計算機輔助教學在機械原理課程中應用

陳紅亮，陳升芳

(1.浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院,浙江 杭州 310018；2.杭州金宇電子有限公司,浙江 杭州 310018)

計算機輔助教學在機械原理課程中應用

陳紅亮1，陳升芳2

(1.浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院,浙江 杭州 310018；2.杭州金宇電子有限公司,浙江 杭州 310018)

在機械原理課程中，圖解法、解析法等傳統(tǒng)教學方法抽象繁瑣且實際操作困難.在機械原理課堂教學引入計算機輔助教學，應用ADAMS軟件對機械系統(tǒng)建立虛擬樣機技術并進行動態(tài)仿真，并做出機械機構運動響應曲線，可促進學生理解和掌握機構運動特性和動力學特性，提高學生對課程的學習興趣，增強學生的學習動力，從而高效率地實現(xiàn)課堂教學目標.

機械原理；計算機輔助教學；ADAMS

機械原理是一門研究機器和機構的學科.機械原理中將各機器的共同問題歸納為機構結構學、機構運動學和機構動力學.其中，機構結構學研究機構運動的可能性和確定性，并進一步討論機構的組成原理；機構運動學不考慮機構構件的物理性質和加在構件上的力，而從幾何的角度描述和研究構件上各點的軌跡、位移、速度、加速度等的變化規(guī)律；機構動力學研究機械系統(tǒng)中各構件已知載荷作用下的真實運動規(guī)律、求解各個構件之間的相互作用力、機械系統(tǒng)振動的分析等[1-4].研究機械和機構運動學、動力學的方法有圖解法、解析法、實驗法等.其中，圖解法可以形象、直觀表示機構運動規(guī)律，但其求解精度不高，而且對于較復雜的機構不僅需要反復作圖，其過程相當繁瑣，工作量大，并且存在測量誤差，因此其求解的準確性較差；解析法將機構中已知的尺寸參數(shù)和運動變量與未知的運動變量建立相應的數(shù)學關系式，然后進行求解，因此數(shù)學關系式一旦建立，即可求解機構在不同位置處的運動變量，但對于復雜機構，由于各變量之間高度非線性耦合，需要編制復雜的求解計算機程序，工作量也很大，輸出的結果并沒有直觀地演示；實驗法則需要制造物理樣機，耗時長，成本高[3].

1 機械原理教學方法分析

傳統(tǒng)的機械原理教學應用多媒體與板書相結合并配以少量實驗的教學方法，枯燥乏味，缺乏對學生的吸引力，與當前提倡的理實一體化教學方法不符，達不到培養(yǎng)目標要求.隨著計算機技術的發(fā)展，CAD和CAE技術也快速發(fā)展，借助于CAE軟件的計算機輔助教學(CAI)已在各門學科獲得廣泛開展應用.著名的CAE軟件有Pro/E、UG、ADAMS等，都可以滿足機械原理的輔助教學要求.本文以ADAMS軟件為計算機輔助教學工具，對機械原理中平面六桿機構進行三維建模和動態(tài)仿真，消除了圖解法、解析法和實驗法的繁瑣以及難以實際操作的缺點，既提高了學生的學習興趣和課堂效果，又使學生更好地理解和掌握機構運動特性.

2 基于機械動力學仿真軟件ADAMS的機械原理教學

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，是美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，非常適合于機械原理的教學[5-8].

平面六桿機構(見圖1)，是經(jīng)典的機械原理教學案例. 已知各構件的尺寸AB=100 mm，BC=160 mm，CD=160 mm，AD=224 mm，L=120 mm，原動件1位置角ψ1=60°、等角速度ω1=30°/s, ,逆時針方向轉動，試求解構件5的速度和加速度.

圖1 平面六桿機構位置圖

2.1 傳統(tǒng)求解分析

采用圖解法首先按一定的比例尺繪出平面六桿機構的機構位置圖，接著分析該題的解題步驟.因為ω1已知，故可求出B點的速度VB、加速度aB，然后利用同一構件上兩點的相對運動矢量方程求解點C的速度VC和加速度aC，再利用影像法求構件2上點E2速度VE2和加速度aE2，最后利用組成移動兩構件2/4上重合點E2、E4間相對運動矢量方程式求構件4上E4的點速度VE4、加速度aE4.因為構件5為移動構件，其上各點的速度、加速度相等，故有VE4=VE5=V5，aE4=aE5=a5.

從以上分析過程可見，運用圖解法作機構運動分析時，需先按比例繪出所求機構位置的機構位置圖，然后再根據(jù)該位置的機構運動簡圖進行運動分析.分析結構是由所作的圖中直接測量數(shù)據(jù)，并乘以相應的比例尺所得.這種方法形象、直觀，但精度不高，而且當需對機構的一系列位置進行運動分析時，必須反復作圖.這一過程相對煩瑣[2].

采用解析法建立封閉矢量方程，但該方法只適用于Ⅱ級機構的運動分析，對于單自由度的Ⅲ級平面機構，若采用Ⅱ級機構的方法去分析，會出現(xiàn)未知數(shù)多于方程數(shù)目而無法求解.需要對Ⅲ級平面機構進行一定的轉化.這種解析法也較煩瑣，且容易出現(xiàn)錯誤[2].

2.2 計算機仿真輔助求解

根據(jù)已知條件，在計算機仿真軟件中建立模型(見圖2).并在1桿2桿、2桿3桿、1桿和機架6、3桿和機架6及4桿和5桿間添加轉動副，在4桿2桿之間添加移動副，移動方向沿著2桿方向，5桿和機架6之間添加移動副，方向豎直向上.

圖2 平面六桿機構仿真模型

然后在1桿和機架6之間的轉動副添加轉動驅動，其轉速為30°/s，最后建立仿真.仿真結束后，建立如下測量：5桿在豎直方向上的速度和加速度，1桿轉動角度，測量結果(見圖3～圖7).為了便于研究，本次曲線從ψ1=120°～0°時5桿的速度和加速度曲線.

圖3 ψ1隨時間角度變化曲線

圖4 5桿速度隨時間變化圖

圖5 5桿加速度隨時間變化圖

圖6 5桿速度和1桿角度ψ1的關系曲線

圖7 5桿加速度和1桿角度ψ1的關系曲線

圖3為ψ1隨時間變化關系曲線，根據(jù)圖1建立的機構，仿真時1桿先以30°/s角速度將其逆時針轉動ψ1為120°時，再以30°/s角速度順時針轉動ψ1為0°時，為方便觀察，橫坐標時間從2 s到6 s，圖4和圖5分別為5桿的速度和角速度隨時間變化的曲線，同樣的道理，橫坐標時間從2 s到6 s.圖6為5桿的速度和1桿的角度之間關系曲線，從曲線中可以看出來，在ψ1=60°時，1桿角速度從0快速到30°/s逆時針轉動到ψ1=120°，然后從ψ1=120°轉動到ψ1=0°，所以在120°處有一條豎線，表示此處角速度方向迅速改變.同樣的道理，圖7表示5桿加速度和1桿角度ψ1的關系曲線，在ψ1=60°有一個加速度突變，是因為1桿加速度從0突然加到30°/s時的一個階躍響應，而從圖中可以看出，在ψ1=120°處再反向轉動時，加速度沒有明顯突變.

從以上的分析可以看出，計算機輔助教學在機械原理教學中具有以下優(yōu)點：

(1)通過計算機仿真有效彌補了傳統(tǒng)的圖解法和解析法的不足之處.采用圖解法求解機構一個周期的運動規(guī)律，需要多次做圖，工作量巨大而且成效差；解析法由于實際機械機構的復雜多樣，組成機械機構尺寸參數(shù)具有高耦合度和高度非線性，因此建立數(shù)學模型和編制計算解析程序相當繁瑣.

(2)計算機輔助教學仿真出機構的運動情況，能夠有效地繪出機構各個姿態(tài)曲線，也能夠繪出各個曲線之間相互關系，形象直觀，便于學生理解和掌握，促進學生的學習積極性和主動性.

(3)計算機仿真軟件ADAMS還可用于機械原理中凸輪機構、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和軸承的設計與仿真分析等.該軟件非常適合機械原理課程輔助教學.

3 結 語

本文研究計算機輔助教學在機械原理課程教學中的應用，機械動力學仿真軟件ADAMS具有良好的機械系統(tǒng)三維建模能力，并具有和Pro/E、UG等三維建模軟件良好接口，可以充分利用該技術在機械原理課程上進行機械系統(tǒng)的建模及運動學和動力學仿真分析教學和演示，將抽象的理論通過圖表分析以及仿真動畫動態(tài)展現(xiàn)，促進學生結合虛擬樣機實踐技能，理解并掌握機械原理理論知識，進一步激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的綜合素質以及創(chuàng)新能力.

[1] 高中庸，孫學強.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[2] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3] 崔 立，梁彩平，李 寧，等.ADAMS在機械原理機構教學中的應用[J].上海第二工業(yè)大學學報，2014,31(4):311-315

[4] 申永勝.機械原理教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5] 郭衛(wèi)東，李守忠，馬 璐.ADAMS2013應用實例精解教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[6] 徐國寶，馬金鳳，王延年，等．基于ADAMS的跌落式裝箱機的力學仿真研究[J]．包裝食品機械，2016，34(1):44-47．

[7] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2017.

[8] 宋少云，尹 芳.ADAMS在機械設計中的應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

Application of CAI in Mechanical Principle

CHEN Hong-liang1, CHEN Sheng-fang2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China; 2.Hangzhou Goldcosmos Co., Ltd., Hangzhou 310018, China)

In the course of mechanical principle, it is complicated and difficult in the traditional graphical method and analytical method. The introduction of computer assisted instruction in classroom teaching of Mechanical Principle and the application of ADAMS software which helps to establish the virtual prototype technology and mechanical system dynamic simulation are believed to promote students to understand and grasp the kinematic and dynamic characteristics, stimulating their learning motivation and improving their interest in learning.

mechanical principle; computer assisted instruction; ADAMS

G642

A

1008-536X(2017)03-0076-04

2016-10-17

陳紅亮(1970-)，男，浙江東陽人，博士，講師，研究方向為機電一體化設備的設計開發(fā)與教學.