摘要：采用以計算多體系統(tǒng)動力學理論為核心的虛擬樣機仿真軟件（如ADAMS）進行虛擬設(shè)計是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計理念。學校開設(shè)的機械系統(tǒng)動力學及仿真課程，圍繞著不斷提高“實踐性”這個主線來明確教學目的和選擇課程內(nèi)容；在有機結(jié)合理論與實踐兩部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以案例教學和交互式動態(tài)教學法為特色來組織教學，取得了預(yù)定的教學效果，CAE技術(shù)的快速發(fā)展給本課程的教學提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：機械動力學；ADAMS；交互式動態(tài)教學；案例教學

作者簡介：郭良斌（1973-），男，湖北武漢人，武漢科技大學機械自動化學院，副教授；丘常偉（1990-），男，湖北羅田人，武漢科技大學機械自動化學院本科生。（湖北武漢430081）

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）11-0042-02

隨著現(xiàn)代機械向高速、精密、輕型、重載和低噪聲等方向發(fā)展，在機械設(shè)計人員中加強機械動力學理論的學習和實際應(yīng)用，將有助于提高機械產(chǎn)品的動態(tài)性能和工作品質(zhì)。[1]21世紀以來，隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，機械產(chǎn)品的市場競爭日趨激烈，客戶對產(chǎn)品多樣化和個性化的要求愈加迫切。采用以計算多體系統(tǒng)動力學理論為核心的虛擬樣機仿真軟件（如ADAMS）進行虛擬設(shè)計和任意次數(shù)的仿真測試，部分取代傳統(tǒng)設(shè)計，有利于降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)計質(zhì)量、縮短研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場，有助于節(jié)約型社會的建設(shè)。[2]

虛擬樣機技術(shù)不僅是計算機技術(shù)在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計理念。一方面，傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機技術(shù)則是強調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬樣機與虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品多種設(shè)計方案進行測試、評估，并不斷改進設(shè)計方案，直到獲得最優(yōu)的整機性能；另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法是一個串行過程，忽略了各子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設(shè)計的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴重浪費；而運用虛擬樣機技術(shù)可以快速地建立包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等在內(nèi)的虛擬樣機，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計，可在產(chǎn)品設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把虛擬樣機系統(tǒng)的測試分析作為整個產(chǎn)品設(shè)計過程的驅(qū)動。[3]

為使學生了解和掌握一些基于虛擬樣機技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計新理念和新工具，武漢科技大學（以下簡稱“我?！保?007年開始，在機械工程及自動化專業(yè)的全體本科生中開設(shè)了“機械系統(tǒng)動力學及仿真”選修課程。經(jīng)過5年的教學實踐，該課程的教學目的、內(nèi)容、方式基本明確下來，本文即是對5年教學探索的簡要總結(jié)。

一、教學目的和開設(shè)時機

通過本課程的學習，學生能夠?qū)C械系統(tǒng)動力學建模與分析具有明確的基本概念，具有必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識、一定的機械系統(tǒng)動力學建模能力和分析計算能力，同時掌握機械系統(tǒng)虛擬樣機軟件ADAMS/View的基本操作和使用。

教學實踐表明，開設(shè)本課程需要學生必須具備高等數(shù)學、線性代數(shù)、機械制圖、理論力學、材料力學、機械原理、計算機算法語言等相關(guān)課程基礎(chǔ)，我校機械專業(yè)學生在本科一、二年級已完成上述課程的學習，因此在本科三年級引入該課程是合理的。至于在三年級上學期還是下學期開設(shè)，可按各自情況酌情處理，我校安排在三年級上學期開設(shè)該課程，目的是讓參加全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽等大學生科技競賽的學生能夠早一些使用虛擬樣機技術(shù)進行作品設(shè)計，提高作品的質(zhì)量，同時也可以為畢業(yè)設(shè)計早做準備。

二、課程教學內(nèi)容的選擇

對于本科生而言，純粹的計算多體系統(tǒng)動力學理論涉及大量的公式推導(dǎo)，課程內(nèi)容抽象、深奧晦澀，學生不易掌握，授課難度較大。[4，5]在當前大學生特別注重課程的實用性、特別希望能學以致用的背景下，欲提高教學質(zhì)量，需要轉(zhuǎn)變單純傳授知識的傳統(tǒng)教育思想，樹立融知識傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提高為一體的全面發(fā)展的教育觀念，著重培養(yǎng)學生的自學能力和動手操作能力。[5]因此在教學內(nèi)容的選擇上，考慮將計算多體系統(tǒng)動力學的建模理論和虛擬樣機軟件ADAMS/View的操作使用同時納入，目的是既讓學生能較快地使用ADAMS/View進行一些基本的輔助設(shè)計，又能為其貯備一些進一步自學和提高ADAMS/View使用技能所需的理論基礎(chǔ)。

在多體系統(tǒng)建模理論方面，主要講授由Chance和Haug提出的笛卡兒絕對坐標方法，它是當今較為流行的建模方法，國際上最著名的兩個動力學分析商用軟件ADAMS和DADS都是采用這種建模方法。在系統(tǒng)類型方面，由于學時限制，主要講授平面系統(tǒng)笛卡兒坐標運動學和動力學，其中尤以常見運動副約束建模和運動學方程組的自動組集為重點。機械系統(tǒng)各構(gòu)件相對運動的形式是由相應(yīng)運動副的約束性質(zhì)確定的，這是機械系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)（如機械結(jié)構(gòu)）的本質(zhì)特征。

在虛擬樣機軟件ADAMS/View的操作使用方面，以樣機約束建模、ADAMS/View函數(shù)與載荷施加、機構(gòu)參數(shù)化建模與優(yōu)化為重點。其中的難點內(nèi)容是在冗余約束系統(tǒng)中如何用一定量的基本副替代低副來消除冗余約束。實際機械系統(tǒng)為增加系統(tǒng)剛性、減輕構(gòu)件質(zhì)量常常設(shè)計了冗余約束，選擇哪幾個低副，且用什么樣的基本副替代，這依賴于用戶對一個具體的復(fù)雜系統(tǒng)中構(gòu)件之間的運動關(guān)系和每個基本副約束自由度的特性有正確的理解，否則很難正確地消除過約束。這是決定學生能否正確使用ADAMS/View軟件建模的關(guān)鍵問題之一，教師在教學實際中予以著重講述。教學內(nèi)容除強調(diào)必須和夠用外，同時還應(yīng)考慮一定的彈性，筆者在軟件操作的課堂教學中布置了較多的自學內(nèi)容，使學生能在后續(xù)的科技競賽或畢業(yè)設(shè)計中進行自學，并在實踐中進一步提高軟件操作技能。

三、教學方式靈活化

在信息技術(shù)高度發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用匯集了大量的資源，廣泛且可迅速獲取信息，突破了書本的局限、大大擴展了學生的視野、豐富了學生的學習內(nèi)容，為學生的自主式學習創(chuàng)造了有力條件，教師不再被視為知識的唯一擁有者和化身。[6，7]因此教師要由傳授知識轉(zhuǎn)向引導(dǎo)和激勵學生探尋、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造性應(yīng)用知識，充分培養(yǎng)學生個體的獨立學習和研究能力。在相應(yīng)教學方式上，教師應(yīng)該由傳統(tǒng)的“灌輸式”、“填鴨式”教學方法，轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式、交互式動態(tài)教學方法。[8，9]在教學手段上，針對不同的教學內(nèi)容應(yīng)靈活應(yīng)用課堂教學、案例教學、課后作業(yè)、上機實驗驗證等方式。在多體系統(tǒng)建模理論教學中，由于數(shù)學公式多，理論性強，考慮采用漸進式和突出重點的方法進行課堂講授，必要的公式推導(dǎo)以板書為主，多媒體課件為輔，增加和學生的課堂交流，努力提高教學的趣味性。另外對于關(guān)鍵的知識點布置課后作業(yè)，以加深學生的理解和掌握。

在ADAMS/View軟件操作教學中，則采用基于交互式動態(tài)教學方法的案例教學來進行，每一次課都從一個實例開始，把ADAMS/View軟件的基本功能融入到虛擬樣機的建模及仿真計算過程中講授，不僅提高了學生的學習興趣和熱情，還積極引導(dǎo)了學生學以致用。鼓勵學生把手提電腦帶到課堂上來，教師用自己的手提電腦現(xiàn)場演示軟件的操作過程，學生可以在各自的手提電腦上同步操作，操作使用中的各種問題課上課下可及時提出和迅速解答。這種交互式的動態(tài)教學方法，充分調(diào)動學生學習的積極性、主動性，優(yōu)化了課堂教學過程，提高了學習效率。軟件操作部分除課堂教學外還精心設(shè)計了與重點難點內(nèi)容緊密結(jié)合的上機實驗，以期通過獨立的軟件操作加深學生對關(guān)鍵內(nèi)容的理解和掌握，并通過教師在學院CAD室進行現(xiàn)場上機答疑予以監(jiān)督和保障。

教學考核不再以試卷考試作為唯一方式，考核形式多樣化。單純的試卷考試較片面，不能真實檢驗學生對課程內(nèi)容的掌握深度和應(yīng)用能力；實踐中采用課后作業(yè)、課程考試、上機測試和提問測試相結(jié)合的方式，綜合考察學生對課程內(nèi)容的掌握水平。

四、結(jié)束語

“機械系統(tǒng)動力學及仿真”教學實踐是一個不斷突出“實踐性”的過程。人類的創(chuàng)造性活動離不開實踐，只有當人們在實踐中提出問題、解決問題，才會產(chǎn)生新的認識和升華，創(chuàng)造力隨之提升，這種從知識到能力的飛躍蘊藏在“實踐”教學手段中。由于各種條件的限制，機械專業(yè)學生的“動手環(huán)節(jié)”常常受到制約。虛擬樣機技術(shù)只需要借助計算機就可完成“動手環(huán)節(jié)”，并且學生在軟件應(yīng)用中可以反復(fù)嘗試、反復(fù)修改、大膽創(chuàng)新，給學生插上了“多動手”、“巧動手”的翅膀，受到了學生的歡迎。[10]本課程為我校機械學院部分學生在全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽等賽事中取得好成績，提供了有力的支持。

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的單學科工程分析方法在準確模擬產(chǎn)品的真實性能方面的局限性越來越突出，多學科耦合和集成的工程分析方法可以有效解決這種局限性帶來的問題，正在成為CAE行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。MSC.Software公司在ADAMS 2007之后推出了MD ADAMS（MD，Multi-Discipline多學科），它是適應(yīng)多學科仿真市場需求應(yīng)運而生的新一代虛擬樣機技術(shù)，對本課程授課教師自身的理論基礎(chǔ)、相關(guān)軟件的操作技能和應(yīng)用水平提出了更高的要求。另外，如何用簡潔、生動的語言，把數(shù)量多而冗長的多體動力學模型數(shù)學公式用學生易于理解的方式講解出來，仍然是本課程授課教師需要深入思考和不斷提高教學水平的努力方向。

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（責任編輯：宋秀麗）