機械原理的應用與研究

肖 洋 劉海峰 李芳環 余 浩 李 娜

(武昌工學院機械工程學院，湖北 武漢 430065)

1 計算機圖解及仿真軟件概述

1.1 圖解類軟件

為了直觀準確了解機械系統的構成(如連桿機構)以及零部件的型貌特征(如齒輪機構)，常見的圖解類機械原理軟件包括AutoCAD，Solidworks，Pro/e和Catia等。

其中，AutoCAD能夠精準地設計機構的平面結構圖紙，通過樣條線和基本形變命令的繪制，輔以動態/靜態參數的固定，能夠實現簡單機械結構的設計，并且可以直接求出相關未知參數，在凸輪設計、連桿設計中得到了廣泛的應用。

三維作圖軟件能夠最貼切地反映機械零部件結構的細節特征，如通過Catia軟件構造各類復雜齒輪結構；亦可通過三維動畫對整個機械結構的作業過程進行圖解化的描述，且能運動過程反映出系統設計缺陷和不足，進行及時的調整和重規劃。

1.2 解析類軟件

為了提高機械結構的實際應用性能，對其機構的運動分析是必不可少的。隨著計算機處理能力的提升和相關軟件的開發，機械設計工程師能夠通過Matlab，ADAMS，Delphi，ANSYS，DelCAM，RecurDyn以及國產的CAXA等仿真軟件進行建模，分析機構的動力學參數以及復雜系統的機械組分所受力場和溫度環境的影響，從而提高設計機構的安全性、高效性和穩定性。

Matlab是最為常用的機構運動分析軟件之一。Matlab能針對機械構件進行運動矩陣分析，通過編程求解得到仿真的運動曲線，通過直觀的圖形輸出能力實現對構建運動規律的嚴謹再現，并以此推導出相關的運動參數(如運動角速度，位移量，加速度等)[1]。相較于Matlab，ADAMS建模仿真軟件則更加具有專業性。ADMAS提供了豐富的機械構件動力學模型，能夠讓工程師直觀地添加機械系統所需要的常用構件，通過對相關動力學參數的外部輸入，實現了對機構系統的運動規律的求解，ADMAS減小了編程量和調試時間，且其模型具有一般性，能夠快速對所需參量進行求導。近年來，隨著人們對于復雜機構系統的運動分析需求的提升，如RecurDyn等基于遞歸算法的動力學模擬軟件應運而生，該算法結合了相對坐標系運動方程理論，借助獨特的柔體分析，能夠以更高的運動分辨率實現對非線性運動方程的求解，在大型機械工業設計中取得了廣闊的應用市場[2]。

2 圖解及仿真軟件的應用

2.1 教學應用

機械原理課程是機械大類專業的必修科目，近年來不少高校開通了計算機機械仿真模擬的相關課程，即Computer Aided Instruction(CAI，計算機輔助教學)，打破了傳統教學進度緩慢、直觀性不強、精確度不足的壁壘，針對復雜的機械結構如漸開線、棘輪、槽輪、連桿等平面和空間構建，CAI教學法能夠快速形象地生成相關模型、進行運動分析和參數輸入/導出，對構件間的運動副的形貌、相對運動形式進行分析，極大提高了課堂教學的效率和學生的形象化理解能力，且能夠以作業設計的形式讓學生自行建模仿真，促進其在設計過程中加深對各類機械原理的理解，激發其創新能力[3]。

2.2 工業化設計應用

不同于理論教學，工業化設計應用中對于建模軟件的可靠性、規范性、精確度和速度都有著更為嚴苛的要求。如ADAMS、ANSYS等軟件能夠針對大型機械系統的運動受力、環境因素進行模擬分析，在建筑工程、橋梁工程的開發設計中已取得了廣泛的應用。在對于機械結構精密化要求較高的數控機床軟件開發中，DelCAM，Pro/E等CAM軟件能夠綜合融入影響加工精度的變量，提供科學合理且結果可控的仿真分析和虛擬加工，在最低損耗的前提下實現系統的精確化設計。

在工業化設計中，仿真軟件對于系統建模、動力學分析、環境變量分析和精確制造等機械應用領域有著不可替代的作用，節省大量的實驗和時間成本，確保了所產出機械結構的運行壽命和操作精度。

3 總結

現代化機械原理的應用離不開計算機仿真模擬軟件的輔助，我國于此領域在教學和工業化的應用已取得了長足的進展，然而缺乏國產的規范化建模軟件、缺少相關專業高素質人才等問題亦亟待解決，然而通過產學研相結合的一體化形式，促進理論和時間的深度結合，必然能夠在預期取得理想的結果。