基于ANSYS的機械設計基礎教學資源庫建設

張玲艷 邱水才

摘 ?要：以學院2018級過程裝備與控制工程專業學生為試驗對象，在二年級初期采用興趣報名的形式選取了24名學生進入“ANSYS機構運動分析資源庫”建設學習組。利用課余時間進行了軟件學習及資源庫框架的搭建與實現。從課程期末考試和機械設計課程設計的完成結果來看，資源庫的建設既提高了學生學習的興趣和積極性，也拓寬了傳統教學的內涵模式，為機械設計基礎課程教學資源庫的建設起到了一定的推進和借鑒作用。

關鍵詞：教學資源庫;機械設計基礎;ANSYS

中圖分類號：TP391.9;G434 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0196-03

Construction of Teaching Resource Library of Mechanical Design Foundation

Based on ANSYS

ZHANG Lingyan， QIU Shuicai

（Changzhou University Huaide College， Jingjiang ?214500， China）

Abstract： Taking the college， s class of 2018 process equipment and control engineering students as the test subjects， 24 students are selected to enter the “ANSYS Organization Motion Analysis Resource Library” construction study group in the form of interest registration at the beginning of the second year. The software learning and resource base framework， s construction and implemention are carried out in spare time. Judging from the results of the final examination of the course and the completion of the mechanical design course design， the construction of the resource bank has not only increased the interest and enthusiasm of students in learning， but also broadened the connotation mode of traditional teaching， which has played a promotion and reference role in the construction of the teaching resource bank of fundamentals of mechanical design courses.

Keywords： education resource base; fundamentals of mechanical design; ANSYS

0 ?引 ?言

為了適應時代科技和產業發展變革，各高校圍繞課程設置、課程教學內容、教學方式手段和課程教學資源庫等方面，不斷地進行改革創新。機械設計基礎課程作為機類和近機類專業必修的重要專業基礎課，在基礎課和專業課之間起橋梁銜接作用。針對機械設計基礎課程的教學資源庫的建設，目前普遍采用教具模型和網絡教學視頻等資源，如慕課、微課視頻資源等。為了進一步加深學生對典型機構和零部件結構特征的認識，劉欣玉等采用SolidWorks軟件為二次開發平臺，建立了常用機構的動畫視頻教學資源庫[1]。王宣借助于MATLAB軟件，以項目化教學為目標建立教學資源庫，實現了教案，習題、課件PPT等資源的匯總，搭建了師生公用平臺[2]。張星等利用AutoCAD二次開發平臺建立了凸輪機構的運行動畫[3]。

目前建立的教學資源庫能使機構及零部件的空間結構形象直觀化，也能展示裝配零部件的相對運動關系，很大程度上強化了學生對機器和機構的感性認識[4，5]。但是對于機器或機構運動起來之后的動力學問題，如運動時從動件的位移、速度和加速度隨著時間的變化情況等方面的資源缺乏，借助ANSYS軟件以凸輪機構為實例，建立了凸輪機構的模型并對其進行結構動力學分析，得出了從動件的位移、速度和加速度隨時間變化的曲線。另外，學生可在結構參數合理的范圍內，輸入不同的尺寸參數獲得對應的運動關系曲線。提高了學生感性認識的同時，進一步延伸了其對機構運動特性的理解和掌握，對于提高學生的機械設計能力有較強的實際意義。

1 ?機械設計基礎教學資源庫建設架構

1.1 ?機械設計基礎教學資源庫建設總體內容

圍繞學生為主體，以提高學生的工程應用能力為目的。機械設計基礎教學資源庫的建設內容主要包括以下模塊：動畫視頻資源庫、PPT課件資源庫、習題作業資源庫、課程設計資源庫、ANSYS機構運動分析資源庫等，重點研究“ANSYS機構運動分析資源庫”的建設。

各模塊的具體內容和能實現的功能要求如以下所示：（1）“動畫視頻資源庫”包括：平面連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、輪系、間歇運動機構和帶傳動、鏈傳動機構的動畫視頻。通過學習動畫視頻資源庫，學生可以在課前自主進行視頻學習，加強學生對即將所學機構的感知認識，加深學生對各機構的結構構成的理解和掌握。（2）“PPT課件資源庫”包含：電子版教材、課件PPT、課程教案、教學大綱以及其他微課視頻參考資料等。（3）“習題作業資源庫”主要有：自測練習庫（填空題和選擇題）、課后作業習題庫（計算題、作圖分析題和思考簡答題）、創新作業交流區。所設習題作業資源庫與課程教學內容同步接軌，考核學生對知識點的掌握程度，加深學生對知識點的理解。（4）“課程設計資源庫”內含：常用設計標準和規范、減速器設計實例、設計參考圖例和其他裝置設計探討等，旨在讓學生了解相關國家標準和行業標準的同時提高學生的創新意識和實踐設計能力。（5）“ANSYS機構運動分析資源庫”主要有：平面連桿機構、凸輪機構和齒輪機構ANSYS分析資源庫，通過對各機構進行結構動力學分析，了解機構中構件的瞬時速度和瞬時加速度隨時間的變化情況。

1.2 ?ANSYS機構運動分析資源庫建設

ANSYS機構運動分析資源庫目前含有平面連桿機構、凸輪機構和齒輪機構庫，其框架如圖1所示。

課堂教學前，資源庫的學習使用有利于滿足輔助導學的要求。在學習完相關機構的內容之后，學生可以根據自己的興趣和需求，對不同機構的動力學問題進行研究和分析，通過在對應資源庫的ANSYS程序中輸入不同的結構參數并運行，可得到機構的瞬時速度和瞬時加速度隨時間的變化情況。學生可對比ANSYS運行結果和自己通過作圖法或解析法獲得的結果，在對結果比較和分析的過程中，學生對機構的空間運動情況的認知能力得到提高，有利于培養學生的工程創新能力。

2 ?實例分析

以凸輪機構為例，圖2所示為一對心尖頂直動從動件盤狀凸輪機構，從動件位移s隨時間的變化曲線圖如圖3所示。

借助ANSYS機構運動分析資源庫，可直觀清晰的向學生展示從動件隨凸輪的運動情況，能形象地顯示凸輪機構的推程、遠休止、回程和近休止四個運動過程，及每個過程對應的凸輪轉角及從動件的行程位移。

1—盤狀凸輪;2-尖頂從動件

圖4和圖5分別是從動件位移和速度隨時間變化曲線圖及位移和加速度隨時間變化曲線。通過展示ANSYS機構運動分析資源庫中的凸輪機構，學生能夠較快地理解凸輪機構四個運動過程中涉及的名詞概念，能高效地將理論知識和應用結合起來。

3 ?建設效果

將2018級過程裝備與控制工程專業49名學生分成兩小組，其中，24名學生為“ANSYS機構運動分析資源庫”學習小組成員，另外25名學生為非學習小組成員。對于學習小組成員，他們可以利用課余時間進行了軟件學習及資源庫框架的搭建與實現，小組成員還各負其責，并能互幫互學，在學習過程中師生關系和諧，學生對資源庫學習充滿熱情，樂于動手收集和動腦學習處理問題。從課程學期期末考試和三年級上學期的機械設計課程設計的完成質量來看，成績在80分及以上的學生中，學習小組成員占比高達93.6%，其對于課程知識點的掌握情況明顯比另外非教改成員更扎實。

在ANSYS機構運動分析資源庫的學習和使用過程中，激發了學生對機械設計基礎課程的學習興趣，鍛煉了學生自主學習發現問題、解決問題的能力，同時給學有余力的學生提供了個性化學習的空間。學習組學生對機器及機構的動態感知能力明顯提高，提升了學生相關知識的遷移運用能力和創造性思維水平。

在資源庫建設的過程中，教師對機械設計基礎課程的知識系統進行了一次全面的歸納和整理，教師的教學素質得到較大提升的同時，也擴寬了學科綜合知識的儲備量。在教學的過程中，資源庫的應用豐富了教學素材，活躍了課堂教學氛圍。資源庫的共建共享提高了教師的備課效率，對于課程改革的進一步推進和發展打下了良好的基礎。

4 ?結 ?論

學生對于專業類課程的學習，不應該僅僅滿足于課堂知識的掌握，還需要依靠相關知識的應用和實踐來深化和豐富專業知識內容。工科類專業學生對各種機構的結構認知和其動力學性能的準確分析能力是必須具備的基本技能，在這個過程中學生需要將內容繁多、不易理解且較為分散的知識點在一定的學時內學習完成。

建立的機械設計基礎教學資源庫，特別是“ANSYS機構運動分析資源庫建設”，不僅能形象直觀地展示出平面連桿機構、凸輪機構和齒輪機構的結構組成，更能直接仿真得出三種機構中從動件在任意位置處的位移、速度和加速度隨時間的變化曲線，不需要通過大量的數學計算和解析就可以快速獲得機構的動力學分析結果，這對于基礎薄弱的學生和有個性化學習要求的學生十分友好。資源庫的建設很大程度上提升了學生的學習效率和學習質量，書面的理論資料和三維模型的運動分析之間合理的結合，構建了直觀形象、豐富有趣的學習網絡，教師也可以根據資源庫中學生習題作答的反饋情況，對學生進行有針對性的教學和輔導。

課程教學資源庫的建設是一個需要不斷改進和長期完善的過程，對于“ANSYS機構運動分析資源庫建設”中其他機構模型的建立和完善以及相關參數輸入界面的優化改進仍在不斷地思考中。作為首次運用ANSYS建立機構運動分析資源庫的院校，對于已經建立好的資源庫，可以提供為其他兄弟院校共享使用，并起到一個拋磚引玉的參考作用，具有一定的示范意義。

參考文獻：

[1] 劉欣玉，潘露，劉瑞，等.基于MATLAB的機械設計與應用教學資源庫集成設計 [J].凱里學院學報，2015，33（6）：105-106.

[2] 王宣.基于SolidWorks的機械基礎課程教學資源庫開發 [J].重慶科技學院學報（自然科學版），2017，19（4）：100-103.

[3] 張星，徐維雄.基于“機械設計基礎”課程的教學資源庫研究 [J].現代信息科技，2020，4（2）：112-115+118.

[4] 王春玲.高職機械設計實訓微課程資源庫建設與應用研究 [J].科技經濟導刊，2019，（2）：143-144.

[5] 劉瑞，劉欣玉.“機械設計與應用”翻轉課堂交互式教學模式的探索 [J].機械職業教育，2016（2）：33-34.

作者簡介：張玲艷（1982—），女，漢族，江西九江人，副教授，碩士研究生，研究方向：高等教育學。