Solidworks仿真軟件在現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

蔣善超　輔小榮　何堅(jiān)強(qiáng)

【摘 要】為提高自動(dòng)化類專業(yè)畢業(yè)生的跨學(xué)科專業(yè)能力和多崗位適應(yīng)能力，本文選取應(yīng)用范圍廣、前瞻性強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù)作為人才培養(yǎng)的范例，闡述SolidWorks仿真軟件在現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)檢測(cè)技術(shù)常用檢測(cè)參數(shù)——應(yīng)變建模仿真分析得：SolidWorks仿真軟件不僅可以豐富檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)呈現(xiàn)方式，同時(shí)可以對(duì)一些知識(shí)盲點(diǎn)給出形象具體的解釋，加深學(xué)生印象，提高授課效果。這種跨學(xué)科的授課模式符合“專而廣”的教育教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于促進(jìn)工程人才培養(yǎng)具有一定研究意義及應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科；檢測(cè)技術(shù)；SolidWorks；應(yīng)變

Application of Simulation Software Solidworks in Modern Engineering Personnel Training

JIANG Shan-chao FU Xiao-rong HE Jiang-qiang

（Yancheng Institute of Technology， Jiang Su， Yan Cheng， 224052，China）

【Abstract】In order to improve the ability of interdiscipline and multi position adaptability of automation graduate， wide range of applications， forward-looking detection technology is chosen as an example in this paper to elaborate the application of simulation software Solidworks in modern engineering personnel training. Based on the modeling and simulation analysis of the commonly used detection parameters strain， simulation software Solidworks can not only enrich the teaching methods， but also give some specific explanations to some blind spots. This can deep the impression of students and improve teaching effect. This interdisciplinary teaching mode is in line with the development trend of "special and extensive" teaching and learning， which has certain research significance and application prospect in modern engineering personnel training.

【Key words】Interdiscipline； Detection technology； SolidWorks； Strain

0 引言

在工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)自動(dòng)化迎來(lái)歷史性機(jī)遇，“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略對(duì)現(xiàn)代企業(yè)的自動(dòng)化工程師提出了新的能力需求。本文以提高自動(dòng)化類專業(yè)畢業(yè)生的跨學(xué)科專業(yè)能力和多崗位適應(yīng)能力，滿足工業(yè)現(xiàn)代化飛速發(fā)展需要作為基本研究出發(fā)點(diǎn)，選取應(yīng)用范圍廣、前瞻性強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù)作為人才培養(yǎng)的范例，闡述SolidWorks仿真軟件在現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)中的應(yīng)用。作為工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中最常用的技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家科技及現(xiàn)代化水平高低的重要指標(biāo)[1-4]。檢測(cè)技術(shù)是一門理論性、綜合性、多樣性、實(shí)用性、跨學(xué)科性極強(qiáng)的控制工程專業(yè)的專業(yè)課程之一，且隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)的多樣性、前瞻性、實(shí)用性正在不斷的更新?lián)Q代。然而，受限于學(xué)校發(fā)展經(jīng)費(fèi)及場(chǎng)地的限制，較難通過(guò)單純的采用增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備的手段使學(xué)生接受檢測(cè)技術(shù)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)對(duì)其應(yīng)用具有形象具體的了解。在此局限性的基礎(chǔ)上，本文選取檢測(cè)技術(shù)最基本檢測(cè)參數(shù)——應(yīng)變[5-6]作為重點(diǎn)研究對(duì)象以說(shuō)明SolidWorks仿真軟件[7-8]在檢測(cè)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用中的應(yīng)用。SolidWorks仿真軟件作為力學(xué)仿真軟件常常被用來(lái)講述力學(xué)知識(shí)，本文將其用于豐富檢測(cè)技術(shù)的課堂內(nèi)容，增加學(xué)生對(duì)于應(yīng)變檢測(cè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握。這種跨學(xué)科的授課模式符合教育教學(xué)“專而廣”的發(fā)展趨勢(shì)，具有一定研究意義及應(yīng)用前景。

1 SolidWorks簡(jiǎn)介

作為世界上基于Windows開(kāi)發(fā)的第一個(gè)三維CAD（Computer Aided Design， CAD）系統(tǒng)，SolidWorks自1995年推出因其始終遵循的易用、穩(wěn)定及創(chuàng)新三大原則而獲得了廣泛且成功的發(fā)展。發(fā)展至今，該軟件已在國(guó)防航空航天[9]、工業(yè)生產(chǎn)[10]、交通運(yùn)輸[11]、日常生活[12]等各行各業(yè)取得了成功的應(yīng)用。利用SolidWorks仿真軟件可以使每一位設(shè)計(jì)者用于一套獨(dú)立的、具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該軟件所具有的強(qiáng)大的軟件功能、繁多的組件可以為設(shè)計(jì)者提供多種形象具體的三維設(shè)計(jì)方案，有效的減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。用戶可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品市場(chǎng)投放進(jìn)度，增加經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，SolidWorks仿真軟件同時(shí)為用戶提供多種仿真分析能力[13-14]，如靜力學(xué)分析（SimulationXpress）、流體分析（FloXpress）等，可以使設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)中模擬分析設(shè)計(jì)產(chǎn)品的合理性，獲得設(shè)計(jì)所關(guān)注各種參數(shù)，如應(yīng)變分布、溫度傳遞系數(shù)、壓力/壓強(qiáng)分布等等。

2 SolidWorks在檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

基于上述關(guān)于SolidWorks仿真軟件的分析及跨學(xué)科融合教學(xué)的思想，應(yīng)用其在應(yīng)變仿真分析上的特殊的、直觀的展示作用來(lái)豐富檢測(cè)技術(shù)的課堂教學(xué)內(nèi)容?，F(xiàn)以“電阻應(yīng)變片式傳感器”為例來(lái)說(shuō)明SolidWorks仿真軟件在檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用。

等臂電橋（R1=R2=R3=R4）電阻應(yīng)變式傳感器的電路原理圖，如圖1所示。當(dāng)外界有效作用應(yīng)變?chǔ)舏（i=1，2，3，4）時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻變化ΔRi（i=1，2，3，4）為：

式中，K為電阻應(yīng)變片的材料靈敏系數(shù)，其物理意義為單位應(yīng)變的電阻變化率。

電橋輸出電壓U0為：

由式（2）可得：當(dāng)?shù)缺垭姌蚬ぷ髋c全橋四臂工作方式，即電橋四臂都接入電阻應(yīng)變片，則4個(gè)電橋電阻變化量分別為：ΔR1=-ΔR2，ΔR3=-ΔR4。此時(shí)，電橋輸出電壓U0為：

現(xiàn)通過(guò)懸臂梁實(shí)現(xiàn)外界作用力F與電阻應(yīng)變片應(yīng)變?chǔ)胖g的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。繼而，通過(guò)分析等臂電橋的輸出電壓實(shí)現(xiàn)外界作用力的測(cè)量。

由機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理可得懸臂梁表面應(yīng)變?chǔ)?與外界作用力F之間的關(guān)系，可表示為：

式中，E為懸臂梁的彈性模量常數(shù)。

由懸臂梁表面應(yīng)變?chǔ)?與電阻應(yīng)變片應(yīng)變?chǔ)畔嗟?，可得等臂電橋的輸出電壓為?/p>

綜上分析可得，當(dāng)懸臂梁式電阻應(yīng)變測(cè)力傳感器材料及幾何參數(shù)確定了之后，等臂電橋輸出電壓與外界作用力呈現(xiàn)線性關(guān)系。然而，多個(gè)版本檢測(cè)技術(shù)教材[15-16]中公式4中L并未選取懸臂梁的實(shí)際長(zhǎng)度，以提高傳感器測(cè)力靈敏度的知識(shí)盲點(diǎn)并未涉及。

下面應(yīng)用SolidWorks仿真軟件對(duì)上述所提問(wèn)題（公式4中L取值問(wèn)題）給出相應(yīng)的回答。首先，利用SolidWorks分析電阻應(yīng)變測(cè)力傳感器懸臂梁表面應(yīng)力F1與外界作用力F的變化情況，如圖3所示。

通過(guò)分析圖3可得：當(dāng)懸臂梁受到外界作用力時(shí)，其靠近固定端的表面應(yīng)力并非均勻分布，而是存在著一定的差異。進(jìn)而，由應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系F1 =E·ε1可得：在靠近懸臂梁固定端附近的區(qū)域，應(yīng)力不均勢(shì)必導(dǎo)致應(yīng)變分布不均。因此，公式4中L若選取懸臂梁的實(shí)際長(zhǎng)度，則該測(cè)力傳感器中存在電阻應(yīng)變片處于應(yīng)變分布不均的區(qū)域。進(jìn)而，應(yīng)變分布不均導(dǎo)致該測(cè)力傳感器檢測(cè)靈敏度存在一定的非線性，為電阻應(yīng)變片后端檢測(cè)處理單元增加處理難度。

通過(guò)上述分析可得：利用SolidWorks仿真軟件對(duì)檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的一些問(wèn)題進(jìn)行建模和仿真分析，不僅可以豐富檢測(cè)教學(xué)的授課顯示方式，更可以針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)教學(xué)不能闡述詳細(xì)的問(wèn)題給以形象具體直觀的仿真解釋。這可以加深學(xué)生對(duì)于相應(yīng)問(wèn)題的理解、提高課堂的授課效果，同時(shí)對(duì)于其今后實(shí)際工作中遇到的理論知識(shí)到實(shí)踐應(yīng)用起到一定的轉(zhuǎn)化促進(jìn)作用。

3 總結(jié)

結(jié)合檢測(cè)技術(shù)多樣性、前瞻性、實(shí)用性的特點(diǎn)，為使學(xué)生接受檢測(cè)技術(shù)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)對(duì)其應(yīng)用具有形象具體的了解，本文采用跨學(xué)科授課方式，選取檢測(cè)技術(shù)常用檢測(cè)參數(shù)——應(yīng)變作為重點(diǎn)研究對(duì)象以說(shuō)明SolidWorks仿真軟件在現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)中的應(yīng)用。通過(guò)舉例說(shuō)明：將SolidWorks仿真軟件應(yīng)用于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中不僅可以形象具體的呈現(xiàn)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，加深學(xué)生理解掌握；同時(shí)可以更加細(xì)化分析知識(shí)盲點(diǎn)，為學(xué)生在今后理論知識(shí)向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化奠定良好的基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]