陳紅亮，陳升芳

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

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在機(jī)械原理課程中應(yīng)用

陳紅亮1，陳升芳2

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

在機(jī)械原理課程中，圖解法、解析法等傳統(tǒng)教學(xué)方法抽象繁瑣且實(shí)際操作困難.在機(jī)械原理課堂教學(xué)引入計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)建立虛擬樣機(jī)技術(shù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并做出機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，可促進(jìn)學(xué)生理解和掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性，提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，從而高效率地實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)目標(biāo).

機(jī)械原理；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；ADAMS

機(jī)械原理是一門研究機(jī)器和機(jī)構(gòu)的學(xué)科.機(jī)械原理中將各機(jī)器的共同問(wèn)題歸納為機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué).其中，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可能性和確定性，并進(jìn)一步討論機(jī)構(gòu)的組成原理；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)不考慮機(jī)構(gòu)構(gòu)件的物理性質(zhì)和加在構(gòu)件上的力，而從幾何的角度描述和研究構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度等的變化規(guī)律；機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究機(jī)械系統(tǒng)中各構(gòu)件已知載荷作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、求解各個(gè)構(gòu)件之間的相互作用力、機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的分析等[1-4].研究機(jī)械和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的方法有圖解法、解析法、實(shí)驗(yàn)法等.其中，圖解法可以形象、直觀表示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但其求解精度不高，而且對(duì)于較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)不僅需要反復(fù)作圖，其過(guò)程相當(dāng)繁瑣，工作量大，并且存在測(cè)量誤差，因此其求解的準(zhǔn)確性較差；解析法將機(jī)構(gòu)中已知的尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)變量與未知的運(yùn)動(dòng)變量建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，然后進(jìn)行求解，因此數(shù)學(xué)關(guān)系式一旦建立，即可求解機(jī)構(gòu)在不同位置處的運(yùn)動(dòng)變量，但對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)，由于各變量之間高度非線性耦合，需要編制復(fù)雜的求解計(jì)算機(jī)程序，工作量也很大，輸出的結(jié)果并沒(méi)有直觀地演示；實(shí)驗(yàn)法則需要制造物理樣機(jī)，耗時(shí)長(zhǎng)，成本高[3].

1 機(jī)械原理教學(xué)方法分析

傳統(tǒng)的機(jī)械原理教學(xué)應(yīng)用多媒體與板書(shū)相結(jié)合并配以少量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，枯燥乏味，缺乏對(duì)學(xué)生的吸引力，與當(dāng)前提倡的理實(shí)一體化教學(xué)方法不符，達(dá)不到培養(yǎng)目標(biāo)要求.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD和CAE技術(shù)也快速發(fā)展，借助于CAE軟件的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)已在各門學(xué)科獲得廣泛開(kāi)展應(yīng)用.著名的CAE軟件有Pro/E、UG、ADAMS等，都可以滿足機(jī)械原理的輔助教學(xué)要求.本文以ADAMS軟件為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)工具，對(duì)機(jī)械原理中平面六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模和動(dòng)態(tài)仿真，消除了圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法的繁瑣以及難以實(shí)際操作的缺點(diǎn)，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂效果，又使學(xué)生更好地理解和掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性.

2 基于機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的機(jī)械原理教學(xué)

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，是美國(guó)MSC公司開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，非常適合于機(jī)械原理的教學(xué)[5-8].

平面六桿機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，是經(jīng)典的機(jī)械原理教學(xué)案例. 已知各構(gòu)件的尺寸AB=100 mm，BC=160 mm，CD=160 mm，AD=224 mm，L=120 mm，原動(dòng)件1位置角ψ1=60°、等角速度ω1=30°/s, ,逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，試求解構(gòu)件5的速度和加速度.

圖1 平面六桿機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)位置圖，接著分析該題的解題步驟.因?yàn)棣?已知，故可求出B點(diǎn)的速度VB、加速度aB，然后利用同一構(gòu)件上兩點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量方程求解點(diǎn)C的速度VC和加速度aC，再利用影像法求構(gòu)件2上點(diǎn)E2速度VE2和加速度aE2，最后利用組成移動(dòng)兩構(gòu)件2/4上重合點(diǎn)E2、E4間相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量方程式求構(gòu)件4上E4的點(diǎn)速度VE4、加速度aE4.因?yàn)闃?gòu)件5為移動(dòng)構(gòu)件，其上各點(diǎn)的速度、加速度相等，故有VE4=VE5=V5，aE4=aE5=a5.

從以上分析過(guò)程可見(jiàn)，運(yùn)用圖解法作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，需先按比例繪出所求機(jī)構(gòu)位置的機(jī)構(gòu)位置圖，然后再根據(jù)該位置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析.分析結(jié)構(gòu)是由所作的圖中直接測(cè)量數(shù)據(jù)，并乘以相應(yīng)的比例尺所得.這種方法形象、直觀，但精度不高，而且當(dāng)需對(duì)機(jī)構(gòu)的一系列位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，必須反復(fù)作圖.這一過(guò)程相對(duì)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(jí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)于單自由度的Ⅲ級(jí)平面機(jī)構(gòu)，若采用Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)的方法去分析，會(huì)出現(xiàn)未知數(shù)多于方程數(shù)目而無(wú)法求解.需要對(duì)Ⅲ級(jí)平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化.這種解析法也較煩瑣，且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤[2].

2.2 計(jì)算機(jī)仿真輔助求解

根據(jù)已知條件，在計(jì)算機(jī)仿真軟件中建立模型(見(jiàn)圖2).并在1桿2桿、2桿3桿、1桿和機(jī)架6、3桿和機(jī)架6及4桿和5桿間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在4桿2桿之間添加移動(dòng)副，移動(dòng)方向沿著2桿方向，5桿和機(jī)架6之間添加移動(dòng)副，方向豎直向上.

圖2 平面六桿機(jī)構(gòu)仿真模型

然后在1桿和機(jī)架6之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副添加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速為30°/s，最后建立仿真.仿真結(jié)束后，建立如下測(cè)量：5桿在豎直方向上的速度和加速度，1桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖3～圖7).為了便于研究，本次曲線從ψ1=120°～0°時(shí)5桿的速度和加速度曲線.

圖3 ψ1隨時(shí)間角度變化曲線

圖4 5桿速度隨時(shí)間變化圖

圖5 5桿加速度隨時(shí)間變化圖

圖6 5桿速度和1桿角度ψ1的關(guān)系曲線

圖7 5桿加速度和1桿角度ψ1的關(guān)系曲線

圖3為ψ1隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，根據(jù)圖1建立的機(jī)構(gòu)，仿真時(shí)1桿先以30°/s角速度將其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)ψ1為120°時(shí)，再以30°/s角速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)ψ1為0°時(shí)，為方便觀察，橫坐標(biāo)時(shí)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(shí)間變化的曲線，同樣的道理，橫坐標(biāo)時(shí)間從2 s到6 s.圖6為5桿的速度和1桿的角度之間關(guān)系曲線，從曲線中可以看出來(lái)，在ψ1=60°時(shí)，1桿角速度從0快速到30°/s逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到ψ1=120°，然后從ψ1=120°轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)系曲線，在ψ1=60°有一個(gè)加速度突變，是因?yàn)?桿加速度從0突然加到30°/s時(shí)的一個(gè)階躍響應(yīng)，而從圖中可以看出，在ψ1=120°處再反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，加速度沒(méi)有明顯突變.

從以上的分析可以看出，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在機(jī)械原理教學(xué)中具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真有效彌補(bǔ)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(jī)構(gòu)一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)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(shí)際機(jī)械機(jī)構(gòu)的復(fù)雜多樣，組成機(jī)械機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)具有高耦合度和高度非線性，因此建立數(shù)學(xué)模型和編制計(jì)算解析程序相當(dāng)繁瑣.

(2)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)仿真出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，能夠有效地繪出機(jī)構(gòu)各個(gè)姿態(tài)曲線，也能夠繪出各個(gè)曲線之間相互關(guān)系，形象直觀，便于學(xué)生理解和掌握，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性.

(3)計(jì)算機(jī)仿真軟件ADAMS還可用于機(jī)械原理中凸輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和軸承的設(shè)計(jì)與仿真分析等.該軟件非常適合機(jī)械原理課程輔助教學(xué).

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用，機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS具有良好的機(jī)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(shù)在機(jī)械原理課程上進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析教學(xué)和演示，將抽象的理論通過(guò)圖表分析以及仿真動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生結(jié)合虛擬樣機(jī)實(shí)踐技能，理解并掌握機(jī)械原理理論知識(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)以及創(chuàng)新能力.

[1] 高中庸，孫學(xué)強(qiáng).機(jī)械原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2] 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.

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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(yáng)人，博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與教學(xué).