Solidworks仿真軟件在現代工程人才培養中的應用

蔣善超　輔小榮　何堅強

【摘 要】為提高自動化類專業畢業生的跨學科專業能力和多崗位適應能力，本文選取應用范圍廣、前瞻性強的檢測技術作為人才培養的范例，闡述SolidWorks仿真軟件在現代工程人才培養中的應用。通過對檢測技術常用檢測參數——應變建模仿真分析得：SolidWorks仿真軟件不僅可以豐富檢測技術的教學呈現方式，同時可以對一些知識盲點給出形象具體的解釋，加深學生印象，提高授課效果。這種跨學科的授課模式符合“專而廣”的教育教學發展趨勢，對于促進工程人才培養具有一定研究意義及應用前景。

【關鍵詞】跨學科；檢測技術；SolidWorks；應變

Application of Simulation Software Solidworks in Modern Engineering Personnel Training

JIANG Shan-chao FU Xiao-rong HE Jiang-qiang

（Yancheng Institute of Technology， Jiang Su， Yan Cheng， 224052，China）

【Abstract】In order to improve the ability of interdiscipline and multi position adaptability of automation graduate， wide range of applications， forward-looking detection technology is chosen as an example in this paper to elaborate the application of simulation software Solidworks in modern engineering personnel training. Based on the modeling and simulation analysis of the commonly used detection parameters strain， simulation software Solidworks can not only enrich the teaching methods， but also give some specific explanations to some blind spots. This can deep the impression of students and improve teaching effect. This interdisciplinary teaching mode is in line with the development trend of "special and extensive" teaching and learning， which has certain research significance and application prospect in modern engineering personnel training.

【Key words】Interdiscipline； Detection technology； SolidWorks； Strain

0 引言

在工業4.0時代，工業自動化迎來歷史性機遇，“中國制造2025”強國戰略對現代企業的自動化工程師提出了新的能力需求。本文以提高自動化類專業畢業生的跨學科專業能力和多崗位適應能力，滿足工業現代化飛速發展需要作為基本研究出發點，選取應用范圍廣、前瞻性強的檢測技術作為人才培養的范例，闡述SolidWorks仿真軟件在現代工程人才培養中的應用。作為工、農業生產及日常生活中最常用的技術，檢測技術的發展水平已經成為評價一個國家科技及現代化水平高低的重要指標[1-4]。檢測技術是一門理論性、綜合性、多樣性、實用性、跨學科性極強的控制工程專業的專業課程之一，且隨著現代科技的快速發展，檢測技術的多樣性、前瞻性、實用性正在不斷的更新換代。然而，受限于學校發展經費及場地的限制，較難通過單純的采用增加實驗設備的手段使學生接受檢測技術相關知識的同時對其應用具有形象具體的了解。在此局限性的基礎上，本文選取檢測技術最基本檢測參數——應變[5-6]作為重點研究對象以說明SolidWorks仿真軟件[7-8]在檢測技術教學應用中的應用。SolidWorks仿真軟件作為力學仿真軟件常常被用來講述力學知識，本文將其用于豐富檢測技術的課堂內容，增加學生對于應變檢測相關知識點的掌握。這種跨學科的授課模式符合教育教學“專而廣”的發展趨勢，具有一定研究意義及應用前景。

1 SolidWorks簡介

作為世界上基于Windows開發的第一個三維CAD（Computer Aided Design， CAD）系統，SolidWorks自1995年推出因其始終遵循的易用、穩定及創新三大原則而獲得了廣泛且成功的發展。發展至今，該軟件已在國防航空航天[9]、工業生產[10]、交通運輸[11]、日常生活[12]等各行各業取得了成功的應用。利用SolidWorks仿真軟件可以使每一位設計者用于一套獨立的、具有生產力的實體模型設計系統。該軟件所具有的強大的軟件功能、繁多的組件可以為設計者提供多種形象具體的三維設計方案，有效的減少了設計過程中可能出現的錯誤，提高了產品的設計質量。用戶可以在較短的時間內完成系統設計，加快產品市場投放進度，增加經濟效益。不僅如此，SolidWorks仿真軟件同時為用戶提供多種仿真分析能力[13-14]，如靜力學分析（SimulationXpress）、流體分析（FloXpress）等，可以使設計者在計算機中模擬分析設計產品的合理性，獲得設計所關注各種參數，如應變分布、溫度傳遞系數、壓力/壓強分布等等。

2 SolidWorks在檢測技術教學中的應用舉例

基于上述關于SolidWorks仿真軟件的分析及跨學科融合教學的思想，應用其在應變仿真分析上的特殊的、直觀的展示作用來豐富檢測技術的課堂教學內容。現以“電阻應變片式傳感器”為例來說明SolidWorks仿真軟件在檢測技術教學中的應用。

等臂電橋（R1=R2=R3=R4）電阻應變式傳感器的電路原理圖，如圖1所示。當外界有效作用應變εi（i=1，2，3，4）時，電阻應變片的電阻變化ΔRi（i=1，2，3，4）為：

式中，K為電阻應變片的材料靈敏系數，其物理意義為單位應變的電阻變化率。

電橋輸出電壓U0為：

由式（2）可得：當等臂電橋工作與全橋四臂工作方式，即電橋四臂都接入電阻應變片，則4個電橋電阻變化量分別為：ΔR1=-ΔR2，ΔR3=-ΔR4。此時，電橋輸出電壓U0為：

現通過懸臂梁實現外界作用力F與電阻應變片應變ε之間的轉換，如圖2所示。繼而，通過分析等臂電橋的輸出電壓實現外界作用力的測量。

由機械設計基本原理可得懸臂梁表面應變ε1與外界作用力F之間的關系，可表示為：

式中，E為懸臂梁的彈性模量常數。

由懸臂梁表面應變ε1與電阻應變片應變ε相等，可得等臂電橋的輸出電壓為：

綜上分析可得，當懸臂梁式電阻應變測力傳感器材料及幾何參數確定了之后，等臂電橋輸出電壓與外界作用力呈現線性關系。然而，多個版本檢測技術教材[15-16]中公式4中L并未選取懸臂梁的實際長度，以提高傳感器測力靈敏度的知識盲點并未涉及。

下面應用SolidWorks仿真軟件對上述所提問題（公式4中L取值問題）給出相應的回答。首先，利用SolidWorks分析電阻應變測力傳感器懸臂梁表面應力F1與外界作用力F的變化情況，如圖3所示。

通過分析圖3可得：當懸臂梁受到外界作用力時，其靠近固定端的表面應力并非均勻分布，而是存在著一定的差異。進而，由應變應力關系F1 =E·ε1可得：在靠近懸臂梁固定端附近的區域，應力不均勢必導致應變分布不均。因此，公式4中L若選取懸臂梁的實際長度，則該測力傳感器中存在電阻應變片處于應變分布不均的區域。進而，應變分布不均導致該測力傳感器檢測靈敏度存在一定的非線性，為電阻應變片后端檢測處理單元增加處理難度。

通過上述分析可得：利用SolidWorks仿真軟件對檢測技術教學中的一些問題進行建模和仿真分析，不僅可以豐富檢測教學的授課顯示方式，更可以針對現有檢測技術教學不能闡述詳細的問題給以形象具體直觀的仿真解釋。這可以加深學生對于相應問題的理解、提高課堂的授課效果，同時對于其今后實際工作中遇到的理論知識到實踐應用起到一定的轉化促進作用。

3 總結

結合檢測技術多樣性、前瞻性、實用性的特點，為使學生接受檢測技術相關知識的同時對其應用具有形象具體的了解，本文采用跨學科授課方式，選取檢測技術常用檢測參數——應變作為重點研究對象以說明SolidWorks仿真軟件在現代工程人才培養中的應用。通過舉例說明：將SolidWorks仿真軟件應用于現代檢測技術教學中不僅可以形象具體的呈現相應知識點內容，加深學生理解掌握；同時可以更加細化分析知識盲點，為學生在今后理論知識向實踐應用轉化奠定良好的基礎。

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[責任編輯：朱麗娜]