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摘 要结合机械原理课程特点与ADAMS 软件强大的虚拟样机技术,针对机械原理课程教学存在的问题,以提高机械原理课程教学效率,激发学生学习自主性和积极性为目标,将ADAMS 软件融入到机械原理课程教学中,有利于构建利用虚拟样机取代实体物理样机进行知识讲解的课程教学模式.利用虚拟样机技术建立虚拟机构运动模型,对虚拟机构运动模型进行机械动画仿真与运动学分析,得到各构件的位移、速度、加速度随时间变化曲线图.该方法克服了以往该课程教学中存在的不足与缺陷,实现机械原理课程教学方法的进步与创新.
关键词机械原理ADAMS 课程教学动画仿真运动学分析
1 引言
机械原理课程是工科院校的一门重要专业基础课程,对学生学习专业课程起着重要的过渡作用,在工科系列课程体系中有十分重要的地位[1].该课程的任务是“使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能,学会常用机构的分析和综合方法,并具有进行机械系统运动方案设计的初步能力”[2-3],这就要求学生必须掌握扎实的基础理论知识.机械原理课程教学方式在不断进步与创新,但当前机械原理课程教学方式仍存在许多问题.在该课程机构组成原理部分,以往机械原理课程教学主要采用传统的“注入式”单向教学流的教学方法,但该部分知识较为抽象难懂,学生并不能有效理解机构的组成原理[4-5].然而在机构运动学分析部分,以往课程教学主要采用传统的图解法与解析法对机构运动进行运动学分析[6],图解法只适用于结构较为简单的机构,且计算误差较大,解析法虽可得到较为准确的结果,但其运算步骤过于繁琐,所耗时间长[7].
针对上述问题,笔者结合多年机械原理课程教学经验,将ADAMS 软件融入机械原理课程教学中,借助虚拟样机技术构建虚拟机构运动模型取代实体机构运动模型[8],并对虚拟机构运动模型进行机械动画仿真与运动学分析,有效解决了以往机械原理课程教学中存在的缺陷与不足[9-10],提高了机械原理课程教学效率,激发了学生学习的自主性和积极性.
2 ADAMS 软件融入机械原理课程教学实例
平面机构的高副低代是机械原理课程中重要的内容,即根据一定条件将平面机构中的高副虚拟地用低副代替,它既表明了平面高副与平面低副之间的内在联系,同时将运动机构进行了简化,可更为方便地对机构运动模型进行机构组成原理及运动学分析.图1 为平面机构的高副低代运动模型简图,为分析凸轮与构件2 接触点C 的运动学规律,将机构运动模型①用机构运动模型②替代.在②中,已知构件1 的长度L1等于70mm,构件4 直杆的长度L2等于80mm,A、B两点之间的距离为240mm,构件1 以角速度ω1等于πrad/s 顺时针旋转,对机构运动模型进行运动学分析,求滑块中心点C 点相对于机架A 点的位移、速度及加速度随时间变化规律.
2.1 机构运动模型建立
2.1.1 建立虚拟机构运动模型
借助ADAMS 软件虚拟样机技术建立机构运动模型.根据各构件的几何参数,首先提取ADAMS/View 零件库中的连杆构件(Link),依次建立构件1、构件6 以及构件4 的直杆部分；再提取ADAMS/View 零件库中的长方体构件(Box),建立滑块,滑块与直杆相连并固定成为构件4,构件4 直杆与构件2 垂直,滑块的长边与构件2 指向同一方向.
2.1.2 建立运动副
通过对机构运动模型的运动分析可知,该机构运动模型由3 个活动构件组成,含有4 个运动副,其中含有3 个旋转副和1 个移动副,由自由度计算公式F等于3n-2PL-PH可得该机构的自由度F等于1.为该运动模型完成运动副的建立,首先提取ADAMS/View 约束库中的旋转副(Joint: Revolute),依次完成构件1 与机架,构件2 与机架,构件4 与构件1 之间旋转副的施加；然后提取ADAMS/View 约束库中的移动副(Joint: Translational),在构件4 滑块中心点处完成构件4 与构件2 之间移动副的施加.
2.1.3 建立运动驱动
在该机构运动模型中,以构件1 为原动件,提取ADAMS/View 约束库中的旋转驱动工具,在构件2 上完成旋转驱动的施加,并完成旋转驱动参数的设置,将旋转角速度设为πrad/s,完成该机构运动模型运动驱动的施加.
2.2 机构模型机械运动仿真与运动学分析
利用ADAMS 软件对已建立的机构运动模型进行机械运动仿真,为将机构运动情况生动地展示出来,对机构运动仿真参数进行设置,将运动仿真终止时间设置为5s,仿真步数设置为500 步.完成机构运动模型的机械运动仿真,并对该机构运动模型进行运动学分析.对该机构运动模型进行运动学分析,分析构件4 上C 点相对于机架上A 点其位移、速度、加速度随时间变化规律.利用ADAMS 软件中的运动学分析功能,借助其测量工具,得到构件4 上C 点相对于A 点的位移、速度、加速度随时间变化规律曲线图.
（1）位移曲线图.
由图2 位移曲线图可知：该图为构件4 上C 点相对于A点在2.5 个周期内的位移随时间变化规律曲线图.0-2s 为一个运动周期,在该运动周期内,C 点相对于A 点的位移随着时间的变化出现不同程度的改变,但其变化较为简单且平缓.在T等于1.25s 时刻,位移处于最大值,此时A、C 两点距离最大,约为30mm；在T等于1.0s 时刻,位移处于最小值,此时A、C 两点距离最小,约为30mm.此结果与机构运动模型机械运动仿真所得结果相吻合.
（2）速度曲线图.
由图3 位移曲线图可知：该图为构件4 上C 点相对于A点在2.5 个周期内的速度随时间变化规律曲线图.0-2s 为一个运动周期,在该运动周期内,C 点相对于A 点的速度随着时间的变化发生了不同情况的改变,其变化较为复杂.在T等于0.4s 时刻,速度处于最小值,约为163mm/s；在T等于0.75s时刻,速度处于最大值,约为290mm/s.在T等于0.4-0.75s时间段内,速度变化较大且快；在T等于0.75-2.0s 时间段内,速度有较大弧度的变化.
（3）加速度曲线图.
由图4 位移曲线图可知：该图为构件4 上C 点相对于A点在2.5 个周期内的加速度随时间变化曲线图.构件6 在4s 的仿真运动时间内加速度随时间变化规律曲线图.0-2s为一个运动周期,在该运动周期内,C 点相对于A 点的加速度随着时间的变化有不同程度的改变,且其变化情况复杂多样.在T等于0.45s 时刻,加速度达到最大值,约为1150mm/**2,与上述“在T等于0.4-0.75s 时间段内,速度变化较大且快”相吻合；在T等于0.75s 时刻,加速度处于最小值,约为300mm/**2.在T等于0.45-0.75s 时间段内,加速度变化弧度较大；在T等于1.0-2.0s 时间段内,加速度变化弧度小.此结果与机构运动模型机械运动仿真所得结果相吻合.
3 结语
笔者针对机械原理课程教学中存在的问题,以平面机构高副低代为例,利用ADAMS 软件建立机构运动模型,并对所建模型进行机械运动仿真与运动学分析.借助ADAMS 软件强大的运动学分析功能,将抽象难懂的机构运动学理论分析用生动形象的动画仿真与图表模型进行取代.实现对传统机械原理课程教学方法的创新,有效克服了传统教学方法存在的缺陷与不足,提高了机械原理课程教学效率,激发了学生学习的自主性和积极性.同时,在一定程度上又为学生的自主创新起到了引导作用,有利于培养创新型机械类人才.
简而言之：上文是一篇大学硕士与课程教学本科课程教学毕业论文开题报告范文和相关优秀学术职称论文参考文献资料，关于免费教你怎么写虚拟样机和虚拟样机技术和机械原理方面论文范文.
参考文献：
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