虛擬仿真軟件在機械專業教學中的應用實踐

華劍 徐小兵

[摘要]該研究結合新工科建設和工程教育專業認證工程的背景，提出了將虛擬仿真軟件用于機械專業教學的方法?？傮w介紹了機械行業虛擬仿真軟件的種類、特點、功能以及適用的課程，詳細闡述了SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab這四種軟件在機械原理、機械設計、機械控制工程基礎等課程的應用、實踐表明，將上述軟件用于機械專業學生的培養，有助于提高學生的創新能力和解決復雜工程問題的能力。

[關鍵詞]機械專業;虛擬仿真軟件;創新能力;教學

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020） 02-0014-03

近年來，隨工程教育中“新工科”建設的快速開展和工程教育專業認證工作的不斷推進，國內各高校在機械工程專業的教學中越來越強調對學生科技創新能力和解決復雜T程問題能力的培養[l]。要培養上述能力，離不開科學的實踐教學體系和完善的校內外實驗基地建設[2]。但目前大多普通本科高校的機械專業實踐教學面臨如下困難：一是資金、場地和實驗人員有限，不能滿足培養方案對實踐教學所占學時、學分比例以及實驗室軟硬件建設的要求。二是考慮到對企業管理、安全生產、經濟效益等方面的影響，機械制造企業對學生實習實踐的接納程度逐年下降。三是由于教學組織、教學手段和教學方法的原因，部分實踐環節的現場教學，對提高學生能力的作用有限。四是實驗設備使用頻繁，需要定期維護及檢修，出故障的概率較高，不利于實踐教學的順利開展。借助于計算機性能的提高、網絡技術的發展以及機械工程仿真軟件的推廣，虛擬仿真實驗為解決機械專業實踐教學的上述問題提供了有效手段。虛擬仿真教學已在能源動力工程等專業[3]、機械原理、機械設計[4-6]等課程的實踐教學中得到了廣泛應用，對現場實踐教學形成了有益補充，并成了機械工程教育中的熱點。

長江大學機械設計制造及其自動化專業是湖北省品牌專業、教育部特色專業，于2012年人選教育部卓越工程師教育培養計劃。在我校機械設計制造及其自動化專業的課程體系中，機械原理、機械設計、機械創新設計、機器人技術基礎、工程流體力學與流體機械、畢業設計等課程與教學環節與工程實踐結合較為緊密。由于受到傳統教學觀念、教材內容和教學硬件設施的限制，在以往的教學實踐中，教師們主要將重點放在學生對理論知識的理解和考試知識點的掌握上，平時作業主要以公式計算為主，考試主要強調學生對概念、理論公式的記憶，而不太重視學生對理論知識在工程實際中的應用，從而導致學生會推導公式、能夠考高分，但不知如何將理論知識運用于工程實踐的情況，這就造成了人才培養與企業需求的脫節。為了使人才培養契合新工科與專業認證的要求，近年來，在專業課程教學中，我們結合石油裝備行業背景與機械制造企業需求，有針對性地在不同課程的各個學習階段引入機械工程仿真軟件，這對培養學生的創新能力和解決復雜工程問題的能力起到了良好的促進作用。

一、虛擬仿真軟件及其適用課程

隨著計算機的普及及軟件產業的發展，機械行業中所使用的虛擬仿真軟件也日益豐富，幾乎涵蓋了從實體建模、運動學仿真、動力學仿真、強度及疲勞分析的所有機械設計的方方面面，相關軟件種類繁多。由于在教學中難以逐一涉及各種軟件，我們首先根據各類軟件的特點和功能，將其加以分類，然后根據教學課程及實踐環節性質，選擇合適的軟件進行示范和應用。

我們將上述軟件分為三類。第一類為三維建模和運動仿真軟件，比如SolidWorks、Pro/E、UG、Catia、CAXA等。上述軟件具有強大的實體建模功能，其中大多數軟件能夠進行運動仿真和基本的動力仿真[7]。第二類為工程分析軟件，包括Nastran、Abaqus、Ansys、CFX、Adams等。這些軟件能夠解決機械T程中的復雜結構的強度計算、流體力學計算或動力學仿真問題[8]。第三類為數值建模與分析軟件，主要有Matlab、mathematica、Maple等。這類軟件將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計等領域提供有效的數值計算工具[9]。

通過企業調研和資料調研，我們發現在機械研究、

設計或制造領域，上述各種軟件均有較高的知名度和較大的客戶群。在結合本專業的石油機械背景，通過對上述軟件的易用性、石油相關行業接受程度等方面進行綜合分析以后，我們在上述專業課程與實踐教學環節的實施過程中引入SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab這4種軟件，著力培養學生的創新能力與解決工程實際問題的能力。

二、虛擬仿真軟件在教學中的應用

（-）SolidWorks軟件的應用

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows環境開發的三維CAD系統，它主要包括機械零件三維設計、裝配設計、動畫和渲染、工程分析和鈑金制作等模塊，功能強大，已廣泛應用于機械設計和機械制造的各個行業[10]。本專業對SolidWorks的應用有一個逐步深入、由淺入深的過程。首先是在機械原理課程中，將該軟件用于連桿機構、凸輪機構的建模與運動學仿真，在此過程中指導學生進一步建立和鞏固運動副的概念。在講解《輪系》這一章時，采用該軟件建立輪系的模型并進行運動仿真，使學生掌握輪系的組成與工作原理。通過機械原理課程，讓學生初步掌握SolidWorks的基本建模與運動仿真操作。

在機械制圖、機械設計等課程中，傳統的教學模式是“從二維到三維”，即先繪制二維圖，再根據二維圖繪制三維圖，在這種教學模式中，三維軟件僅用于建立模型和展示模型，而沒有在結構設計中發揮應有的作用。我們在教學中向學生展示采用SolidWorks建立的軸系結構、減速器等實際機械設備，并展示虛擬裝配和拆卸，使學生較為全面地了解SolidWorks的各種功能，并在機械設計課程設計、創新實踐等課程中，根據設計計算數據和制造裝配要求先建立三維模型，再生成二維圖加以完善。通過這種方法使學生普遍接受了機械設計“由三維到二維”的新理念。在此基礎上，我們通過組織學生參加全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽，進一步訓練參賽學生熟練掌握該軟件，為后續機械創新設計課程的學習以及全國大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生機械創新設計大賽等學科競賽打下堅實的基礎。

（二）Ansys軟件的應用

Ansvs是一款融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件在機械設計制造、石油化工、核工業、鐵道、航空航天、造船、輕工、日用家電等領域有著廣泛的應用[1]。在各大型機械設計研發機構及制造企業，Ansvs是一款必備軟件.其功能豐富，可求解的工程問題類型有：結構靜力分析、結構動力分析、非線性分析、熱分析、電磁場分析等。我們結合機械行業的特點，在教學中主要向學生介紹靜力學分析模塊和模態分析模塊。

在材料力學課程的理論教學中，強度計算的傳統教學方法是先推導書上的經驗公式，再結合題目對這些經驗公式加以應用。實際上，在現代機械研發過程中，重要結構件的強度計算都是需要通過工程軟件驗算的。因此，在材料力學教學中，對于桿系、簡支梁等簡單結構問題，首先由學生通過材料力學公式求出理論解，然后教他們通過Ansvs軟件求出數值解，使學生基本掌握有限元分析問題的方法，進一步將理論解與Ansvs數值解相比較，分析兩種結果的差異，這樣有助于學生發現自己解題過程中的錯誤，初步掌握Ansys的網格劃分技術，以及如何使約束施加接近工程實際。

在機械設計課程中，很多章節都涉及機構和零件在工作時所受的應力問題，如齒輪嚙合、v帶輪轉動、螺栓預緊等。機械設計教材所介紹的公式只能計算結構的最大應力，而不能說明結構的應力分布狀況。引導學生采用Ansys軟件對上述結構進行應力分析后，可使學生深入了解Ansys軟件在降低產品試制、試驗成本及加快設計進度等方面的應用，并進一步掌握該軟件的使用能力。

（_）Adams軟件的應用

Adams是一套應用廣泛的虛擬樣機軟件，在多體動力學分析方面具有強大的功能。用戶可以運用該軟件對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等，從而幫助其深入了解機械系統的運動學和動力學特性。

我們主要在機械現代設計方法、工業機器人系統仿真與實踐等課程中引入該軟件。學生在學習SolidWorks軟件的基礎上，對工業機器人進行結構建模，并通過接口導人Adams仿真軟件中，建立虛擬樣機，運用動力學方程，并添加相應驅動，完成工業機器人的動力學仿真，驗證機器人設計的可行性，為進一步進行機器人軌跡規劃和控制奠定基礎。此外，應用Adanls軟件可很方便地建立各種質量一彈簧一阻尼系統模型，直觀地顯示各種振動系統的動態過程。在機械振動等課程中，應用該軟件可加深學生對理論知識的理解，激發學生的學習興趣，培養學生的數值模擬能力。

（四）Matlab軟件的應用

Matlab是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案[12]。Matlab現已成為大學教學和科研中最常用且必不可少的工具。

我們主要在機電控制類和機械優化設計等課程中引入Matlab軟件，比如在學習機械控制工程這門課程的拉斯變換時，首先通過數學方法的詳細推導得出結果，然后采用Matlab軟件得出相同結果，使學生初步了解Matlah的強大功能與易用性，從而產生學習興趣。學習系統響應分析時，我們在理論學習的基礎上引入Matlab軟件，通過SimulinkT具箱建立控制系統的各個環節，按硬件實驗系統的方框圖進行連接，輸入各環節參數后就可進行仿真實驗。與傳統的硬件實驗相比，Matlab仿真實驗不受設備條件的限制，仿真結果精度高，對學生學習復雜機電控制系統數學模型的建立、系統動特性分析與經典的PID控制原理具有極大的啟發與幫助作用。

三、教學效果

近年來，我校在機械大類專業的教學中應用上述虛擬仿真軟件，收到了良好的教學效果。

首先體現在學生參加學科競賽方面，在大學生程實訓大賽、機械創新設計大賽等競賽巾，一般需要制作實物或模型。如果僅在二維工程圖的基礎上制作零件并組裝，通常出錯的可能性較大，很可能出現零部件制造尺寸錯誤、裝配干涉等現象，造成模型制作失敗，重新制作將大大增加費用，并影響參賽進度。通過將仿真軟件應用于方案驗證、運動動力仿真和優化設計，可提高設計效率，便于對設計方案進行快速修改和優化，保證零部件制作和裝配一次成功，既能節約時間和制作成本，義能提高競賽成績。

其次在本專業畢業設計巾，虛擬仿真軟件得到了普遍應用。比如學生在進行油田游梁式抽油機設計時，首先進行四桿機構設計，推導機構運動學方程，用Matlab軟件繪制懸點位移、速度和加速度曲線，然后采用Solicl-Works軟件進行機構運動模擬，對比兩種結果后判斷公式推導是否正確;然后進行結構設計，采用SolidWorks建立抽油機零部件模型并進行模擬裝配。在此基礎上采用Ansvs軟件對重要零部件進行強度校核，最后采用Adams軟件進行抽油機動力仿真，驗證所設計的抽油機的動力學性能和節能特性。通過這樣一個方案設計、運動仿真、結構設計、強度分析、動力仿真的完整過程，較好地表現了機械產品技術開發流程，學生通過畢業設計的訓練，提高了白身的畢業設計質量和設計能力。

四、結論

機械大類專業人才的培養離不開理論與工程實踐相互結合、相互促進。在新T科建設和專業認證的背景下，結合機械行業計算機化和信息化發展趨勢，在教學過程巾采用虛擬仿真軟件，充分發揮現代化教學手段的優勢，理論與實踐并重，將有利于充分發揮學生在學習中的主體作用，貫徹基于產出導向的教學理念，激發學生的學習興趣，引導學生開展研究性學習，培養創新意識，從而提高教學效果和質量，使畢業生達到認證標準規定的畢業要求。

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[責任編輯：龐丹丹]

[收稿時間] 2019-03-18

[基金項目]湖北省教學研究項目“基于虛擬仿真技術的機械類專業實驗教學綜合改革研究”（2014261），

[作者簡介]華劍（1977-），男，江蘇江都人，博士，教授，研究方向：石油裝備。