工程模型創(chuàng)新在新時期大學中的實際應(yīng)用

周天亮++陳明月

摘要：

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計為學生提供了綜合運用所學專業(yè)知識程專業(yè)學生的重要學科，是極富創(chuàng)造性，挑戰(zhàn)性的科技競技的最佳機會。專業(yè)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽已成為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力、實踐能力和競爭意識的一個新興實踐教學環(huán)節(jié)。文章從結(jié)構(gòu)模型競賽中材料選用和設(shè)計原則的角度出發(fā)，分析了結(jié)構(gòu)模型競賽在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、計算能力和綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮的作用，探討模型制作應(yīng)注意的問題以及與實際工程的關(guān)系，對未來結(jié)構(gòu)模型競賽發(fā)展方向提出建議。

關(guān)鍵詞：工程；創(chuàng)新；實踐；設(shè)計；模型制作

工程模型創(chuàng)新依托我校已有的工程類專業(yè)，在對其進行細致的學習了解后，利用其專業(yè)知識以及對已有模型成果的轉(zhuǎn)化，進行新的工程模型創(chuàng)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(chǎn)生嚴重的依賴性，目的性不明確，所以導致其創(chuàng)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(chuàng)新結(jié)果可想而知。

工程模型創(chuàng)新項目是在明確立題的基礎(chǔ)上全部由學生本人自主完成，其成果在后期由指導老師設(shè)定標準后統(tǒng)一進行測評，檢驗其創(chuàng)新性，并與傳統(tǒng)的成果進行比較，總結(jié)經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yè)。整體結(jié)構(gòu)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(yè)范圍大、適應(yīng)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(yōu)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(jié)構(gòu)是一種常見的工程結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、橋梁工程、安裝工程、交通工程等領(lǐng)域，是一種需求量大，安全性要求高的結(jié)構(gòu)。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(gòu)件，其構(gòu)造示例如圖 2所示。模型采用竹條材料制作，現(xiàn)場完成模型的塔架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)）。

1.1.3其次為3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。通過對其技術(shù)核心的自主學習，加強自己的創(chuàng)新能力和動手操作能力，我們通過結(jié)合學?，F(xiàn)有的實驗器材，進行創(chuàng)新設(shè)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(chǔ)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(jīng)多次試驗失敗后，總結(jié)經(jīng)驗，最終成型。

部分成果展示：

1.2研究方法

結(jié)合工程類基礎(chǔ)課程的理論力學、材料力學、機械學、機械原理、機械設(shè)計等一系列的專業(yè)知識，與現(xiàn)代創(chuàng)新項目接軌，其資料查詢來源于本校網(wǎng)絡(luò)圖書館及其他網(wǎng)絡(luò)文獻。

經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的運動仿真等進行前期的預(yù)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(jié)構(gòu)，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(zhì)量為 10Kg 的加載配重，要求結(jié)構(gòu)在此工況下不發(fā)生破壞。塔吊起重臂和平衡臂的配重點位置應(yīng)設(shè)置一根較粗的橫梁以方便加載掛鉤的安放，橫梁和周邊構(gòu)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(jié)果與分析

2.1方案構(gòu)思：

塔吊采用懸挑桁架結(jié)構(gòu)，四邊形豎直支座穩(wěn)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(tǒng)造型的意義上又不失改革創(chuàng)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(shù)的表現(xiàn)也毫不遜色：“k”形斜撐就極具藝術(shù)感染力清晰地體現(xiàn)了力與美。塔吊整體外觀通透、純凈、輕盈、精巧。

結(jié)構(gòu)制作：

力學可分析，三角形是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，利用三角斜撐的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定?？紤]到比賽中模型先后受到豎向荷載和側(cè)向荷載，其中以側(cè)向荷載為主要控制荷載，模型結(jié)構(gòu)選擇了框架和柱間斜撐構(gòu)成的框架—斜撐體系，框架結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載，斜撐體系主要承受側(cè)向荷載，從而保證結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度，控制其側(cè)向位移在規(guī)定范圍內(nèi)。

結(jié)構(gòu)采用圓形桿，制作簡單，抗壓性、抗拉性都較出色。根據(jù)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(nèi)，減輕了桿的自重，達到了節(jié)約材料的目的。

2.2 方案構(gòu)思：

龍門式起重機采用拱形桁架結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機的傳動經(jīng)變速箱、曲柄連桿機構(gòu)變成驢頭的上下運動，驢頭經(jīng)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(jīng)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(shù)化，進過有限元分析，確定了實際可行的模型結(jié)果。然后經(jīng)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(gòu)（見曲柄滑塊機構(gòu)）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?；淼姆祷匦谐趟俣却笥诠ぷ餍谐趟俣取Ｓ捎诓捎脝稳信俚都庸?，且在滑枕回程時不切削，牛頭刨床的生產(chǎn)率較低。機床的主參數(shù)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(nèi)回轉(zhuǎn)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(gòu)，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(shè)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(qū)動部分的電動機用手輪來代替，主要體現(xiàn)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(chuàng)新意識薄弱，現(xiàn)如今包括教育界在內(nèi)的主流社會已經(jīng)達成共識：提升當代大學生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力是各個高校教育的核心內(nèi)容，以此思路為指引，提升大學生自主創(chuàng)業(yè)和自主創(chuàng)新的項目如雨后春筍般出現(xiàn)。目前，各高校相繼開展工程模型設(shè)計大賽、申請創(chuàng)新項目等，但缺乏專業(yè)的指導和實踐，將模型應(yīng)用到生產(chǎn)實踐更是少之又少。

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與實際工程設(shè)計有著緊密的聯(lián)系，其設(shè)計過程與實際結(jié)構(gòu)設(shè)計過程大同小異。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計過程需要結(jié)構(gòu)工程學科的基本理論知識和專業(yè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)工程設(shè)計、施工、管理以及研究開發(fā)等實踐性工作打下基礎(chǔ)。但是由于結(jié)構(gòu)模型在幾何外形上遠遠小于實際結(jié)構(gòu)，因此二者在材料選用、材料性能、設(shè)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(jié)構(gòu)力學》王蔭長等編、冶金工業(yè)出版社.

[2]《結(jié)構(gòu)力學》（上、下冊）（第四版）楊茀康編、高等教育出版社.

[3]《結(jié)構(gòu)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(shè)計及理論》李柱國、許敏主編科學出版社2003.

1 黑龍江八一農(nóng)墾大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 項目名稱“工程模型創(chuàng)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(nóng)墾大學工程學院輔導員，講師。

（作者單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學，黑龍江 大慶 163319）