數(shù)值仿真在職業(yè)教育中的應(yīng)用

樊志強(qiáng)

（江蘇省淮安技師學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

0 引言

職業(yè)教育重點(diǎn)在于密切聯(lián)系實(shí)際、突出工作環(huán)境等教學(xué)特點(diǎn)，其中實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)占有非常重要的地位，最終培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生與崗位需求相適應(yīng)的職業(yè)技能。近幾年，隨著國(guó)家對(duì)職業(yè)教育的逐步重視，各職業(yè)院校的綜合實(shí)力均有了大幅的提升。然而，受到諸多因素的影響仍然面臨很多實(shí)際困難，諸如：相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴、教學(xué)耗材投入較大、實(shí)訓(xùn)工件無(wú)法校驗(yàn)、部分實(shí)驗(yàn)存在安全隱患等。這些都成為進(jìn)一步提高職業(yè)教育實(shí)踐性教學(xué)質(zhì)量的約束和障礙，因此，有必要尋求一種新型的、實(shí)用的方法來(lái)輔助解決這些問(wèn)題。

早在2008年教育部就頒發(fā)了一系列文件，明確指出職業(yè)教育要“大力推動(dòng)仿真、多媒體課件等數(shù)字化教學(xué)資源開(kāi)發(fā)”，依托相關(guān)技術(shù)手段重點(diǎn)解決在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，滿(mǎn)足實(shí)踐教學(xué)中模擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要[1-2]。

1 數(shù)值仿真技術(shù)概述

數(shù)值仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種技術(shù)分析手段，它不僅包括了實(shí)際模型的構(gòu)建與演示，還可以對(duì)所建的模型做進(jìn)一步可靠性實(shí)驗(yàn)分析。人們通過(guò)建立與實(shí)體一致的模型進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的某一層次的問(wèn)題提供參考和做出決策。仿真是一個(gè)相對(duì)概念，任何逼真的仿真都只能是給仿真模型賦予真實(shí)系統(tǒng)的一些參數(shù)和屬性。與此同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題進(jìn)行仿真是有層次的，既要考慮所處理問(wèn)題的客觀(guān)系統(tǒng)，又要符合處理者的需求層次。

數(shù)值模擬仿真一般包含以下幾個(gè)步驟[3]：

首先，需要建立相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，它不僅是工程實(shí)體外觀(guān)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單模擬，必須包含該實(shí)體在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中所滿(mǎn)足的一切參數(shù)和屬性要求。目前，被廣泛應(yīng)用的各類(lèi)數(shù)值仿真軟件中都集成了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，用戶(hù)可以直接調(diào)用進(jìn)行設(shè)置應(yīng)用。

其次，需要確定高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，并對(duì)所數(shù)值建模型進(jìn)行相應(yīng)的求解計(jì)算。計(jì)算方法既有數(shù)學(xué)類(lèi)理論上的抽象性和嚴(yán)謹(jǐn)性，又有實(shí)用性和實(shí)驗(yàn)性的技術(shù)特征，有效地將問(wèn)題的理論性和實(shí)踐性進(jìn)行有效的結(jié)合。例如：有限元分析法、迭代法等。

在計(jì)算工作完成之后，大量數(shù)據(jù)只能以圖像和曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)，其中包括一些動(dòng)態(tài)的演化過(guò)程，研究者需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行提取分析，其顯示結(jié)果具有形象、逼真等特點(diǎn)。

2 數(shù)值仿真在實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用舉例

數(shù)值仿真技術(shù)主要包括模擬演示和仿真實(shí)訓(xùn)，充分利用數(shù)字化資源把文字教材轉(zhuǎn)化為多媒體和數(shù)字化教學(xué)資源相結(jié)合的綜合性教學(xué)資源，它具有內(nèi)容豐富、更新便捷、開(kāi)放共享、互動(dòng)交流、傳播快速等優(yōu)勢(shì)。并且在豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，成為對(duì)傳統(tǒng)教材的有力補(bǔ)充。

本文以機(jī)械類(lèi)高職學(xué)生為背景，依托機(jī)械加工設(shè)計(jì)學(xué)科領(lǐng)域，就數(shù)值仿真技術(shù)在“直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)”課題中的應(yīng)用做具體分析。

2.1 認(rèn)識(shí)直齒圓柱齒輪

齒輪是機(jī)械中廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)零件之一，它具有功率范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其中漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)為日常生活中應(yīng)用最為廣泛、最具代表性的一種簡(jiǎn)單齒輪，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，由于齒輪的加工較為復(fù)雜且受到設(shè)備的局限性，不能帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)際加工實(shí)體齒輪。因此，我們要對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模擬，并所有的齒輪參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證。

漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪是以漸開(kāi)線(xiàn)為齒廓，它是由一條線(xiàn)段繞齒輪基圓旋轉(zhuǎn)形成的曲線(xiàn)，其形成過(guò)程如圖2-1所示。

圖2-1 漸開(kāi)線(xiàn)的形成過(guò)程Fig.2-1 Forming process of involute

2.2 齒輪強(qiáng)度的計(jì)算[4]

首先，為了防止齒輪點(diǎn)蝕失效，需要對(duì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)，考慮齒面接觸應(yīng)力大小對(duì)其的影響，齒面點(diǎn)蝕優(yōu)先發(fā)生在[σH]輪的節(jié)線(xiàn)附近。因此選擇齒輪的節(jié)點(diǎn)作為接觸應(yīng)力d1算點(diǎn)，以赫茲公式(式2-1)為依據(jù)。

式中：[σH]表示齒輪材料的許用應(yīng)力(MPa)，查表可得；d1表示小齒輪分度圓直徑(mm)；μ表示大小齒輪齒數(shù)比，即μ=z2/z1；Ψd表示齒寬系數(shù)，Ψd=b/d1，查表σF[σH]得；K表示載荷系數(shù)，查可得。

其次，輪齒折斷與齒彎曲應(yīng)力有直接關(guān)系，為了防止輪齒折斷，需要對(duì)齒根的彎疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，使齒根彎曲應(yīng)力σF于或等于許用彎曲應(yīng)[σF]，依據(jù)以下公式進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：YF表示標(biāo)準(zhǔn)外齒輪齒形系數(shù)，查表可得；z1表示小齒輪的齒數(shù)；[σF]表示齒輪材料許用彎曲應(yīng)力，查表可得。

由于在大小齒輪的材料和熱處理相同時(shí)，兩齒輪的許用應(yīng)力相同，考慮小齒輪的彎曲強(qiáng)度較差，一般只需對(duì)小齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核或設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3 齒輪的數(shù)值仿真分析

本文主要運(yùn)用有限分析數(shù)值仿真軟件ANSYS對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)的齒輪模擬分析，通過(guò)數(shù)值模型的建立，對(duì)根據(jù)要求設(shè)計(jì)的直齒圓柱齒輪進(jìn)行強(qiáng)度分析。

首先，建立如下圖所示的數(shù)值模型，并對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。

圖2-2 齒輪ANSYS模型Fig.2-1 Forming process of involute

圖2-3 劃分網(wǎng)格后的齒輪模型Fig.2-3 Gear model after dividing network

其次，根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)時(shí)要求的參數(shù)和計(jì)算所得強(qiáng)度參數(shù)，在數(shù)值仿真軟件中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置；選擇合適的約束條件和應(yīng)力邊界條件，來(lái)考查齒輪的強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求，如下圖所示。

圖2-4 選區(qū)輪齒施加荷載位置Fig.2-4 Choosing loading position of gear

圖2-5 施加載荷后的變形示意圖Fig. 2-5 Deformation diagram after loading

通過(guò)數(shù)值仿真的分析可以考查：在特定位置作用不同載荷時(shí)，齒輪的變形的情況，進(jìn)一步得出齒輪發(fā)生塑性變形的屈服極限[5]；此外，還可以考查齒輪在實(shí)際負(fù)荷狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變分布情況，從而為該課題齒輪設(shè)計(jì)的合理性提供幫助。

3 結(jié)論

目前，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)通過(guò)數(shù)字化教學(xué)資源的方式與職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)緊密的連接在一起，明顯地提高了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和水平[6-8]。單純的模擬只能在教學(xué)演示的過(guò)程中展現(xiàn)其形態(tài)以及工作過(guò)程，并不能真實(shí)地代替實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用，無(wú)法驗(yàn)證實(shí)踐教學(xué)中制作工件的可靠性。因此，我們要運(yùn)用數(shù)值仿真的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行真實(shí)的工作模擬，包括材料屬性、負(fù)荷狀態(tài)等，最終對(duì)實(shí)踐教學(xué)的成果進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)[9-10]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐漸發(fā)展，各類(lèi)工程仿真軟件的成熟應(yīng)用，這種新的教學(xué)媒體必然廣泛地應(yīng)用到職業(yè)教育的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，為進(jìn)一步推動(dòng)職業(yè)教育的發(fā)展發(fā)揮十分重要的作用。

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