虛擬樣機技術在《機械設計基礎》教學中的應用研究

摘 要： 虛擬樣機技術典型軟件ADAMS引入《機械設計基礎》課程教學。本文首先介紹了《機械設計基礎》課程的特點，接著介紹了ADAMS軟件的特點及功能，最后舉例了 ADAMS軟件在教學中的應用。教學實踐證明這種教學方法能夠激發(fā)學生的學習興趣、加深學生對課程的理解，從而提高教學質量。

關鍵詞： 虛擬樣機技術 《機械設計基礎》 應用

前言

高校《機械設計基礎》課程是機械類專業(yè)一門重要的技術基礎課程。本課程是培養(yǎng)學生機械綜合設計能力、創(chuàng)新能力和工程意識的重要環(huán)節(jié)，是啟迪學生的創(chuàng)新思維、開拓學生創(chuàng)新潛能的重要課程，將為以后的專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計奠定基礎，在教學計劃中具有承上啟下的重要作用。

1.課程教學現(xiàn)狀

《機械設計基礎》是機械原理和機械零件的綜合，主要討論機械設計的常用方法和一般過程。傳統(tǒng)教學方法，授課內容多，而實際教學課時安排不足；講述原理多，難理解，結合實際偏少；縱向論述多，橫向比較少；講述常規(guī)原理多，介紹行業(yè)最新技術成果少；課堂講授多，課堂課外討論少。教學手段也不盡如人意，課堂教學仍沿襲粉筆板書、掛圖和簡單的教具，很難取得好的教學效果。

隨著現(xiàn)代教學方式的發(fā)展，計算機技術越來越多地應用于教學過程中，打破了開始的PPT多媒體教學，人們利用新技術進行教育教學已經成為評價體系中的一個重要環(huán)節(jié)。虛擬樣機技術是一項新的計算機輔助工程（CAE）技術，同時包括三維CAD建模技術、有限元分析技術、機電液控制技術、最優(yōu)化技術等相關技術。國內已經有多家學校在利用虛擬樣機技術融入教學過程中，并取得了一定的效果。

2.虛擬樣機技術及ADAMS軟件簡介

機械工程中的虛擬樣機技術又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（CAE）技術，可以在計算機上建立三維CAD樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，然后改進樣機設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機試驗，而且可以將樣機的運動過程以AVI視頻格式輸出。

虛擬樣機技術的典型應用軟件是ADAMS軟件。利用ADAMS軟件可以快捷地在計算機上建立三維虛擬模型，進行運動學和動力學的仿真，并以AVI格式動畫輸出。

3.應用實例

ADAMS可以像建立物理樣機一樣建立任何機械系統(tǒng)的虛擬樣機。首先建立運動部件（或者從CAD軟件中導入）、用約束將它們連接、通過裝配成為系統(tǒng)、利用外力或運動將他們驅動。用戶在仿真過程進行中或者當仿真完成后，都可以觀察主要的數(shù)據(jù)變化，以及模型的運動。這些就像做實際的物理試驗一樣。

例如講到“四桿機構判別類型”時（如圖1），我們可以用ADAMS軟件快速地建立仿真模型，通過修改桿長參數(shù)即可得到各種四桿機構并輸出AVI格式動畫，既直觀又易懂。

講“凸輪結構”時，我們可以在ADAMS上建立凸輪機構模型如圖2，通過仿真可以得到凸輪機構的運動過程，尖頂從動件的時間位移曲線即可得出如圖3。

將ADAMS用在機械課程教學中可以直觀地將機械系統(tǒng)的運動過程及特性展現(xiàn)給學生，有利于學生對知識的接受，提高教學質量。

結語

目前，虛擬樣機技術多用于企業(yè)的產品設計開發(fā)，從筆者調研結果來看，國內已經有多家學校在利用虛擬樣機技術融入教學過程中，并取得了一定的效果，但是虛擬樣機技術的功能強大，還有很大的教學應用潛力有待開發(fā)。

現(xiàn)代虛擬樣機技術在教學中的應用正逐步走向成熟，微機平臺技術也已開始在實踐中發(fā)揮作用，并且以其對硬件要求不高，操作簡便，容易上手，價格較低等優(yōu)點，被學校所接受，希望這種技術能夠為學校帶來效益，提高學校的教學質量。

在教學實踐中，恰到好處地利用虛擬樣機技術能夠使學生在交互狀態(tài)下進行學習，充分調動學生學習的積極性、主動性，優(yōu)化課堂教學過程，提高學習效率，同時也激發(fā)了學生了解和使用軟件的積極性，為今后的課程設計，以及畢業(yè)設計做了前期的準備。

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