Python與AMESim在液壓與氣動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

張啟暉 李聰 楊麗榮 黃武新 江濤

[摘 要]液壓與氣動(dòng)課程是機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)必修課，并且課程重點(diǎn)在于講解液壓與氣動(dòng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，而課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備異于損壞，許多實(shí)例不便于實(shí)驗(yàn)，而學(xué)生面對(duì)理論知識(shí)難于理解，為此運(yùn)用AMESim仿真平臺(tái)，基于python構(gòu)建液壓與氣動(dòng)實(shí)踐教學(xué)，拓展學(xué)生多學(xué)科多軟件的應(yīng)用，以液壓元件減壓閥為例，說(shuō)明實(shí)踐課程教學(xué)方法，學(xué)生在AMESim平臺(tái)下的交互操作，從而培養(yǎng)學(xué)生的液壓實(shí)踐技能，啟發(fā)學(xué)生對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)的興趣。

[關(guān)鍵詞]液壓與氣動(dòng);python;AMESim;減壓閥

[基金項(xiàng)目]2019年江西理工大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“基于Python的液壓與氣動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐課程的研究”（XZG-18-14-82）

[作者簡(jiǎn)介]張啟暉（1986—），男，福建寧化人，工學(xué)博士，江西理工大學(xué)講師，主要從事流體傳動(dòng)與控制研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）47-0-02[收稿日期] 2020-05-29

一、引言

液壓與氣動(dòng)課程是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)下較為重要的一門(mén)課程，具有一定的理論和實(shí)踐的課程。隨著科技的發(fā)展，本科教育方式方法也在發(fā)生翻天覆地的變化，在工程教育領(lǐng)域就提到了需要用現(xiàn)代的工具應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)中，如今在液壓與氣動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)有許多的軟件，如AMESim、FluidSIM、Matlab、Fluent、Python等。這些軟件在液壓與氣動(dòng)領(lǐng)域中，不管是工程還是研究都得到了大量的應(yīng)用[1-3]。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，采用的教學(xué)方法或者設(shè)備不能直觀地讓學(xué)生理解液壓與氣動(dòng)元件或者回路的原理以及特性，教師需要大量的學(xué)時(shí)去講解，而如果在教學(xué)中合理地采用現(xiàn)代工具軟件，將極大地提高教學(xué)效果，拓寬教師的教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多高校教師也開(kāi)展將現(xiàn)代工具與教學(xué)的研究。陳敏捷等人在Android平臺(tái)下設(shè)計(jì)了液壓虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在課堂上進(jìn)行了應(yīng)用。童和平等人使用了FluidSIM仿真軟件在液壓氣動(dòng)教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用。太原理工大學(xué)的王東成等人使用CATIA和AMESim的聯(lián)合引入了液壓與氣動(dòng)的教學(xué)當(dāng)中。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的劉志剛等人在Unity3D的平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了液壓元件的虛擬交互平臺(tái)，并在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

在液壓與氣動(dòng)這門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常都安排拆裝液壓元件的實(shí)物，而各個(gè)院校受限于場(chǎng)所與數(shù)量，同時(shí)液壓元件在多次拆裝后性能和使用都會(huì)受到損壞，導(dǎo)致液壓元件更換頻率較大。為此本文以python為基礎(chǔ)，結(jié)合AMESim構(gòu)建液壓與氣動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的液壓實(shí)驗(yàn)技能，啟發(fā)學(xué)生對(duì)液壓與氣壓傳動(dòng)的學(xué)習(xí)興趣。

二、液壓與氣動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)

液壓與氣動(dòng)在實(shí)踐教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的約束以及場(chǎng)地的限制，難以滿(mǎn)足所有學(xué)生都能充分參與到實(shí)驗(yàn)中，這樣造成了實(shí)踐教學(xué)效果欠佳。AMESim是德國(guó)Siemens公司旗下的一款以多學(xué)科多領(lǐng)域的建模仿真軟件，在AMESim中集成了一整套Python軟件，同時(shí)也集成Qt庫(kù)，因此在AMESim軟件中能夠?qū)崿F(xiàn)液壓與氣動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

在液壓與氣動(dòng)課程中引入AMESim和Python的教學(xué)，可以綜合學(xué)生的能力，結(jié)合三維建模軟件建立液壓元件三維模型，利用AMESim軟件使得學(xué)生對(duì)液壓元件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步理解，在Python語(yǔ)言下培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，聚合各個(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)液壓與氣動(dòng)知識(shí)的同時(shí)，能夠進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)軟件的理解。

三、實(shí)踐教學(xué)方法

基于Python與AMESim的液壓與氣動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中涉及較多的知識(shí)點(diǎn)，并且操作實(shí)例覆蓋廣泛，因此以常見(jiàn)的液壓與氣動(dòng)課程中液壓控制元件減壓閥為例，進(jìn)行說(shuō)明。

（一）教學(xué)目的

使學(xué)生掌握減壓閥的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)掌握減壓閥的工作原理，了解減壓閥的壓力流量特性。常見(jiàn)減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）實(shí)施過(guò)程

（1）復(fù)習(xí)：將液壓與氣動(dòng)理論課上所授知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧。（2）引入：引領(lǐng)學(xué)生以設(shè)計(jì)者的身份，啟動(dòng)學(xué)生的思維，使他們進(jìn)入積極的狀態(tài)，提出設(shè)計(jì)減壓閥的目標(biāo)，通過(guò)師生討論方式進(jìn)入課堂。（3）教學(xué)：以設(shè)計(jì)者的思維對(duì)Python進(jìn)行講解，如對(duì)于減壓閥需要了解閥的結(jié)構(gòu)，掌握閥的工作原理，最后通過(guò)AMESim仿真方式對(duì)減壓閥的特性進(jìn)行測(cè)試。（4）鞏固練習(xí)：學(xué)生可以在Python平臺(tái)上讀取減壓閥的三維圖片，了解閥的三維結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)減壓閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且在減壓閥的仿真模型中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，在AMEsim仿真回路中設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)減壓閥的特性進(jìn)行仿真分析，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和處理。（5）課堂總結(jié)：以設(shè)計(jì)者的身份再一次對(duì)減壓閥的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行梳理，對(duì)重點(diǎn)再一次進(jìn)行總結(jié)，使學(xué)生加深印象。

四、Python與AMESim的實(shí)踐操作

（一）實(shí)驗(yàn)方法描述

學(xué)生通過(guò)對(duì)規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，掌握液壓和氣動(dòng)中的重要知識(shí)點(diǎn)，熟練運(yùn)用相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件，達(dá)到合理設(shè)計(jì)液壓元件和回路的要求。

（二）在AMESim平臺(tái)下交互性操作

1.讀取三維模型圖片。通過(guò)三維軟件建立液壓控制元件和傳統(tǒng)液壓回路的三維模型，導(dǎo)出兩者的圖片，學(xué)生需要通過(guò)Python在AMESim平臺(tái)下交互讀取相應(yīng)的三維圖片，從而首先能夠直觀地看到研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)。

2.分析二維結(jié)構(gòu)圖。對(duì)三維結(jié)構(gòu)有直觀的了解后，可以讀取相應(yīng)研究對(duì)象的二維結(jié)構(gòu)圖，并且可以同三維模型圖進(jìn)行對(duì)比分析，一方面可以加深學(xué)生印象，另一方面也可以鍛煉學(xué)生的空間思維，訓(xùn)練從三維到二維的轉(zhuǎn)換思維。

3.對(duì)元件或液壓回路的原理進(jìn)行理解和分析。對(duì)液壓基本回路和典型系統(tǒng)的原理圖進(jìn)行分析，一方面理解液壓回路的工作原理，另一方面加深液壓元件在液壓回路中的作用。

4.分析AMESim仿真模型。在AMESim平臺(tái)上展示液壓元件或者液壓回路的仿真模型，對(duì)仿真模型進(jìn)行學(xué)習(xí)。訓(xùn)練學(xué)生分析如何從結(jié)構(gòu)到仿真模型的建立，在訓(xùn)練過(guò)程中進(jìn)一步加深對(duì)課堂中的學(xué)到的理論知識(shí)的理解。

5.對(duì)仿真模型進(jìn)行運(yùn)算。利用Python讀取AMESim模型，對(duì)模型參數(shù)設(shè)置，并要對(duì)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的運(yùn)算，通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式或者使現(xiàn)有的元件的拆解和測(cè)量得到數(shù)值，在此基礎(chǔ)上可以在合理范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)參數(shù)數(shù)值。設(shè)置仿真計(jì)算的仿真步長(zhǎng)和時(shí)間，并且在實(shí)踐中可以設(shè)置不同的步長(zhǎng)和時(shí)間，便于后面對(duì)結(jié)果的對(duì)比分析。

6.分析和處理模型結(jié)果。仿真計(jì)算結(jié)束后，就可以根據(jù)需要去獲取相應(yīng)的結(jié)果數(shù)據(jù)，如閥的壓力數(shù)據(jù)或者流量數(shù)據(jù)。將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可以通過(guò)Python繪制相應(yīng)的壓力和流量曲線，并且對(duì)不同的設(shè)置參數(shù)得到的不同的結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析不同參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響規(guī)律。

五、結(jié)語(yǔ)

Python與AMESim在液壓與氣動(dòng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，以項(xiàng)目化教學(xué)的形式將液壓與氣動(dòng)這門(mén)課程的理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和方式的多樣化。通過(guò)對(duì)液壓元件和液壓回路的AMESim仿真實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)這些元件和回路的結(jié)構(gòu)、仿真和分析，轉(zhuǎn)化為可操作、常規(guī)化、可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在這過(guò)程中需要同現(xiàn)有的一些元件進(jìn)行對(duì)比和分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式和教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能綜合能力和課題研究能力。

參考文獻(xiàn)

[1]張龍，王世偉.AMESim軟件在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（08）：193-194.

[2]王強(qiáng)，劉玉科.基于SimHydraulics的某飛機(jī)起落架液壓系統(tǒng)建模與故障仿真[J].液壓與氣動(dòng)，2020（04）：123-129.

[3]侯宗宗，郭雨菲.基于FLUENT的過(guò)濾器濾網(wǎng)流場(chǎng)模擬計(jì)算[J].船舶，2020，31（02）：58-62.

Abstract： Hydraulics and Pneumatics is an important compulsory course for mechanical and electrical engineering majors. The focus of the course is to explain the application of hydraulics and pneumatics in engineering practice. The experiment equipment is easy to damage. Many examples are not easy to experiment， and students feel that it is difficult to understand the theoretical knowledge. Therefore， the AMESim simulation platform is used to build hydraulic and pneumatic practice teaching based on Python to expand the application of multi-disciplinary and multi-software. Take the hydraulic component pressure relief valve as an example to illustrate the teaching method of the practical course. The interactive operation of students on the AMESim platform realizes the interactive simulation technology based on AMESim and Python， and cultivates the application of computer technology in hydraulic practice. And it can cultivate students' hydraulic practical skills and inspire students' interest in hydraulic and pneumatic transmission.

Key words： Hydraulic and Pneumatic; Python; AMESim; pressure relief valve