆者將實物實驗臺中的載荷同步輸入到自行開發的螺栓受載虛擬仿真實驗平臺中。通過該平臺以形象直觀的方式將螺栓的受力和變形過程展示出來(見圖5、6)，使學生對螺栓的加載過程有更深入地了解和認識。

圖5 螺栓加載前的結構示意圖

圖6 螺栓加載后的結構及受力分析圖

2 結 語

以培養高素質的機械工程專業人才為目標，針對實物實踐教學中存在的問題，結合機械工程專業知識面廣、系統性強、與工程結合緊密和新技術發展迅速等特點，秉承“能實不虛，虛實互補”的實踐教學理念，采用虛擬實驗與階段實物實驗相融合的實驗教學模式，通過實物實驗教學、虛擬實驗教學和理論教學相融合的方式，全面推進學生實踐能力培養。使學生具備良好繼續培養的理論基礎，為通過研究生階段的培養發展，成為創新型的機械設計工程師打好基礎。

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Experimental Teaching Method Based on Virtual-Real Integration for Mechanical Design Course

NINGFangli,WANGLin

(School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In order to train high-quality talents of mechanical engineering major, an experimental teaching method based on virtual-real integration for mechanical design course is developed. The present experimental teaching of mechanical design course is mainly based on the object teaching. However, the mechanical engineering major has the characteristics of knowledgeable, systematic, and well-knit with practical engineering. The new experimental teaching method employs acknowledgement, expression, and analysis as the basic principles and takes two representative mechanical parts, belt drive and bolted connection, as the study objectives. Based on the proposed integration of object teaching, virtual teaching, and theory teaching, the students’ practical ability can be greatly improved.

virtual-real integration; mechanical design; experimental teaching

2016-05-18

陜西省高等教育教學改革研究項目(15BZ08)：西北工業大學校級教改項目

寧方立(1974-)，男，山東泗水人，博士，教授，博士生導師，國家級機械基礎實驗教學中心主任，主要從事機械設計及理論。

Tel.：029-88493927；E-mail：ningfl@nwpu.edu.cn

G 642.4

A

1006-7167(2017)02-0165-03