计算机辅助教学在机械原理课程中应用

陈红亮，陈升芳

(1.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州 310018；2.杭州金宇电子有限公司,浙江 杭州 310018)

计算机辅助教学在机械原理课程中应用

陈红亮1，陈升芳2

(1.浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州 310018；2.杭州金宇电子有限公司,浙江 杭州 310018)

在机械原理课程中，图解法、解析法等传统教学方法抽象繁琐且实际操作困难.在机械原理课堂教学引入计算机辅助教学，应用ADAMS软件对机械系统建立虚拟样机技术并进行动态仿真，并做出机械机构运动响应曲线，可促进学生理解和掌握机构运动特性和动力学特性，提高学生对课程的学习兴趣，增强学生的学习动力，从而高效率地实现课堂教学目标.

机械原理；计算机辅助教学；ADAMS

机械原理是一门研究机器和机构的学科.机械原理中将各机器的共同问题归纳为机构结构学、机构运动学和机构动力学.其中，机构结构学研究机构运动的可能性和确定性，并进一步讨论机构的组成原理；机构运动学不考虑机构构件的物理性质和加在构件上的力，而从几何的角度描述和研究构件上各点的轨迹、位移、速度、加速度等的变化规律；机构动力学研究机械系统中各构件已知载荷作用下的真实运动规律、求解各个构件之间的相互作用力、机械系统振动的分析等[1-4].研究机械和机构运动学、动力学的方法有图解法、解析法、实验法等.其中，图解法可以形象、直观表示机构运动规律，但其求解精度不高，而且对于较复杂的机构不仅需要反复作图，其过程相当繁琐，工作量大，并且存在测量误差，因此其求解的准确性较差；解析法将机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量建立相应的数学关系式，然后进行求解，因此数学关系式一旦建立，即可求解机构在不同位置处的运动变量，但对于复杂机构，由于各变量之间高度非线性耦合，需要编制复杂的求解计算机程序，工作量也很大，输出的结果并没有直观地演示；实验法则需要制造物理样机，耗时长，成本高[3].

1 机械原理教学方法分析

传统的机械原理教学应用多媒体与板书相结合并配以少量实验的教学方法，枯燥乏味，缺乏对学生的吸引力，与当前提倡的理实一体化教学方法不符，达不到培养目标要求.随着计算机技术的发展，CAD和CAE技术也快速发展，借助于CAE软件的计算机辅助教学(CAI)已在各门学科获得广泛开展应用.著名的CAE软件有Pro/E、UG、ADAMS等，都可以满足机械原理的辅助教学要求.本文以ADAMS软件为计算机辅助教学工具，对机械原理中平面六杆机构进行三维建模和动态仿真，消除了图解法、解析法和实验法的繁琐以及难以实际操作的缺点，既提高了学生的学习兴趣和课堂效果，又使学生更好地理解和掌握机构运动特性.

2 基于机械动力学仿真软件ADAMS的机械原理教学

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，是美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件，非常适合于机械原理的教学[5-8].

平面六杆机构(见图1)，是经典的机械原理教学案例. 已知各构件的尺寸AB=100 mm，BC=160 mm，CD=160 mm，AD=224 mm，L=120 mm，原动件1位置角ψ1=60°、等角速度ω1=30°/s, ,逆时针方向转动，试求解构件5的速度和加速度.

图1 平面六杆机构位置图

2.1 传统求解分析

采用图解法首先按一定的比例尺绘出平面六杆机构的机构位置图，接着分析该题的解题步骤.因为ω1已知，故可求出B点的速度VB、加速度aB，然后利用同一构件上两点的相对运动矢量方程求解点C的速度VC和加速度aC，再利用影像法求构件2上点E2速度VE2和加速度aE2，最后利用组成移动两构件2/4上重合点E2、E4间相对运动矢量方程式求构件4上E4的点速度VE4、加速度aE4.因为构件5为移动构件，其上各点的速度、加速度相等，故有VE4=VE5=V5，aE4=aE5=a5.

从以上分析过程可见，运用图解法作机构运动分析时，需先按比例绘出所求机构位置的机构位置图，然后再根据该位置的机构运动简图进行运动分析.分析结构是由所作的图中直接测量数据，并乘以相应的比例尺所得.这种方法形象、直观，但精度不高，而且当需对机构的一系列位置进行运动分析时，必须反复作图.这一过程相对烦琐[2].

采用解析法建立封闭矢量方程，但该方法只适用于Ⅱ级机构的运动分析，对于单自由度的Ⅲ级平面机构，若采用Ⅱ级机构的方法去分析，会出现未知数多于方程数目而无法求解.需要对Ⅲ级平面机构进行一定的转化.这种解析法也较烦琐，且容易出现错误[2].

2.2 计算机仿真辅助求解

根据已知条件，在计算机仿真软件中建立模型(见图2).并在1杆2杆、2杆3杆、1杆和机架6、3杆和机架6及4杆和5杆间添加转动副，在4杆2杆之间添加移动副，移动方向沿着2杆方向，5杆和机架6之间添加移动副，方向竖直向上.

图2 平面六杆机构仿真模型

然后在1杆和机架6之间的转动副添加转动驱动，其转速为30°/s，最后建立仿真.仿真结束后，建立如下测量：5杆在竖直方向上的速度和加速度，1杆转动角度，测量结果(见图3～图7).为了便于研究，本次曲线从ψ1=120°～0°时5杆的速度和加速度曲线.

图3 ψ1随时间角度变化曲线

图4 5杆速度随时间变化图

图5 5杆加速度随时间变化图

图6 5杆速度和1杆角度ψ1的关系曲线

图7 5杆加速度和1杆角度ψ1的关系曲线

图3为ψ1随时间变化关系曲线，根据图1建立的机构，仿真时1杆先以30°/s角速度将其逆时针转动ψ1为120°时，再以30°/s角速度顺时针转动ψ1为0°时，为方便观察，横坐标时间从2 s到6 s，图4和图5分别为5杆的速度和角速度随时间变化的曲线，同样的道理，横坐标时间从2 s到6 s.图6为5杆的速度和1杆的角度之间关系曲线，从曲线中可以看出来，在ψ1=60°时，1杆角速度从0快速到30°/s逆时针转动到ψ1=120°，然后从ψ1=120°转动到ψ1=0°，所以在120°处有一条竖线，表示此处角速度方向迅速改变.同样的道理，图7表示5杆加速度和1杆角度ψ1的关系曲线，在ψ1=60°有一个加速度突变，是因为1杆加速度从0突然加到30°/s时的一个阶跃响应，而从图中可以看出，在ψ1=120°处再反向转动时，加速度没有明显突变.

从以上的分析可以看出，计算机辅助教学在机械原理教学中具有以下优点：

(1)通过计算机仿真有效弥补了传统的图解法和解析法的不足之处.采用图解法求解机构一个周期的运动规律，需要多次做图，工作量巨大而且成效差；解析法由于实际机械机构的复杂多样，组成机械机构尺寸参数具有高耦合度和高度非线性，因此建立数学模型和编制计算解析程序相当繁琐.

(2)计算机辅助教学仿真出机构的运动情况，能够有效地绘出机构各个姿态曲线，也能够绘出各个曲线之间相互关系，形象直观，便于学生理解和掌握，促进学生的学习积极性和主动性.

(3)计算机仿真软件ADAMS还可用于机械原理中凸轮机构、带传动、链传动、齿轮传动和轴承的设计与仿真分析等.该软件非常适合机械原理课程辅助教学.

3 结 语

本文研究计算机辅助教学在机械原理课程教学中的应用，机械动力学仿真软件ADAMS具有良好的机械系统三维建模能力，并具有和Pro/E、UG等三维建模软件良好接口，可以充分利用该技术在机械原理课程上进行机械系统的建模及运动学和动力学仿真分析教学和演示，将抽象的理论通过图表分析以及仿真动画动态展现，促进学生结合虚拟样机实践技能，理解并掌握机械原理理论知识，进一步激发学生的学习热情，提高学生的综合素质以及创新能力.

[1] 高中庸，孙学强.机械原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2] 郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3] 崔 立，梁彩平，李 宁，等.ADAMS在机械原理机构教学中的应用[J].上海第二工业大学学报，2014,31(4):311-315

[4] 申永胜.机械原理教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5] 郭卫东，李守忠，马 璐.ADAMS2013应用实例精解教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

[6] 徐国宝，马金凤，王延年，等．基于ADAMS的跌落式装箱机的力学仿真研究[J]．包装食品机械，2016，34(1):44-47．

[7] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].2版.北京：国防工业出版社，2017.

[8] 宋少云，尹 芳.ADAMS在机械设计中的应用[M].北京：国防工业出版社，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

陈红亮(1970-)，男，浙江东阳人，博士，讲师，研究方向为机电一体化设备的设计开发与教学.