肖啟明 錢利霞

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶萬(wàn)州 404100）

基于ADAMS在“機(jī)械原理”教學(xué)中的應(yīng)用研究

肖啟明 錢利霞

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶萬(wàn)州 404100）

借助ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件分析了其在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用研究．針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法在機(jī)械原理課程中的問(wèn)題，將ADAMS軟件引入到課程教學(xué)中，補(bǔ)充了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，為學(xué)生展現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)的構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)副、機(jī)械動(dòng)力學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容．該方法擴(kuò)寬了教學(xué)方法，提升了教學(xué)效果．

ADAMS;機(jī)械原理；教學(xué)改革

1 引 言

機(jī)械原理作為我國(guó)高等學(xué)校工科機(jī)械工程類本科生必修的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程之一，涵蓋了機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)器動(dòng)力學(xué)、常用機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)和機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)[1]．機(jī)械工業(yè)是國(guó)家綜合國(guó)力發(fā)展的基石．為滿足各行各業(yè)的需求，就需要?jiǎng)?chuàng)造出越來(lái)越多的新產(chǎn)品，機(jī)械原理課程在培養(yǎng)機(jī)械方面的創(chuàng)作型人才中將起到重要的作用．

在機(jī)械原理教學(xué)中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方法很多，主要有圖解法和解析法．圖解法能夠獲取機(jī)構(gòu)某一個(gè)或者特定位置的運(yùn)動(dòng)特性．圖解法作圖過(guò)程復(fù)雜，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)的分析中．同時(shí)其求解的精度較低，不能表征機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性．解析法分析中，應(yīng)首先建立機(jī)構(gòu)的位置方程式，將位置方程式求導(dǎo)，分別求出機(jī)構(gòu)的速度和加速度方程，進(jìn)而求解出相關(guān)的位移、速度及加速度，完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析．解析法中最常見的方法有復(fù)數(shù)矢量法和矩陣法．由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，解析法的推導(dǎo)過(guò)程及相應(yīng)的計(jì)算程序的編制將會(huì)變得比較復(fù)雜．在一定程度上不利于該方法的推廣．在實(shí)際的教學(xué)中，主要以以上兩種方法為手段，在某些程度上影響到了課程的教學(xué)效果以及學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知度和積極性．在機(jī)器動(dòng)力學(xué)，常用機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中雖然現(xiàn)有的教學(xué)模具能展現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但是無(wú)法用數(shù)值的方式給以表示，存在一定的局限性．

本文針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法在機(jī)械原理課程中問(wèn)題，將ADAMS軟件引入到課程教學(xué)中，補(bǔ)充了傳統(tǒng)教學(xué)的不足．為學(xué)生展現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)的構(gòu)成、機(jī)械動(dòng)力學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容．將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)過(guò)程以數(shù)值和動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)給學(xué)生．該方法擴(kuò)寬了教學(xué)方法，提升了教學(xué)效果．

2 ADAMS在機(jī)械原理教學(xué)應(yīng)用

2.1 ADAMS軟件介紹

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS是美國(guó)MDI公司的產(chǎn)品．ADAMS是世界上應(yīng)用應(yīng)用最廣泛且最有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件[2]．ADAMS能快速的建立機(jī)械系統(tǒng)的幾何模型，完成相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析．同時(shí)能在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)規(guī)劃等過(guò)程中發(fā)揮重要的作用．ADAMS軟件在機(jī)械系統(tǒng)仿真分析中具有強(qiáng)大的功能和優(yōu)點(diǎn)[2]．

（1）良好的交互式圖像環(huán)境，完成零件、約束、力庫(kù)建立機(jī)械系統(tǒng)三維模型．

（2）分析類型涵蓋了動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)和準(zhǔn)靜力學(xué)分析，線性和非線性動(dòng)力學(xué)分析，剛性和柔性體分析．

（3）先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，使得求解快速準(zhǔn)確．

（4）ADAMS軟件與各類CAD/CAE軟件有著良好的接口關(guān)系．能將有限元模型傳遞到ADAMS中，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的耦合仿真分析．

（5）良好的圖像輸出．分析結(jié)果能以曲線，圖表，動(dòng)畫的形式輸出．

2.2 ADAMS在機(jī)械原理中的應(yīng)用基礎(chǔ)

ADAMS作為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的優(yōu)秀軟件，在將軟件引入到機(jī)械原理的教學(xué)的過(guò)程中，任課老師必須有著充分的前期準(zhǔn)備．利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資料和圖書館數(shù)字化資源，完成軟件的前期輔助性教學(xué)工作．充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和能動(dòng)性，使學(xué)生在軟件的基本操作，分析流程上有清楚認(rèn)識(shí)，為軟件在機(jī)械原理教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用做好準(zhǔn)備．

3 ADAMS在機(jī)械原理教學(xué)中實(shí)際應(yīng)用

在機(jī)械原理的教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，一直以來(lái)都是教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)．本文將以實(shí)際的工程案例為例子，介紹ADAMS在機(jī)械原理教學(xué)中的運(yùn)用．機(jī)械結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副，機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中的雙曲柄機(jī)構(gòu)，自由度的計(jì)算等將得到充分的體現(xiàn)．

3.1 實(shí)際案例介紹

在軋制生產(chǎn)線中，剪切機(jī)作為重要的設(shè)備，主要用于對(duì)軋件進(jìn)行切頭、切尾工作．IHI擺式飛剪一直以來(lái)都是軋制生產(chǎn)線中動(dòng)剪切重要設(shè)備．它能在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)完成水平與直垂方向的剪切運(yùn)動(dòng)．其基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示．本文將以該機(jī)構(gòu)為具體案例，分析說(shuō)明ADAMS在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用．該機(jī)構(gòu)為一個(gè)具有三個(gè)自由度的十四桿機(jī)構(gòu)．通過(guò)調(diào)整主動(dòng)件COH桿，13、14號(hào)桿[3]的轉(zhuǎn)速的配置，得到不同的空切數(shù)．

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的建立

IHI擺式飛剪機(jī)構(gòu)的原始參數(shù)[4]如下：

圖1 IHI擺式飛剪簡(jiǎn)圖

依據(jù)結(jié)構(gòu)的原始參數(shù)，假設(shè)機(jī)構(gòu)的初始位置為： H點(diǎn)位于y軸負(fù)最下方，J點(diǎn)和K點(diǎn)在y軸最上方，即

在ADAMS軟件中利用其桿組建模功能建立相應(yīng)桿件，依據(jù)桿件之間的相互關(guān)系，加載相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副．同時(shí)給以結(jié)構(gòu)原動(dòng)件相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，建立完善的IHI擺式飛剪的虛擬機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示．

圖2 ADAMS虛擬模型

利用ADAMS軟件自身的機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)功能，對(duì)模型的自由度進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示．施加3個(gè)驅(qū)動(dòng)后，虛擬模型的自由度為0，模型正確．

圖3 模型驗(yàn)證

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)分析

取倍尺系數(shù)為1和2，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析．在ADAMS軟件的后處理中，提取上下剪切刃的X，Y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，以時(shí)間為參照，得到上下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖、上下剪刃水平和垂直方向速度變化曲線圖如圖4，圖5所示．

圖4 上下剪刃速度曲線(a)k=1；(b)k=2

圖5 上下剪刃速度軌跡圖(a)k=1；(b)k=2

利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，輸出具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)畫以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡圖，真實(shí)的再現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程．

3.4 ADAMS在機(jī)械原理教學(xué)中的提升

以ADAMS的運(yùn)用為基礎(chǔ)，利用其良好的交互式圖像環(huán)境、快速的求解、形象生動(dòng)的后處理等特點(diǎn)來(lái)升級(jí)機(jī)械原理的教學(xué)課件，提升教學(xué)效果．

4 結(jié) 論

將ADAMS多體動(dòng)力學(xué)分析軟件引入到機(jī)械原理的教學(xué)過(guò)程中，以IHI擺式飛剪的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析為實(shí)例進(jìn)行分析教學(xué)．能真實(shí)的再現(xiàn)反應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)．在一定程度上擴(kuò)充了教學(xué)方法，提升了教學(xué)效果．同時(shí)能激發(fā)學(xué)生的興趣，利用計(jì)算機(jī)輔助軟件去解決實(shí)際的問(wèn)題．實(shí)現(xiàn)了機(jī)械教學(xué)方法的創(chuàng)新，為機(jī)械其他專業(yè)課的教學(xué)改革提供了指導(dǎo)．

[1]孫恒.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王國(guó)強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[3]黃真.IHI擺式飛剪運(yùn)動(dòng)分析的解析法[J].重型機(jī)械，1973（3）：39-47，67.

[4]李琴.IHI擺式飛剪偏心距及倍切系數(shù)對(duì)工作噪音的影響[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（3）：70-73.

（責(zé)任編輯：鄭宗榮）

A Research on the Application of ADAMS in the Mechanical Principle Teaching

XIAO Qiming QIAN Lixia
(Mechanical Engineering College, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 400410)

This paper aims to analyze the application of multi-body dynamics software ADAMS in the Mechanical Principle teaching. Aiming to solve the problems of the traditional teaching method of Mechanical Principle course, the ADAMS software is introduced to the teaching to remove the defects of the traditional teaching, and the new method can demonstrate the makeup of mechanical structure, kinematic pair, mechanical dynamics and the optimization of structural design for students. This method diversifies teaching method and has better teaching effects.

ADAMS; Mechanical Principle; teaching reform

G642.1

A

1009-8135（2015）03-0128-03

2015-01-25

肖啟明（1981-），男，湖北人，重慶三峽學(xué)院講師，博士研究生，主要研究機(jī)械設(shè)計(jì)與理論．

重慶三峽學(xué)院青年教師項(xiàng)目資助（13QN21）階段性成果