虛擬樣機技術在機械設計教學中的應用

摘要本文主要介紹了虛擬樣機技術在機械設計教學中的應用，利用ADAMS軟件模擬仿真機構運動的詳細過程，增加學生學習的感性認識，調動學生的學習興趣，對教學有很大的現實意義。

中圖分類號:G71文獻標識碼:A

1 虛擬樣機技術

隨著世界經濟和科學技術的飛速發展，全球性的市場競爭日益激烈。為了提高產品競爭力，就要求各類制造企業以最短的產品開發時間(Time)、最優的產品質量(Quality)、最低的生產成本(Cost)和最佳的服務(Service)來贏得用戶和市場，而且要求產生盡可能少的污染環境(Environment)。虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technique)就是在這樣的背景下產生。①

虛擬樣機技術②就是采用計算機仿真與虛擬技術，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術將產品的資料集成到一個可視化的環境中，實現產品的仿真、分析。虛擬樣機技術的特點是有直觀性和虛擬性，在計算機中直觀形象地再現機構的運動過程，并能輸出相應的工作曲線，使機構運動一目了然，給人留下印象深刻。

虛擬樣機技術的應用就是通過界面友好、功能強大、性能穩定的商品化虛擬樣機技術軟件來實現的。ADAMS是世界上應用最廣泛最具有權威的機械系統動力學仿真分析軟件。利用ADAMS軟件，首先建立機械系統幾何模型，然后施加力/力矩和運動激勵，最后執行一組與實際狀況十分接近的運動仿真，就能得到機構運動的情況。

2 虛擬樣機技術被引入機械設計教學的意義

機械設計是一門專業基礎課，理論性和實踐性都很強的，是機械類專業的主干課程，在教學中具有承上啟下的作用，所以讓學生掌握這門課程具有非常重要的意義。這門課程主要研究機構的運動學和動力學。目前對機構進行運動學、動力學研究常采用圖解法或是解析法。③④圖解法雖然比較形象直觀，方法簡便，但精度不高，多用于機構較少的平面機構，一張圖只能反映一個位置，對運動的整個過程描述比較困難。解析法的特點是先建立已知參數和待求參數之間的數學模型，然后再借助計算機求解，但當機構尺寸參數發生變化時，必須重新建模，工作量較大。因而學生在學習機械過程中，對機構運動分析過程把握不準以及對機構運動過程抽象思維要求較高，使許多學生在學習過程中望而生畏;要花費大量的時間分析繁瑣的機構運動，在很大程度上抑制了學生學習這門課程的興趣，因而在教學過程中不妨引入虛擬樣機技術。利用三維軟件建立機械系統的幾何模型，在ADMAS軟件中施加機構運動約束，執行一組與實際相關的運動，可以再現機構實際的運動情況，輸出運動曲線說明機構運動的特性，檢驗與理論推導是否一致，并計算出構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時確定引起系統及其各構件運動所需的作用力及反作用力，這樣展現在學生面前的是將一副栩栩如生的機構運動實況，他們就有身臨其境的感覺，在觀看機構動態運動過程中更好掌握和理解機械設計理論知識，為以后的課程設計打下堅實的基礎。

3 虛擬樣機技術在機械設計教學中的應用

本文以曲柄滑塊機構運動⑤為例，在機構運動過程中引入虛擬樣機技術，使學生們在計算機上模擬真實的機構運動的環境中學習曲柄滑塊運動的相關原理。

3.1 建立機構的幾何模型

機械系統的幾何模型可以在ADAMS ⑥⑦⑧軟件直接建模，也可以用其他三維軟件進行建模，如UG、Pro/E\\、Solidworks。ADAMS軟件相對其他三維CAD軟件，建模功能比較薄弱，一些較復雜的零件模型只能借用第三方三維CAD軟件建模。如圖1所示曲柄滑塊機構的幾何模型(因為這個模型比較簡單，直接在ADAMS軟件創建，也可以在其他CAD軟件中建模)。

圖1曲柄滑塊的幾何模型

3.2 將機構幾何模型導入ADAMS

如果用UG、Pro/E\\、Solidworks軟件建立的幾何模型，要以IGS格式、Step格式、Parasolid格式導入ADAMS。在導入時要注意以下三點:

(1)根據運動副對模型進行簡化，各個零件之間的運動要清楚。如定軸轉動機構，導入時可以刪除轉動軸，因為在ADAMS軟件里添加的轉動副，就相當于定軸轉動的概念。

(2)在不影響視覺效果的前提下，模型外形應盡量簡化。由于ADAMS在進行運動學、動力學求解時，只考慮零件的質心和質量，而對零件的外部形狀(除工作面)不予考慮，因此在模型中精確地描述出復雜的零件外形，并沒有多大的意義。當然，零件形狀描述得越準確，ADAMS自動求解的零件質量和質心位置也就越精確，但這會大大降低ADAMS仿真和分析的運行效率，是以犧牲運算時間為代價的，因而在模型初步求解時，可以忽略一些不必要的形狀。等到仿真設計結束后，重新在三維設計軟件對零部件外形進行精確修正。

(3)多個零件固結時，可以只用一個零件表示，以節省運動副數量。因為運動鏈越長，計算誤差就越大。如螺栓聯接件、機架等等。因為這些零件的存在與否，并不影響機構在ADAMS中的裝配位置與運動仿真，可一旦存在于ADAMS軟件中，會大大提高計算機的運算量，增加運算時間，甚至可能造成運算溢出錯誤。

3.3 施加機構約束

根據機構實際的運動情況，添加約束。如圖2所示的曲柄滑塊的運動學模型，曲柄繞機架相對轉動，曲柄與連桿的相對轉動，連桿與滑塊的相動轉動，添加轉動副;滑塊在機架上滑動，添加移動副。

圖2曲柄滑塊的運動學模型

3.4 模擬仿真機構運動

如圖所示，曲柄滑塊機構模擬仿真運動時，輸出滑塊的位移和速度曲線。圖上小圈表示曲柄逆時針運動到某一時刻時，機構構件的相對位置以及滑塊對應的位移和速度。

圖3曲柄滑塊的運動仿真

3.5 運動輸出

ADAMS軟件可以輸出AVI視屏文件，也可以將其轉化成gif格式，然后添加到幻燈片中，就能在教學過程中自如地引用，供學生參考、學習。

以上五大步驟就是將虛擬樣機技術引入到機械設計教學中的具體過程。

4 小結

受現實條件的限制，我們不可能對《機械設計》這門課程中所涉及到的機構進行一一的實驗。運用虛擬樣機技術，可以將這些機構及其運動展現出來，相當于把現場搬入了課堂，給學生一個全面清楚認識的過程，彌補他們實踐經驗不足帶來的問題，感性認識效果相當不錯;利用計算機仿真分析復雜機構系統的運動學和動力學性能，可以使學生了解現代計算機輔助機械設計的高效、直觀、快捷的特點，從而提高他們的學習積極性。當然還將ADAMS運用到其他課程中去，進行模擬仿真試驗，這樣可以節省很大量資金，尤其是一些試驗設備昂貴、工作環境危險的領域。更主要的是ADAMS軟件對專業技能要求不是很高，是一種商品化了的產品，只需要使用者有一些最基本的理論知識，學會操作軟件就行，所以只需要發揮一下拿來精神，就能使用，因而將虛擬樣機技術應用到機械設計課程中來是十分可行的，也非常具有現實意義的。

綜上所述，將虛擬樣機技術引入機械設計這門課程中，一方面可以增加教學效果，另一方面能激發學生學習的興趣，將教學的效果提高到一個新的臺階。

注釋

①熊光楞，郭斌，陳曉波.協同仿真與虛擬樣機技術[M].北京:清華大學出版社，2004:169-191.

②鄭凱，胡仁喜，陳鹿民.ADAMS 2005機械設計高級應用實例[M].北京:機械工業出版社，2006:2-8.

③⑤徐錦康，周國民，劉極峰.機械設計[M].北京:機械工業出版社，2006:27-52.

④鄒慧君.機械系統設計原理[M].北京:科學出版社，2003:16-32.

⑥Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/View Documentation，2000.

⑦Mechanical Dynamics Inc. Road Map to ADAMS/Solver Documentation，2000.

⑧Mechanical Dynamics Inc. Using ADAMS/PostProcessor，2000.