基于ADAMS在“機械原理”教學中的應用研究

肖啟明 錢利霞

（重慶三峽學院機械工程學院，重慶萬州 404100）

基于ADAMS在“機械原理”教學中的應用研究

肖啟明 錢利霞

（重慶三峽學院機械工程學院，重慶萬州 404100）

借助ADAMS多體動力學軟件分析了其在機械原理教學中的應用研究．針對傳統(tǒng)教學方法在機械原理課程中的問題，將ADAMS軟件引入到課程教學中，補充了傳統(tǒng)教學的不足，為學生展現(xiàn)了機械機構的構成、運動副、機械動力學及機械結構優(yōu)化設計等方面的內(nèi)容．該方法擴寬了教學方法，提升了教學效果．

ADAMS;機械原理；教學改革

1 引 言

機械原理作為我國高等學校工科機械工程類本科生必修的機械設計系列課程之一，涵蓋了機械結構分析、機械的運動分析、機器動力學、常用機構的分析與設計和機械系統(tǒng)的方案設計[1]．機械工業(yè)是國家綜合國力發(fā)展的基石．為滿足各行各業(yè)的需求，就需要創(chuàng)造出越來越多的新產(chǎn)品，機械原理課程在培養(yǎng)機械方面的創(chuàng)作型人才中將起到重要的作用．

在機械原理教學中，機構的運動分析方法很多，主要有圖解法和解析法．圖解法能夠獲取機構某一個或者特定位置的運動特性．圖解法作圖過程復雜，特別是在結構復雜的機構的分析中．同時其求解的精度較低，不能表征機構在整個運動循環(huán)過程中的運動特性．解析法分析中，應首先建立機構的位置方程式，將位置方程式求導，分別求出機構的速度和加速度方程，進而求解出相關的位移、速度及加速度，完成機構的運動分析．解析法中最常見的方法有復數(shù)矢量法和矩陣法．由于機械結構的多樣性和復雜性，解析法的推導過程及相應的計算程序的編制將會變得比較復雜．在一定程度上不利于該方法的推廣．在實際的教學中，主要以以上兩種方法為手段，在某些程度上影響到了課程的教學效果以及學生對知識的認知度和積極性．在機器動力學，常用機構分析與設計中雖然現(xiàn)有的教學模具能展現(xiàn)其運動過程，但是無法用數(shù)值的方式給以表示，存在一定的局限性．

本文針對傳統(tǒng)教學方法在機械原理課程中問題，將ADAMS軟件引入到課程教學中，補充了傳統(tǒng)教學的不足．為學生展現(xiàn)了機械機構的構成、機械動力學及機械結構優(yōu)化設計等方面的內(nèi)容．將機構的運動相關過程以數(shù)值和動畫的方式呈現(xiàn)給學生．該方法擴寬了教學方法，提升了教學效果．

2 ADAMS在機械原理教學應用

2.1 ADAMS軟件介紹

機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS是美國MDI公司的產(chǎn)品．ADAMS是世界上應用應用最廣泛且最有權威性的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件[2]．ADAMS能快速的建立機械系統(tǒng)的幾何模型，完成相應的動力學分析．同時能在產(chǎn)品的概念設計、細節(jié)設計、設計驗證、設計規(guī)劃等過程中發(fā)揮重要的作用．ADAMS軟件在機械系統(tǒng)仿真分析中具有強大的功能和優(yōu)點[2]．

（1）良好的交互式圖像環(huán)境，完成零件、約束、力庫建立機械系統(tǒng)三維模型．

（2）分析類型涵蓋了動力學、靜力學和準靜力學分析，線性和非線性動力學分析，剛性和柔性體分析．

（3）先進的數(shù)值分析技術和強有力的求解器，使得求解快速準確．

（4）ADAMS軟件與各類CAD/CAE軟件有著良好的接口關系．能將有限元模型傳遞到ADAMS中，進行機械結構的耦合仿真分析．

（5）良好的圖像輸出．分析結果能以曲線，圖表，動畫的形式輸出．

2.2 ADAMS在機械原理中的應用基礎

ADAMS作為機械系統(tǒng)動力學分析的優(yōu)秀軟件，在將軟件引入到機械原理的教學的過程中，任課老師必須有著充分的前期準備．利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資料和圖書館數(shù)字化資源，完成軟件的前期輔助性教學工作．充分發(fā)揮學生學習的自主性和能動性，使學生在軟件的基本操作，分析流程上有清楚認識，為軟件在機械原理教學中的實際應用做好準備．

3 ADAMS在機械原理教學中實際應用

在機械原理的教學過程中，針對復雜機械結構的運動分析，一直以來都是教學的一個難點．本文將以實際的工程案例為例子，介紹ADAMS在機械原理教學中的運用．機械結構中的移動副，轉(zhuǎn)動副，機械結構分析中的雙曲柄機構，自由度的計算等將得到充分的體現(xiàn)．

3.1 實際案例介紹

在軋制生產(chǎn)線中，剪切機作為重要的設備，主要用于對軋件進行切頭、切尾工作．IHI擺式飛剪一直以來都是軋制生產(chǎn)線中動剪切重要設備．它能在運動的過程中同時完成水平與直垂方向的剪切運動．其基本結構如下圖1所示．本文將以該機構為具體案例，分析說明ADAMS在機械原理教學中的應用．該機構為一個具有三個自由度的十四桿機構．通過調(diào)整主動件COH桿，13、14號桿[3]的轉(zhuǎn)速的配置，得到不同的空切數(shù)．

3.2 機械結構模型的建立

IHI擺式飛剪機構的原始參數(shù)[4]如下：

圖1 IHI擺式飛剪簡圖

依據(jù)結構的原始參數(shù)，假設機構的初始位置為： H點位于y軸負最下方，J點和K點在y軸最上方，即

在ADAMS軟件中利用其桿組建模功能建立相應桿件，依據(jù)桿件之間的相互關系，加載相應的運動副．同時給以結構原動件相應的驅(qū)動，建立完善的IHI擺式飛剪的虛擬機械結構模型，如圖2所示．

圖2 ADAMS虛擬模型

利用ADAMS軟件自身的機構檢驗功能，對模型的自由度進行驗證，如圖3所示．施加3個驅(qū)動后，虛擬模型的自由度為0，模型正確．

圖3 模型驗證

3.3 機械結構模型運動分析

取倍尺系數(shù)為1和2，對模型進行動力學特性分析．在ADAMS軟件的后處理中，提取上下剪切刃的X，Y方向的運動軌跡，以時間為參照，得到上下剪刃運動軌跡曲線圖、上下剪刃水平和垂直方向速度變化曲線圖如圖4，圖5所示．

圖4 上下剪刃速度曲線(a)k=1；(b)k=2

圖5 上下剪刃速度軌跡圖(a)k=1；(b)k=2

利用ADAMS軟件進行運動仿真分析，輸出具有機械運動過程的動畫以及相應的運動速度和運動軌跡圖，真實的再現(xiàn)了機構的運動過程．

3.4 ADAMS在機械原理教學中的提升

以ADAMS的運用為基礎，利用其良好的交互式圖像環(huán)境、快速的求解、形象生動的后處理等特點來升級機械原理的教學課件，提升教學效果．

4 結 論

將ADAMS多體動力學分析軟件引入到機械原理的教學過程中，以IHI擺式飛剪的結構運動分析為實例進行分析教學．能真實的再現(xiàn)反應機構的運動情況，特別是復雜結構．在一定程度上擴充了教學方法，提升了教學效果．同時能激發(fā)學生的興趣，利用計算機輔助軟件去解決實際的問題．實現(xiàn)了機械教學方法的創(chuàng)新，為機械其他專業(yè)課的教學改革提供了指導．

[1]孫恒.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2002.

[3]黃真.IHI擺式飛剪運動分析的解析法[J].重型機械，1973（3）：39-47，67.

[4]李琴.IHI擺式飛剪偏心距及倍切系數(shù)對工作噪音的影響[J].吉首大學學報：自然科學版，2011（3）：70-73.

（責任編輯：鄭宗榮）

A Research on the Application of ADAMS in the Mechanical Principle Teaching

XIAO Qiming QIAN Lixia
(Mechanical Engineering College, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 400410)

This paper aims to analyze the application of multi-body dynamics software ADAMS in the Mechanical Principle teaching. Aiming to solve the problems of the traditional teaching method of Mechanical Principle course, the ADAMS software is introduced to the teaching to remove the defects of the traditional teaching, and the new method can demonstrate the makeup of mechanical structure, kinematic pair, mechanical dynamics and the optimization of structural design for students. This method diversifies teaching method and has better teaching effects.

ADAMS; Mechanical Principle; teaching reform

G642.1

A

1009-8135（2015）03-0128-03

2015-01-25

肖啟明（1981-），男，湖北人，重慶三峽學院講師，博士研究生，主要研究機械設計與理論．

重慶三峽學院青年教師項目資助（13QN21）階段性成果