基于ANSYS的機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)資源庫建設(shè)

張玲艷 邱水才

摘 ?要：以學(xué)院2018級過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生為試驗對象，在二年級初期采用興趣報名的形式選取了24名學(xué)生進入“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫”建設(shè)學(xué)習(xí)組。利用課余時間進行了軟件學(xué)習(xí)及資源庫框架的搭建與實現(xiàn)。從課程期末考試和機械設(shè)計課程設(shè)計的完成結(jié)果來看，資源庫的建設(shè)既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，也拓寬了傳統(tǒng)教學(xué)的內(nèi)涵模式，為機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)資源庫的建設(shè)起到了一定的推進和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)資源庫;機械設(shè)計基礎(chǔ);ANSYS

中圖分類號：TP391.9;G434 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0196-03

Construction of Teaching Resource Library of Mechanical Design Foundation

Based on ANSYS

ZHANG Lingyan， QIU Shuicai

（Changzhou University Huaide College， Jingjiang ?214500， China）

Abstract： Taking the college， s class of 2018 process equipment and control engineering students as the test subjects， 24 students are selected to enter the “ANSYS Organization Motion Analysis Resource Library” construction study group in the form of interest registration at the beginning of the second year. The software learning and resource base framework， s construction and implemention are carried out in spare time. Judging from the results of the final examination of the course and the completion of the mechanical design course design， the construction of the resource bank has not only increased the interest and enthusiasm of students in learning， but also broadened the connotation mode of traditional teaching， which has played a promotion and reference role in the construction of the teaching resource bank of fundamentals of mechanical design courses.

Keywords： education resource base; fundamentals of mechanical design; ANSYS

0 ?引 ?言

為了適應(yīng)時代科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革，各高校圍繞課程設(shè)置、課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式手段和課程教學(xué)資源庫等方面，不斷地進行改革創(chuàng)新。機械設(shè)計基礎(chǔ)課程作為機類和近機類專業(yè)必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起橋梁銜接作用。針對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)資源庫的建設(shè)，目前普遍采用教具模型和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻等資源，如慕課、微課視頻資源等。為了進一步加深學(xué)生對典型機構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)特征的認識，劉欣玉等采用SolidWorks軟件為二次開發(fā)平臺，建立了常用機構(gòu)的動畫視頻教學(xué)資源庫[1]。王宣借助于MATLAB軟件，以項目化教學(xué)為目標建立教學(xué)資源庫，實現(xiàn)了教案，習(xí)題、課件PPT等資源的匯總，搭建了師生公用平臺[2]。張星等利用AutoCAD二次開發(fā)平臺建立了凸輪機構(gòu)的運行動畫[3]。

目前建立的教學(xué)資源庫能使機構(gòu)及零部件的空間結(jié)構(gòu)形象直觀化，也能展示裝配零部件的相對運動關(guān)系，很大程度上強化了學(xué)生對機器和機構(gòu)的感性認識[4，5]。但是對于機器或機構(gòu)運動起來之后的動力學(xué)問題，如運動時從動件的位移、速度和加速度隨著時間的變化情況等方面的資源缺乏，借助ANSYS軟件以凸輪機構(gòu)為實例，建立了凸輪機構(gòu)的模型并對其進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，得出了從動件的位移、速度和加速度隨時間變化的曲線。另外，學(xué)生可在結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的范圍內(nèi)，輸入不同的尺寸參數(shù)獲得對應(yīng)的運動關(guān)系曲線。提高了學(xué)生感性認識的同時，進一步延伸了其對機構(gòu)運動特性的理解和掌握，對于提高學(xué)生的機械設(shè)計能力有較強的實際意義。

1 ?機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)資源庫建設(shè)架構(gòu)

1.1 ?機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)資源庫建設(shè)總體內(nèi)容

圍繞學(xué)生為主體，以提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力為目的。機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)資源庫的建設(shè)內(nèi)容主要包括以下模塊：動畫視頻資源庫、PPT課件資源庫、習(xí)題作業(yè)資源庫、課程設(shè)計資源庫、ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫等，重點研究“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫”的建設(shè)。

各模塊的具體內(nèi)容和能實現(xiàn)的功能要求如以下所示：（1）“動畫視頻資源庫”包括：平面連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、輪系、間歇運動機構(gòu)和帶傳動、鏈傳動機構(gòu)的動畫視頻。通過學(xué)習(xí)動畫視頻資源庫，學(xué)生可以在課前自主進行視頻學(xué)習(xí)，加強學(xué)生對即將所學(xué)機構(gòu)的感知認識，加深學(xué)生對各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的理解和掌握。（2）“PPT課件資源庫”包含：電子版教材、課件PPT、課程教案、教學(xué)大綱以及其他微課視頻參考資料等。（3）“習(xí)題作業(yè)資源庫”主要有：自測練習(xí)庫（填空題和選擇題）、課后作業(yè)習(xí)題庫（計算題、作圖分析題和思考簡答題）、創(chuàng)新作業(yè)交流區(qū)。所設(shè)習(xí)題作業(yè)資源庫與課程教學(xué)內(nèi)容同步接軌，考核學(xué)生對知識點的掌握程度，加深學(xué)生對知識點的理解。（4）“課程設(shè)計資源庫”內(nèi)含：常用設(shè)計標準和規(guī)范、減速器設(shè)計實例、設(shè)計參考圖例和其他裝置設(shè)計探討等，旨在讓學(xué)生了解相關(guān)國家標準和行業(yè)標準的同時提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐設(shè)計能力。（5）“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫”主要有：平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)ANSYS分析資源庫，通過對各機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，了解機構(gòu)中構(gòu)件的瞬時速度和瞬時加速度隨時間的變化情況。

1.2 ?ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫建設(shè)

ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫目前含有平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)庫，其框架如圖1所示。

課堂教學(xué)前，資源庫的學(xué)習(xí)使用有利于滿足輔助導(dǎo)學(xué)的要求。在學(xué)習(xí)完相關(guān)機構(gòu)的內(nèi)容之后，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和需求，對不同機構(gòu)的動力學(xué)問題進行研究和分析，通過在對應(yīng)資源庫的ANSYS程序中輸入不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)并運行，可得到機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度隨時間的變化情況。學(xué)生可對比ANSYS運行結(jié)果和自己通過作圖法或解析法獲得的結(jié)果，在對結(jié)果比較和分析的過程中，學(xué)生對機構(gòu)的空間運動情況的認知能力得到提高，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

2 ?實例分析

以凸輪機構(gòu)為例，圖2所示為一對心尖頂直動從動件盤狀凸輪機構(gòu)，從動件位移s隨時間的變化曲線圖如圖3所示。

借助ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫，可直觀清晰的向?qū)W生展示從動件隨凸輪的運動情況，能形象地顯示凸輪機構(gòu)的推程、遠休止、回程和近休止四個運動過程，及每個過程對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角及從動件的行程位移。

1—盤狀凸輪;2-尖頂從動件

圖4和圖5分別是從動件位移和速度隨時間變化曲線圖及位移和加速度隨時間變化曲線。通過展示ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫中的凸輪機構(gòu)，學(xué)生能夠較快地理解凸輪機構(gòu)四個運動過程中涉及的名詞概念，能高效地將理論知識和應(yīng)用結(jié)合起來。

3 ?建設(shè)效果

將2018級過程裝備與控制工程專業(yè)49名學(xué)生分成兩小組，其中，24名學(xué)生為“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫”學(xué)習(xí)小組成員，另外25名學(xué)生為非學(xué)習(xí)小組成員。對于學(xué)習(xí)小組成員，他們可以利用課余時間進行了軟件學(xué)習(xí)及資源庫框架的搭建與實現(xiàn)，小組成員還各負其責(zé)，并能互幫互學(xué)，在學(xué)習(xí)過程中師生關(guān)系和諧，學(xué)生對資源庫學(xué)習(xí)充滿熱情，樂于動手收集和動腦學(xué)習(xí)處理問題。從課程學(xué)期期末考試和三年級上學(xué)期的機械設(shè)計課程設(shè)計的完成質(zhì)量來看，成績在80分及以上的學(xué)生中，學(xué)習(xí)小組成員占比高達93.6%，其對于課程知識點的掌握情況明顯比另外非教改成員更扎實。

在ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫的學(xué)習(xí)和使用過程中，激發(fā)了學(xué)生對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時給學(xué)有余力的學(xué)生提供了個性化學(xué)習(xí)的空間。學(xué)習(xí)組學(xué)生對機器及機構(gòu)的動態(tài)感知能力明顯提高，提升了學(xué)生相關(guān)知識的遷移運用能力和創(chuàng)造性思維水平。

在資源庫建設(shè)的過程中，教師對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的知識系統(tǒng)進行了一次全面的歸納和整理，教師的教學(xué)素質(zhì)得到較大提升的同時，也擴寬了學(xué)科綜合知識的儲備量。在教學(xué)的過程中，資源庫的應(yīng)用豐富了教學(xué)素材，活躍了課堂教學(xué)氛圍。資源庫的共建共享提高了教師的備課效率，對于課程改革的進一步推進和發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

4 ?結(jié) ?論

學(xué)生對于專業(yè)類課程的學(xué)習(xí)，不應(yīng)該僅僅滿足于課堂知識的掌握，還需要依靠相關(guān)知識的應(yīng)用和實踐來深化和豐富專業(yè)知識內(nèi)容。工科類專業(yè)學(xué)生對各種機構(gòu)的結(jié)構(gòu)認知和其動力學(xué)性能的準確分析能力是必須具備的基本技能，在這個過程中學(xué)生需要將內(nèi)容繁多、不易理解且較為分散的知識點在一定的學(xué)時內(nèi)學(xué)習(xí)完成。

建立的機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)資源庫，特別是“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫建設(shè)”，不僅能形象直觀地展示出平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，更能直接仿真得出三種機構(gòu)中從動件在任意位置處的位移、速度和加速度隨時間的變化曲線，不需要通過大量的數(shù)學(xué)計算和解析就可以快速獲得機構(gòu)的動力學(xué)分析結(jié)果，這對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生和有個性化學(xué)習(xí)要求的學(xué)生十分友好。資源庫的建設(shè)很大程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量，書面的理論資料和三維模型的運動分析之間合理的結(jié)合，構(gòu)建了直觀形象、豐富有趣的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，教師也可以根據(jù)資源庫中學(xué)生習(xí)題作答的反饋情況，對學(xué)生進行有針對性的教學(xué)和輔導(dǎo)。

課程教學(xué)資源庫的建設(shè)是一個需要不斷改進和長期完善的過程，對于“ANSYS機構(gòu)運動分析資源庫建設(shè)”中其他機構(gòu)模型的建立和完善以及相關(guān)參數(shù)輸入界面的優(yōu)化改進仍在不斷地思考中。作為首次運用ANSYS建立機構(gòu)運動分析資源庫的院校，對于已經(jīng)建立好的資源庫，可以提供為其他兄弟院校共享使用，并起到一個拋磚引玉的參考作用，具有一定的示范意義。

參考文獻：

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[5] 劉瑞，劉欣玉.“機械設(shè)計與應(yīng)用”翻轉(zhuǎn)課堂交互式教學(xué)模式的探索 [J].機械職業(yè)教育，2016（2）：33-34.

作者簡介：張玲艷（1982—），女，漢族，江西九江人，副教授，碩士研究生，研究方向：高等教育學(xué)。