ADAMS在《理论力学》课程教学改革中的应用与实践

谢立敏，翁红林

(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州)

一 引言

随着全球制造业的巨大变革，社会对人才的要求也相应地产生了变化，更加重视具有实践能力和创新能力的人才。高校作为专业人才培养的重要基地，势必顺应发展趋势，以培养同时具备扎实基础理论知识和先进技术的实用新型人才为目标，不断改进培养方案。高校老师在教学中也必须不断地进行教学改革，转变传统教育思想，树立全面发展的教育理念，寻求更适应人才培养的教学方式。

《理论力学》是工科类机械、土木建筑、航空和电子等许多专业的大学生需要掌握的一门非常重要的科类基础课，也是后续专业课程，如材料力学、弹性力学、机械设计、机械原理等的理论依据。然而由于课程安排不合理，实践条件所限，同时受到新冠疫情的影响，大多数学生在《理论力学》课程学习前无法进入工厂或相关企业进行实践认知，因此缺乏对工程实例的认知，课堂上缺少实物模型展示，这导致学生在学习《理论力学》课程时会觉得理论力学的模型过于抽象、不易理解和掌握，难以将理论和实际联系起来。且这门课程的逻辑性较强，公式较多，计算操作过程较复杂，学生们在学习该课程的过程中常常觉得难度较高，不易理解，期末卷面成绩并不理想。而且传统的课堂教学也主要是强调对于公式和定理的推导，以及针对已经抽象和简化为力学模型的问题进行分析和求解，缺少针对工程实际问题进行力学建模的讲解，缺乏对研究对象本身的运动学、动力学进行更深入的分析和研究。课程学习完后，学生只会解题，却不懂到底解的是什么，为什么而解，更难以运用所学知识对工程实际问题进行深入的分析和处理。

针对《理论力学》课程在教学中存在的这些问题，相关的教学改革已经得到开展并取得了一定的成果[1-5]。其中，可视化教学模式是理论力学教学改革和实践的一个指导性方向。例如，在哈工大主编的第八版理论力学教材中添加了机构运动动画的二维码链接。但是这些视频仅仅起到动画演示的作用，并未对系统的模型建立、约束情况、受力情况进行说明和分析。学生仅能了解系统的运动状态，不能有效提高其分析解决问题的能力。虚拟样机技术可以采用可视化的方式在计算机中建立系统模型，并基于仿真结果对系统进行运动学、动力学分析和优化。因此非常适合应用于《理论力学》课程的教学改革与实践。

虚拟仿真技术在《理论力学》的课堂教学中已经得到了广泛的应用。例如，聂炬[6]使用3dmax与EON Studio软件建立了力学虚拟实验室，可以对力学问题进行预实验和数据处理分析。孟勇[7]利用MAPLE软件，将系统的运动以动画形式展示，并输出结果。黄忠文[8]、翁剑成[9]使用ANSYS软件对理论力学问题进行了分析。高云峰[10-12]、纪冬梅[13]、敖文刚[14]等均采用MATLAB软件对理论力学中的静力学、运动学和动力学问题进行分析和求解。杨硕[15]、程和平[16]利用Mathematica软件辅助教学，简化了计算并实现可视化教学。然而，这些虚拟仿真软件对于理论力学的教学都存在着一些不足之处。例如，3dmax和 MAPLE软件在机械等工科专业的后续课程学习中不常用到，难以持续培养学生的设计应用能力；ANSYS的熟练运用需要学生具有材料力学和弹性力学的知识基础，对学生的理论基础知识水平要求较高；MATLAB和Mathematica则要求学生既要具备良好的理论基础，又要掌握计算机编程，其实对学生提出了更高的要求，增加了学习难度。相比于上述的几种软件，ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，机械系统动力学自动分析）作为目前全球领先、应用最广的机械系统动力学分析软件，以其可视化、易操作、界面友好、功能强大、求解迅速的优越性在工程实际应用中得以广泛使用。在传统的课堂教学中引入ADAMS软件作为辅助教学，能够使学生通过仿真动画直观地了解系统的运动状态，调动学习的主动性，优化课堂教学过程。并且为后续的课程学习、毕业设计、各种竞赛甚至就业提供帮助。

本文将 ADAMS 虚拟仿真技术融入《理论力学》课程的教学中，设计了课堂上的交互式案例教学和课后的项目实践活动相结合的教学模式，分别针对静力学、运动学和动力学的例题进行解析法和ADAMS求解对比，结果证明了在《理论力学》课堂教学过程中引入 ADAMS软件应用的优越性和必要性。又通过以项目形式的课后实践活动进一步锻炼学生理论联系实际、利用先进仿真技术快速且准确地解决复杂工程问题的能力，有效地提高了教学质量。

二 ADAMS融入《理论力学》教学的方法

《理论力学》是一门将工程实际问题抽象成理论模型，再借助相关力学知识解决工程实际问题的课程。因此，在本课程的学习过程中，对学生在基础理论知识的掌握和运用理论知识解决实际问题这两方面能力的培养同样重要。于是我们将ADAMS在《理论力学》课程中教学实践的实施划分为课堂中的案例教学和课后的项目实践两个环节。

（一） ADAMS在《理论力学》课堂教学中的应用

《理论力学》的主要内容包括静力学、运动学和动力学。在课堂上，教师的讲解内容一般为基础理论知识讲解与例题讲解。由于ADAMS能够实现对一个机构的建模、约束施加、力或驱动的加载，以及静力学、运动学和动力学分析，因此，教师在教学中可以适当地将ADAMS融入例题讲解中。将利用ADAMS软件求解出的结果与解析法得到的结果进行对比，以加深学生对知识的理解。同时，还可以让学生掌握一种先进软件，这对以后的学习和工作都是非常有帮助的。

1.ADAMS在静力学中的应用

静力学主要是研究物体在受力处于平衡状态时所应满足的条件。利用ADAMS软件对系统进行建模，可以快速地对系统中所有构件进行受力分析。主要涉及到两类问题：一是约束的添加，二是静力学问题的求解。

（1）对各种约束类型的认识

系统的各个构件之间需要用适当的约束来连接。在传统的课堂教学中，只是“填鸭式”地让学生记住每个约束的特点，很多学生并不能理解约束的含义，甚至搞不清约束体与被约束体之间的关系。此时运用ADAMS软件对模型进行约束的添加就可帮助学生理解各种约束。ADAMS软件中提供了常用的几种运动副（约束），如图1所示。以旋转副为例，在添加旋转副时需要选择两个物体和一个位置，如图2。这个添加过程就需要学生搞明白该约束所连接的是哪两个物体，作用的位置在哪里。特别对于具有多重约束的点（在一个位置上同时存在多个同种约束或多种约束），同学们往往很难理解约束体与被约束体之间一一对应的关系，通过ADAMS的实际操作，能够帮助同学们加深理解。

图1 常用的运动副

图2 旋转副设置

（2）静力学问题的建模与求解举例

例题1：如图3所示简支梁长1m，中点处作用竖直向下的力F=2000N。求两支座处的约束力。

图3 例题1

解析法：我们对此题进行受力分析，列平衡方程求解：

解得A、B处支座的约束力：FA=FB=1000N 。

ADAMS求解法：首先在ADAMS View中建立其仿真模型，如图4所示。A点处为固定支座约束，A点可转动但不可移动，因此在AB杆和地面间添加旋转副。B点处为滚动支座，B点可移动也可转动，因此在AB杆和地面间施加旋转副和移动副。然后在AB杆中点施加一个竖直向下的力F。

图4 仿真模型

最后利用ADAMS中的后处理工具可快速地给出仿真结果。如图5和图6所示。图5为支座A处的约束力，图6为支座B处的约束力。

图5 支座A处的约束力

图6 支座B处的约束力

由图5和图6 可看出，ADAMS仿真得到的数值与解析法计算出的理论值相等。说明了ADAMS求解静力学问题分析的正确性。而且ADAMS的求解过程简单快速，只需将模型建立正确，点选需要求解的量即可得到所需动态结果，直观准确，无需建立复杂的平衡方程求解。

2.ADAMS在运动学中的应用

运动学主要研究物体的运动情况，而不研究引起物体运动的物理原因。ADAMS在运动学中的应用较为广泛，可以帮助学生解决一些理论力学日常教学中的运动学问题，加深学生对运动学的理解。通过ADAMS可以直观地了解刚体在一个时间段内位移、速度和加速度随时间变化的情况，并可提取在某一时刻的位移、速度和加速度数值。现以最常见的曲柄连杆滑块机构为例。

例题2：如图7所示曲柄连杆滑块机构。AB长200mm，BC长500mm。已知曲柄AB绕A点作匀速转动，转动角速度为10rad/s。求当AB与水平面成90°夹角时滑块C的移动速度。

图7 例题2

解析法：对此题进行运动分析，BC杆作平面运动，当AB与水平面成90°夹角时，BC杆作瞬时平移，如图8，则此时滑块C的移动速度：vc=vb=ABω=2000mm/s，方向水平。

图8 速度图

ADAMS求解法：首先建立其仿真模型，如图9所示。A、B、C处添加旋转副，C与地面间添加移动副。A处施加一个转动驱动，设置类型为速度，大小为10rad/s，如图10。然后进行仿真，仿真时间1s。

图9 仿真模型

图10 驱动设置

对仿真结果进行后处理，输出B点Y方向上的位移和C点X方向的速度，如图11。从图11中可看出，当AB转角为90°，即B点到达最高位置200mm时，C点的速度为2000mm/s，这与解析法求得的数值相等。从图11中还能直观方便地得到曲柄到达任意角度时C点的速度、加速度等值。同理，我们只需要在构件中设置标记点，便可得到任意标记点的位移、速度、加速度等信息（例如图12显示的是BC杆中点D点的Y方向上的位移、速度和加速度曲线），而不需要进行复杂的运动学分析和计算，极其方便快捷。

3.ADAMS在动力学中的应用

动力学研究的是受力物体的运动与作用力之间的关系。动力学的问题一般都比较复杂，学生在学习过程中普遍反映难度大，不易掌握。ADAMS软件在动力学仿真的应用中起着非常关键的作用，能清楚地反映力与运动的关系，对求解内力和力的变化规律有很大帮助。

例题3：如图13所示，一滑块质量为50kg，以速度50mm/s在水平滑道内滑动，其中点O处铰接一质量为10kg，长500mm的均质杆OA，杆以匀角速度1rad/s绕O转动。试求铰链O处的约束力。

该题为已知运动求力的动力学问题，对系统进行受力分析，如图14所示。按照理论力学的解析法的解题思路，此时需要用到动能定理和质心运动定理来求解铰链O处的约束力，计算过程复杂，计算量大。但是通过ADAMS软件，只需正确建立模型（图15）便可迅速得到O处约束力随时间变化的曲线（图16），直观地了解运动中物体所受内力的变化情况。

图14 受力图

图15 仿真模型

图16 O处约束力随时间变化的曲线

将ADAMS融入到课堂教学可以通过借助可视化的模型进行仿真和数据分析，加深对相关理论知识的理解；同时通过相关理论知识加深对ADAMS的理解和认识，从而更好地实现虚拟样机技术与传统理论课程内容的有机结合。这种交互式的案例教学方法可以直观地让静止的系统运动起来，提高学生的学习兴趣，增强对问题的深入理解，优化课堂教学全过程，提高学习效率。同时也促使学生掌握一项先进的应用软件，为后续课程学习和设计打下基础。

（二） ADAMS在《理论力学》课后实践中的应用

为了强化学生对理论力学知识的理解和应用，我们在学期末要求学生完成一项基于ADAMS的课后实践项目，目的在于锻炼和培养学生利用ADAMS软件和理论力学知识对复杂的工程力学问题进行系统综合仿真与分析的能力。课后实践项目的要求为：每3名学生组成1个项目小组，选取工程或生活中适当的实际问题，利用ADAMS软件进行力学建模、动力学仿真和结果分析。然后选派1名代表进行课堂展示，与其他学生进行课上交流，分享项目研究过程中遇到的各种问题及解决方法等心得体会。并且最终整理出一份项目报告。整个项目完成时间为两周。

由于该项目仅要求学生运用ADAMS软件对问题进行分析和求解，重点在于建立正确的模型，搞懂构件之间的约束关系，施加正确的力或驱动，然后对生成的数值结果进行合理的分析。整个过程不涉及复杂的计算，再加上学生普遍对能够直观地观察物体运动情况的仿真软件比较感兴趣，因此相比于往常的需要大量地列公式求解计算的设计项目，本次项目较容易且有趣。在整个项目的执行过程中，同学们表现出极大的热情和积极性，具有强烈的探索欲望。学生在实践过程中自然而然地便将理论力学中学到的理论知识应用到实际问题的分析和求解过程中，实现了理论联系实际。同时，小组研讨的形式使得同学们在研究的过程中必须进行合理的分工协作和集体讨论。这种以项目为内容的实践活动能够让学生在“做中学”，通过对实际问题的分析和求解，更好地掌握和运用知识的同时，加深理解，提高软件应用能力，锻炼团结合作精神。图17中简单列举了学生所作实践项目的结果。

图17 学生实践项目举例

三 结语

本文从《理论力学》课程教学改革的角度出发，研究了ADAMS在《理论力学》课程教学中的探索与应用，实现了教学形式的创新。一方面通过基于ADAMS的交互式课堂教学模式将课本中较为抽象的力学知识变得直观生动，提升了学生的学习兴趣，强化了理解，丰富了教学内容，改善了教学效果。另一方面设置了课后实践项目，使学生在“做中学”，培养了将理论联系实际、解决复杂工程问题的能力，锻炼学生利用先进计算机辅助设计工具进行创新设计的能力，为后续课程的学习和学科竞赛打下良好的基础。