ADAMS在《理論力學(xué)》課程教學(xué)改革中的應(yīng)用與實踐

謝立敏，翁紅林

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州)

一 引言

隨著全球制造業(yè)的巨大變革，社會對人才的要求也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化，更加重視具有實踐能力和創(chuàng)新能力的人才。高校作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要基地，勢必順應(yīng)發(fā)展趨勢，以培養(yǎng)同時具備扎實基礎(chǔ)理論知識和先進技術(shù)的實用新型人才為目標，不斷改進培養(yǎng)方案。高校老師在教學(xué)中也必須不斷地進行教學(xué)改革，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育思想，樹立全面發(fā)展的教育理念，尋求更適應(yīng)人才培養(yǎng)的教學(xué)方式。

《理論力學(xué)》是工科類機械、土木建筑、航空和電子等許多專業(yè)的大學(xué)生需要掌握的一門非常重要的科類基礎(chǔ)課，也是后續(xù)專業(yè)課程，如材料力學(xué)、彈性力學(xué)、機械設(shè)計、機械原理等的理論依據(jù)。然而由于課程安排不合理，實踐條件所限，同時受到新冠疫情的影響，大多數(shù)學(xué)生在《理論力學(xué)》課程學(xué)習(xí)前無法進入工廠或相關(guān)企業(yè)進行實踐認知，因此缺乏對工程實例的認知，課堂上缺少實物模型展示，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》課程時會覺得理論力學(xué)的模型過于抽象、不易理解和掌握，難以將理論和實際聯(lián)系起來。且這門課程的邏輯性較強，公式較多，計算操作過程較復(fù)雜，學(xué)生們在學(xué)習(xí)該課程的過程中常常覺得難度較高，不易理解，期末卷面成績并不理想。而且傳統(tǒng)的課堂教學(xué)也主要是強調(diào)對于公式和定理的推導(dǎo)，以及針對已經(jīng)抽象和簡化為力學(xué)模型的問題進行分析和求解，缺少針對工程實際問題進行力學(xué)建模的講解，缺乏對研究對象本身的運動學(xué)、動力學(xué)進行更深入的分析和研究。課程學(xué)習(xí)完后，學(xué)生只會解題，卻不懂到底解的是什么，為什么而解，更難以運用所學(xué)知識對工程實際問題進行深入的分析和處理。

針對《理論力學(xué)》課程在教學(xué)中存在的這些問題，相關(guān)的教學(xué)改革已經(jīng)得到開展并取得了一定的成果[1-5]。其中，可視化教學(xué)模式是理論力學(xué)教學(xué)改革和實踐的一個指導(dǎo)性方向。例如，在哈工大主編的第八版理論力學(xué)教材中添加了機構(gòu)運動動畫的二維碼鏈接。但是這些視頻僅僅起到動畫演示的作用，并未對系統(tǒng)的模型建立、約束情況、受力情況進行說明和分析。學(xué)生僅能了解系統(tǒng)的運動狀態(tài)，不能有效提高其分析解決問題的能力。虛擬樣機技術(shù)可以采用可視化的方式在計算機中建立系統(tǒng)模型，并基于仿真結(jié)果對系統(tǒng)進行運動學(xué)、動力學(xué)分析和優(yōu)化。因此非常適合應(yīng)用于《理論力學(xué)》課程的教學(xué)改革與實踐。

虛擬仿真技術(shù)在《理論力學(xué)》的課堂教學(xué)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如，聶炬[6]使用3dmax與EON Studio軟件建立了力學(xué)虛擬實驗室，可以對力學(xué)問題進行預(yù)實驗和數(shù)據(jù)處理分析。孟勇[7]利用MAPLE軟件，將系統(tǒng)的運動以動畫形式展示，并輸出結(jié)果。黃忠文[8]、翁劍成[9]使用ANSYS軟件對理論力學(xué)問題進行了分析。高云峰[10-12]、紀冬梅[13]、敖文剛[14]等均采用MATLAB軟件對理論力學(xué)中的靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)問題進行分析和求解。楊碩[15]、程和平[16]利用Mathematica軟件輔助教學(xué)，簡化了計算并實現(xiàn)可視化教學(xué)。然而，這些虛擬仿真軟件對于理論力學(xué)的教學(xué)都存在著一些不足之處。例如，3dmax和 MAPLE軟件在機械等工科專業(yè)的后續(xù)課程學(xué)習(xí)中不常用到，難以持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計應(yīng)用能力；ANSYS的熟練運用需要學(xué)生具有材料力學(xué)和彈性力學(xué)的知識基礎(chǔ)，對學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識水平要求較高；MATLAB和Mathematica則要求學(xué)生既要具備良好的理論基礎(chǔ)，又要掌握計算機編程，其實對學(xué)生提出了更高的要求，增加了學(xué)習(xí)難度。相比于上述的幾種軟件，ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析）作為目前全球領(lǐng)先、應(yīng)用最廣的機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，以其可視化、易操作、界面友好、功能強大、求解迅速的優(yōu)越性在工程實際應(yīng)用中得以廣泛使用。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中引入ADAMS軟件作為輔助教學(xué)，能夠使學(xué)生通過仿真動畫直觀地了解系統(tǒng)的運動狀態(tài)，調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性，優(yōu)化課堂教學(xué)過程。并且為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、各種競賽甚至就業(yè)提供幫助。

本文將 ADAMS 虛擬仿真技術(shù)融入《理論力學(xué)》課程的教學(xué)中，設(shè)計了課堂上的交互式案例教學(xué)和課后的項目實踐活動相結(jié)合的教學(xué)模式，分別針對靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的例題進行解析法和ADAMS求解對比，結(jié)果證明了在《理論力學(xué)》課堂教學(xué)過程中引入 ADAMS軟件應(yīng)用的優(yōu)越性和必要性。又通過以項目形式的課后實踐活動進一步鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際、利用先進仿真技術(shù)快速且準確地解決復(fù)雜工程問題的能力，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

二 ADAMS融入《理論力學(xué)》教學(xué)的方法

《理論力學(xué)》是一門將工程實際問題抽象成理論模型，再借助相關(guān)力學(xué)知識解決工程實際問題的課程。因此，在本課程的學(xué)習(xí)過程中，對學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識的掌握和運用理論知識解決實際問題這兩方面能力的培養(yǎng)同樣重要。于是我們將ADAMS在《理論力學(xué)》課程中教學(xué)實踐的實施劃分為課堂中的案例教學(xué)和課后的項目實踐兩個環(huán)節(jié)。

（一） ADAMS在《理論力學(xué)》課堂教學(xué)中的應(yīng)用

《理論力學(xué)》的主要內(nèi)容包括靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)。在課堂上，教師的講解內(nèi)容一般為基礎(chǔ)理論知識講解與例題講解。由于ADAMS能夠?qū)崿F(xiàn)對一個機構(gòu)的建模、約束施加、力或驅(qū)動的加載，以及靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，因此，教師在教學(xué)中可以適當(dāng)?shù)貙DAMS融入例題講解中。將利用ADAMS軟件求解出的結(jié)果與解析法得到的結(jié)果進行對比，以加深學(xué)生對知識的理解。同時，還可以讓學(xué)生掌握一種先進軟件，這對以后的學(xué)習(xí)和工作都是非常有幫助的。

1.ADAMS在靜力學(xué)中的應(yīng)用

靜力學(xué)主要是研究物體在受力處于平衡狀態(tài)時所應(yīng)滿足的條件。利用ADAMS軟件對系統(tǒng)進行建模，可以快速地對系統(tǒng)中所有構(gòu)件進行受力分析。主要涉及到兩類問題：一是約束的添加，二是靜力學(xué)問題的求解。

（1）對各種約束類型的認識

系統(tǒng)的各個構(gòu)件之間需要用適當(dāng)?shù)募s束來連接。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，只是“填鴨式”地讓學(xué)生記住每個約束的特點，很多學(xué)生并不能理解約束的含義，甚至搞不清約束體與被約束體之間的關(guān)系。此時運用ADAMS軟件對模型進行約束的添加就可幫助學(xué)生理解各種約束。ADAMS軟件中提供了常用的幾種運動副（約束），如圖1所示。以旋轉(zhuǎn)副為例，在添加旋轉(zhuǎn)副時需要選擇兩個物體和一個位置，如圖2。這個添加過程就需要學(xué)生搞明白該約束所連接的是哪兩個物體，作用的位置在哪里。特別對于具有多重約束的點（在一個位置上同時存在多個同種約束或多種約束），同學(xué)們往往很難理解約束體與被約束體之間一一對應(yīng)的關(guān)系，通過ADAMS的實際操作，能夠幫助同學(xué)們加深理解。

圖1 常用的運動副

圖2 旋轉(zhuǎn)副設(shè)置

（2）靜力學(xué)問題的建模與求解舉例

例題1：如圖3所示簡支梁長1m，中點處作用豎直向下的力F=2000N。求兩支座處的約束力。

圖3 例題1

解析法：我們對此題進行受力分析，列平衡方程求解：

解得A、B處支座的約束力：FA=FB=1000N 。

ADAMS求解法：首先在ADAMS View中建立其仿真模型，如圖4所示。A點處為固定支座約束，A點可轉(zhuǎn)動但不可移動，因此在AB桿和地面間添加旋轉(zhuǎn)副。B點處為滾動支座，B點可移動也可轉(zhuǎn)動，因此在AB桿和地面間施加旋轉(zhuǎn)副和移動副。然后在AB桿中點施加一個豎直向下的力F。

圖4 仿真模型

最后利用ADAMS中的后處理工具可快速地給出仿真結(jié)果。如圖5和圖6所示。圖5為支座A處的約束力，圖6為支座B處的約束力。

圖5 支座A處的約束力

圖6 支座B處的約束力

由圖5和圖6 可看出，ADAMS仿真得到的數(shù)值與解析法計算出的理論值相等。說明了ADAMS求解靜力學(xué)問題分析的正確性。而且ADAMS的求解過程簡單快速，只需將模型建立正確，點選需要求解的量即可得到所需動態(tài)結(jié)果，直觀準確，無需建立復(fù)雜的平衡方程求解。

2.ADAMS在運動學(xué)中的應(yīng)用

運動學(xué)主要研究物體的運動情況，而不研究引起物體運動的物理原因。ADAMS在運動學(xué)中的應(yīng)用較為廣泛，可以幫助學(xué)生解決一些理論力學(xué)日常教學(xué)中的運動學(xué)問題，加深學(xué)生對運動學(xué)的理解。通過ADAMS可以直觀地了解剛體在一個時間段內(nèi)位移、速度和加速度隨時間變化的情況，并可提取在某一時刻的位移、速度和加速度數(shù)值。現(xiàn)以最常見的曲柄連桿滑塊機構(gòu)為例。

例題2：如圖7所示曲柄連桿滑塊機構(gòu)。AB長200mm，BC長500mm。已知曲柄AB繞A點作勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角速度為10rad/s。求當(dāng)AB與水平面成90°夾角時滑塊C的移動速度。

圖7 例題2

解析法：對此題進行運動分析，BC桿作平面運動，當(dāng)AB與水平面成90°夾角時，BC桿作瞬時平移，如圖8，則此時滑塊C的移動速度：vc=vb=ABω=2000mm/s，方向水平。

圖8 速度圖

ADAMS求解法：首先建立其仿真模型，如圖9所示。A、B、C處添加旋轉(zhuǎn)副，C與地面間添加移動副。A處施加一個轉(zhuǎn)動驅(qū)動，設(shè)置類型為速度，大小為10rad/s，如圖10。然后進行仿真，仿真時間1s。

圖9 仿真模型

圖10 驅(qū)動設(shè)置

對仿真結(jié)果進行后處理，輸出B點Y方向上的位移和C點X方向的速度，如圖11。從圖11中可看出，當(dāng)AB轉(zhuǎn)角為90°，即B點到達最高位置200mm時，C點的速度為2000mm/s，這與解析法求得的數(shù)值相等。從圖11中還能直觀方便地得到曲柄到達任意角度時C點的速度、加速度等值。同理，我們只需要在構(gòu)件中設(shè)置標記點，便可得到任意標記點的位移、速度、加速度等信息（例如圖12顯示的是BC桿中點D點的Y方向上的位移、速度和加速度曲線），而不需要進行復(fù)雜的運動學(xué)分析和計算，極其方便快捷。

3.ADAMS在動力學(xué)中的應(yīng)用

動力學(xué)研究的是受力物體的運動與作用力之間的關(guān)系。動力學(xué)的問題一般都比較復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映難度大，不易掌握。ADAMS軟件在動力學(xué)仿真的應(yīng)用中起著非常關(guān)鍵的作用，能清楚地反映力與運動的關(guān)系，對求解內(nèi)力和力的變化規(guī)律有很大幫助。

例題3：如圖13所示，一滑塊質(zhì)量為50kg，以速度50mm/s在水平滑道內(nèi)滑動，其中點O處鉸接一質(zhì)量為10kg，長500mm的均質(zhì)桿OA，桿以勻角速度1rad/s繞O轉(zhuǎn)動。試求鉸鏈O處的約束力。

該題為已知運動求力的動力學(xué)問題，對系統(tǒng)進行受力分析，如圖14所示。按照理論力學(xué)的解析法的解題思路，此時需要用到動能定理和質(zhì)心運動定理來求解鉸鏈O處的約束力，計算過程復(fù)雜，計算量大。但是通過ADAMS軟件，只需正確建立模型（圖15）便可迅速得到O處約束力隨時間變化的曲線（圖16），直觀地了解運動中物體所受內(nèi)力的變化情況。

圖14 受力圖

圖15 仿真模型

圖16 O處約束力隨時間變化的曲線

將ADAMS融入到課堂教學(xué)可以通過借助可視化的模型進行仿真和數(shù)據(jù)分析，加深對相關(guān)理論知識的理解；同時通過相關(guān)理論知識加深對ADAMS的理解和認識，從而更好地實現(xiàn)虛擬樣機技術(shù)與傳統(tǒng)理論課程內(nèi)容的有機結(jié)合。這種交互式的案例教學(xué)方法可以直觀地讓靜止的系統(tǒng)運動起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強對問題的深入理解，優(yōu)化課堂教學(xué)全過程，提高學(xué)習(xí)效率。同時也促使學(xué)生掌握一項先進的應(yīng)用軟件，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和設(shè)計打下基礎(chǔ)。

（二） ADAMS在《理論力學(xué)》課后實踐中的應(yīng)用

為了強化學(xué)生對理論力學(xué)知識的理解和應(yīng)用，我們在學(xué)期末要求學(xué)生完成一項基于ADAMS的課后實踐項目，目的在于鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生利用ADAMS軟件和理論力學(xué)知識對復(fù)雜的工程力學(xué)問題進行系統(tǒng)綜合仿真與分析的能力。課后實踐項目的要求為：每3名學(xué)生組成1個項目小組，選取工程或生活中適當(dāng)?shù)膶嶋H問題，利用ADAMS軟件進行力學(xué)建模、動力學(xué)仿真和結(jié)果分析。然后選派1名代表進行課堂展示，與其他學(xué)生進行課上交流，分享項目研究過程中遇到的各種問題及解決方法等心得體會。并且最終整理出一份項目報告。整個項目完成時間為兩周。

由于該項目僅要求學(xué)生運用ADAMS軟件對問題進行分析和求解，重點在于建立正確的模型，搞懂構(gòu)件之間的約束關(guān)系，施加正確的力或驅(qū)動，然后對生成的數(shù)值結(jié)果進行合理的分析。整個過程不涉及復(fù)雜的計算，再加上學(xué)生普遍對能夠直觀地觀察物體運動情況的仿真軟件比較感興趣，因此相比于往常的需要大量地列公式求解計算的設(shè)計項目，本次項目較容易且有趣。在整個項目的執(zhí)行過程中，同學(xué)們表現(xiàn)出極大的熱情和積極性，具有強烈的探索欲望。學(xué)生在實踐過程中自然而然地便將理論力學(xué)中學(xué)到的理論知識應(yīng)用到實際問題的分析和求解過程中，實現(xiàn)了理論聯(lián)系實際。同時，小組研討的形式使得同學(xué)們在研究的過程中必須進行合理的分工協(xié)作和集體討論。這種以項目為內(nèi)容的實踐活動能夠讓學(xué)生在“做中學(xué)”，通過對實際問題的分析和求解，更好地掌握和運用知識的同時，加深理解，提高軟件應(yīng)用能力，鍛煉團結(jié)合作精神。圖17中簡單列舉了學(xué)生所作實踐項目的結(jié)果。

圖17 學(xué)生實踐項目舉例

三 結(jié)語

本文從《理論力學(xué)》課程教學(xué)改革的角度出發(fā)，研究了ADAMS在《理論力學(xué)》課程教學(xué)中的探索與應(yīng)用，實現(xiàn)了教學(xué)形式的創(chuàng)新。一方面通過基于ADAMS的交互式課堂教學(xué)模式將課本中較為抽象的力學(xué)知識變得直觀生動，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化了理解，豐富了教學(xué)內(nèi)容，改善了教學(xué)效果。另一方面設(shè)置了課后實踐項目，使學(xué)生在“做中學(xué)”，培養(yǎng)了將理論聯(lián)系實際、解決復(fù)雜工程問題的能力，鍛煉學(xué)生利用先進計算機輔助設(shè)計工具進行創(chuàng)新設(shè)計的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和學(xué)科競賽打下良好的基礎(chǔ)。