基于ANSYS的机械设计基础教学资源库建设

张玲艳 邱水才

摘  要：以学院2018级过程装备与控制工程专业学生为试验对象，在二年级初期采用兴趣报名的形式选取了24名学生进入“ANSYS机构运动分析资源库”建设学习组。利用课余时间进行了软件学习及资源库框架的搭建与实现。从课程期末考试和机械设计课程设计的完成结果来看，资源库的建设既提高了学生学习的兴趣和积极性，也拓宽了传统教学的内涵模式，为机械设计基础课程教学资源库的建设起到了一定的推进和借鉴作用。

关键词：教学资源库;机械设计基础;ANSYS

中图分类号：TP391.9;G434 文献标识码：A文章编号：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

為了适应时代科技和产业发展变革，各高校围绕课程设置、课程教学内容、教学方式手段和课程教学资源库等方面，不断地进行改革创新。机械设计基础课程作为机类和近机类专业必修的重要专业基础课，在基础课和专业课之间起桥梁衔接作用。针对机械设计基础课程的教学资源库的建设，目前普遍采用教具模型和网络教学视频等资源，如慕课、微课视频资源等。为了进一步加深学生对典型机构和零部件结构特征的认识，刘欣玉等采用SolidWorks软件为二次开发平台，建立了常用机构的动画视频教学资源库[1]。王宣借助于MATLAB软件，以项目化教学为目标建立教学资源库，实现了教案，习题、课件PPT等资源的汇总，搭建了师生公用平台[2]。张星等利用AutoCAD二次开发平台建立了凸轮机构的运行动画[3]。

目前建立的教学资源库能使机构及零部件的空间结构形象直观化，也能展示装配零部件的相对运动关系，很大程度上强化了学生对机器和机构的感性认识[4，5]。但是对于机器或机构运动起来之后的动力学问题，如运动时从动件的位移、速度和加速度随着时间的变化情况等方面的资源缺乏，借助ANSYS软件以凸轮机构为实例，建立了凸轮机构的模型并对其进行结构动力学分析，得出了从动件的位移、速度和加速度随时间变化的曲线。另外，学生可在结构参数合理的范围内，输入不同的尺寸参数获得对应的运动关系曲线。提高了学生感性认识的同时，进一步延伸了其对机构运动特性的理解和掌握，对于提高学生的机械设计能力有较强的实际意义。

1  机械设计基础教学资源库建设架构

1.1  机械设计基础教学资源库建设总体内容

围绕学生为主体，以提高学生的工程应用能力为目的。机械设计基础教学资源库的建设内容主要包括以下模块：动画视频资源库、PPT课件资源库、习题作业资源库、课程设计资源库、ANSYS机构运动分析资源库等，重点研究“ANSYS机构运动分析资源库”的建设。

各模块的具体内容和能实现的功能要求如以下所示：（1）“动画视频资源库”包括：平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、轮系、间歇运动机构和带传动、链传动机构的动画视频。通过学习动画视频资源库，学生可以在课前自主进行视频学习，加强学生对即将所学机构的感知认识，加深学生对各机构的结构构成的理解和掌握。（2）“PPT课件资源库”包含：电子版教材、课件PPT、课程教案、教学大纲以及其他微课视频参考资料等。（3）“习题作业资源库”主要有：自测练习库（填空题和选择题）、课后作业习题库（计算题、作图分析题和思考简答题）、创新作业交流区。所设习题作业资源库与课程教学内容同步接轨，考核学生对知识点的掌握程度，加深学生对知识点的理解。（4）“课程设计资源库”内含：常用设计标准和规范、减速器设计实例、设计参考图例和其他装置设计探讨等，旨在让学生了解相关国家标准和行业标准的同时提高学生的创新意识和实践设计能力。（5）“ANSYS机构运动分析资源库”主要有：平面连杆机构、凸轮机构和齿轮机构ANSYS分析资源库，通过对各机构进行结构动力学分析，了解机构中构件的瞬时速度和瞬时加速度随时间的变化情况。

1.2  ANSYS机构运动分析资源库建设

ANSYS机构运动分析资源库目前含有平面连杆机构、凸轮机构和齿轮机构库，其框架如图1所示。

课堂教学前，资源库的学习使用有利于满足辅助导学的要求。在学习完相关机构的内容之后，学生可以根据自己的兴趣和需求，对不同机构的动力学问题进行研究和分析，通过在对应资源库的ANSYS程序中输入不同的结构参数并运行，可得到机构的瞬时速度和瞬时加速度随时间的变化情况。学生可对比ANSYS运行结果和自己通过作图法或解析法获得的结果，在对结果比较和分析的过程中，学生对机构的空间运动情况的认知能力得到提高，有利于培养学生的工程创新能力。

2  实例分析

以凸轮机构为例，图2所示为一对心尖顶直动从动件盘状凸轮机构，从动件位移s随时间的变化曲线图如图3所示。

借助ANSYS机构运动分析资源库，可直观清晰的向学生展示从动件随凸轮的运动情况，能形象地显示凸轮机构的推程、远休止、回程和近休止四个运动过程，及每个过程对应的凸轮转角及从动件的行程位移。

1—盘状凸轮;2-尖顶从动件

图4和图5分别是从动件位移和速度随时间变化曲线图及位移和加速度随时间变化曲线。通过展示ANSYS机构运动分析资源库中的凸轮机构，学生能够较快地理解凸轮机构四个运动过程中涉及的名词概念，能高效地将理论知识和应用结合起来。

3  建设效果

将2018级过程装备与控制工程专业49名学生分成两小组，其中，24名学生为“ANSYS机构运动分析资源库”学习小组成员，另外25名学生为非学习小组成员。对于学习小组成员，他们可以利用课余时间进行了软件学习及资源库框架的搭建与实现，小组成员还各负其责，并能互帮互学，在学习过程中师生关系和谐，学生对资源库学习充满热情，乐于动手收集和动脑学习处理问题。从课程学期期末考试和三年级上学期的机械设计课程设计的完成质量来看，成绩在80分及以上的学生中，学习小组成员占比高达93.6%，其对于课程知识点的掌握情况明显比另外非教改成员更扎实。

在ANSYS机构运动分析资源库的学习和使用过程中，激发了学生对机械设计基础课程的学习兴趣，锻炼了学生自主学习发现问题、解决问题的能力，同时给学有余力的学生提供了个性化学习的空间。学习组学生对机器及机构的动态感知能力明显提高，提升了学生相关知识的迁移运用能力和创造性思维水平。

在资源库建设的过程中，教师对机械设计基础课程的知识系统进行了一次全面的歸纳和整理，教师的教学素质得到较大提升的同时，也扩宽了学科综合知识的储备量。在教学的过程中，资源库的应用丰富了教学素材，活跃了课堂教学氛围。资源库的共建共享提高了教师的备课效率，对于课程改革的进一步推进和发展打下了良好的基础。

4  结  论

学生对于专业类课程的学习，不应该仅仅满足于课堂知识的掌握，还需要依靠相关知识的应用和实践来深化和丰富专业知识内容。工科类专业学生对各种机构的结构认知和其动力学性能的准确分析能力是必须具备的基本技能，在这个过程中学生需要将内容繁多、不易理解且较为分散的知识点在一定的学时内学习完成。

建立的机械设计基础教学资源库，特别是“ANSYS机构运动分析资源库建设”，不仅能形象直观地展示出平面连杆机构、凸轮机构和齿轮机构的结构组成，更能直接仿真得出三种机构中从动件在任意位置处的位移、速度和加速度随时间的变化曲线，不需要通过大量的数学计算和解析就可以快速获得机构的动力学分析结果，这对于基础薄弱的学生和有个性化学习要求的学生十分友好。资源库的建设很大程度上提升了学生的学习效率和学习质量，书面的理论资料和三维模型的运动分析之间合理的结合，构建了直观形象、丰富有趣的学习网络，教师也可以根据资源库中学生习题作答的反馈情况，对学生进行有针对性的教学和辅导。

课程教学资源库的建设是一个需要不断改进和长期完善的过程，对于“ANSYS机构运动分析资源库建设”中其他机构模型的建立和完善以及相关参数输入界面的优化改进仍在不断地思考中。作为首次运用ANSYS建立机构运动分析资源库的院校，对于已经建立好的资源库，可以提供为其他兄弟院校共享使用，并起到一个抛砖引玉的参考作用，具有一定的示范意义。

参考文献：

[1] 刘欣玉，潘露，刘瑞，等.基于MATLAB的机械设计与应用教学资源库集成设计 [J].凯里学院学报，2015，33（6）：105-106.

[2] 王宣.基于SolidWorks的机械基础课程教学资源库开发 [J].重庆科技学院学报（自然科学版），2017，19（4）：100-103.

[3] 张星，徐维雄.基于“机械设计基础”课程的教学资源库研究 [J].现代信息科技，2020，4（2）：112-115+118.

[4] 王春玲.高职机械设计实训微课程资源库建设与应用研究 [J].科技经济导刊，2019，（2）：143-144.

[5] 刘瑞，刘欣玉.“机械设计与应用”翻转课堂交互式教学模式的探索 [J].机械职业教育，2016（2）：33-34.

作者简介：张玲艳（1982—），女，汉族，江西九江人，副教授，硕士研究生，研究方向：高等教育学。