寧方立, 王 琳

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

寧方立, 王 琳

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

以培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)械工程專業(yè)人才為目標(biāo)，針對(duì)以實(shí)物為基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)面廣、系統(tǒng)性強(qiáng)、與工程結(jié)合緊密等特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程中，建立了以工程認(rèn)知、表達(dá)、分析為主線，以代表性的真實(shí)機(jī)械零件——帶傳動(dòng)、螺栓為對(duì)象的虛實(shí)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。采用虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相融合的方式，全面推進(jìn)和提高學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。

虛實(shí)結(jié)合; 機(jī)械設(shè)計(jì); 實(shí)踐教學(xué)

0 引 言

機(jī)械工程專業(yè)的特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在教學(xué)中占有舉足輕重的地位[1-6]?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”以往所采取的教學(xué)模式主要是“課堂教學(xué)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”：課堂教學(xué)主要是教師講解的方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)由實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程存在的主要問(wèn)題是：因課時(shí)限制，有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)主要集中在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上——主要是驗(yàn)證書本上的內(nèi)容。驗(yàn)證性的學(xué)習(xí)盡管是不可缺的，但還是處于對(duì)知識(shí)的認(rèn)知層面，不能對(duì)所學(xué)習(xí)知識(shí)深入解析，很難激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性[7-9]。另外，由于辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的短缺問(wèn)題也日益突出，難以滿足教學(xué)質(zhì)量的要求。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日益成熟，大機(jī)械系統(tǒng)背景、計(jì)算機(jī)支持的全生命周期產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)，也都要求充分發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10-14]。因此，將虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將會(huì)成為必然趨勢(shì)[15-16]。

機(jī)械工程專業(yè)如何通過(guò)虛擬化技術(shù)補(bǔ)充與拓展實(shí)物實(shí)驗(yàn)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建現(xiàn)代機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系成為當(dāng)務(wù)之急。我校機(jī)械基礎(chǔ)與航空制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲批2013年度首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。為解決機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)與實(shí)踐教學(xué)所面臨的上述問(wèn)題提供了很好的平臺(tái)。機(jī)械基礎(chǔ)與航空制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托我校機(jī)械基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)中心)，旨在“以社會(huì)需求為牽引，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相協(xié)同、實(shí)踐教學(xué)與產(chǎn)業(yè)相協(xié)同”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，涵蓋專業(yè)基礎(chǔ)層、專業(yè)層、跨專業(yè)層的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，對(duì)機(jī)械工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行探索，全面推進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。

本文以代表性的真實(shí)機(jī)械零件——帶傳動(dòng)、螺栓為對(duì)象，建立虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。采用全虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相融合的方式，為全面建立虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)模式奠定基礎(chǔ)。

1 虛實(shí)結(jié)合在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型應(yīng)用

1.1 帶傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

帶傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)中廣泛使用，也是機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生觀察帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象；了解帶的初拉力、帶速等參數(shù)的改變對(duì)帶傳動(dòng)能力的影響，測(cè)繪出彈性滑動(dòng)曲線, 掌握轉(zhuǎn)速、扭矩、轉(zhuǎn)速差及帶傳動(dòng)效率的測(cè)量方法。

要實(shí)現(xiàn)上述的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的，實(shí)物實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是必不可少的，因此,采用一臺(tái)智能帶、鏈傳動(dòng)組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖1)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)4路數(shù)字顯示信息，在不同負(fù)載的情況下，學(xué)生手工抄錄主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和被動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，然后根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算并繪出彈性滑動(dòng)曲線和傳動(dòng)效率曲線。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)除了具有傳動(dòng)帶彈性滑動(dòng)曲線和傳動(dòng)效率曲線測(cè)試功能之外，還增加了傳動(dòng)主動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪在傳動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線測(cè)試功能，能夠更直觀地觀察傳動(dòng)帶的彈性滑動(dòng)狀況。

圖1 智能帶、鏈傳動(dòng)組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

帶傳動(dòng)彈性滑動(dòng)從緊邊到松邊的變化過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的現(xiàn)象，在以實(shí)物為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)中難以觀察和觀測(cè)。因此，考慮將虛實(shí)進(jìn)行結(jié)合。①由實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)S232串行線，將實(shí)驗(yàn)裝置與PC機(jī)直接連通。隨帶傳動(dòng)負(fù)載的逐級(jí)增加，計(jì)算機(jī)能根據(jù)專用軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并輸出滑動(dòng)曲線、效率曲線、轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線和所有的數(shù)據(jù)。②通過(guò)這些數(shù)據(jù)輸入到自行編寫的虛擬仿真程序中，學(xué)生可以通過(guò)該程序了解彈性滑動(dòng)的變化全過(guò)程(見(jiàn)圖2)。

圖2 帶傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行演示

學(xué)生還可以通過(guò)觀察標(biāo)注于皮帶和帶輪上兩個(gè)色塊的運(yùn)動(dòng)位置變化，對(duì)從動(dòng)輪處彈性滑動(dòng)過(guò)程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)(見(jiàn)圖3)。

圖3 從動(dòng)輪上的彈性滑動(dòng)演示

1.2 螺栓性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)代各類機(jī)械工程中廣泛應(yīng)用螺栓組機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)接。如何計(jì)算和測(cè)量螺栓受力情況及靜、動(dòng)態(tài)性能參數(shù)是工程技術(shù)人員面臨的一個(gè)重要課題。

因此，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法。首先，通過(guò)實(shí)物的螺栓組及單螺栓聯(lián)接靜、動(dòng)態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖4),讓學(xué)生了解和掌握實(shí)際工程中螺栓性能的測(cè)試方法和手段，特別是掌握如何測(cè)量螺栓的應(yīng)變量來(lái)分析螺栓的應(yīng)力和剛度。

圖4 螺栓組及單螺栓聯(lián)接靜、動(dòng)態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要功能為：①螺栓受預(yù)緊軸向載荷作用時(shí)，測(cè)量螺栓的剛度C1、被聯(lián)接件的剛度C2、和聯(lián)接體相對(duì)剛度C3。并了解受預(yù)緊軸向載荷螺栓聯(lián)接中，零件相對(duì)剛度的變化對(duì)螺栓所受總拉力的影響。②測(cè)試并繪制螺栓受交變拉應(yīng)力作用時(shí)，螺栓、被聯(lián)接件之間的變形曲線和變形協(xié)調(diào)圖。③通過(guò)改變螺栓聯(lián)接中零件的相對(duì)剛度，觀察螺栓中動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值的變化。④分析螺栓的預(yù)緊力對(duì)應(yīng)力的影響以及對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響。⑤分析螺栓的剛度對(duì)應(yīng)力的影響以及對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響。⑥分析被聯(lián)接件的剛度變化對(duì)應(yīng)力的影響以及對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響。

但是，在螺栓受載的過(guò)程中，存在螺栓桿被拉長(zhǎng)，被連接件被壓縮的變形協(xié)調(diào)過(guò)程。另外，還存在預(yù)緊力變化的過(guò)程。這些過(guò)程由于螺栓的剛度較大，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，變形量較小，故難以觀察和觀測(cè)。因此，筆者將實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的載荷同步輸入到自行開發(fā)的螺栓受載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。通過(guò)該平臺(tái)以形象直觀的方式將螺栓的受力和變形過(guò)程展示出來(lái)(見(jiàn)圖5、6)，使學(xué)生對(duì)螺栓的加載過(guò)程有更深入地了解和認(rèn)識(shí)。

圖5 螺栓加載前的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 螺栓加載后的結(jié)構(gòu)及受力分析圖

2 結(jié) 語(yǔ)

以培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)械工程專業(yè)人才為目標(biāo)，針對(duì)實(shí)物實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)面廣、系統(tǒng)性強(qiáng)、與工程結(jié)合緊密和新技術(shù)發(fā)展迅速等特點(diǎn)，秉承“能實(shí)不虛，虛實(shí)互補(bǔ)”的實(shí)踐教學(xué)理念，采用虛擬實(shí)驗(yàn)與階段實(shí)物實(shí)驗(yàn)相融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相融合的方式，全面推進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。使學(xué)生具備良好繼續(xù)培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)，為通過(guò)研究生階段的培養(yǎng)發(fā)展，成為創(chuàng)新型的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師打好基礎(chǔ)。

[1] 葛文杰. 對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)方法改革的思考與探討[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2009(10)：4-7.

[2] 葛文杰. 深化機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與課程建設(shè)的思考[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2007(12): 12-14.

[3] 張永紅，葛文杰，寧方立. 以工程認(rèn)知、表達(dá)、分析為主線建設(shè)機(jī)械原理綜合測(cè)繪實(shí)驗(yàn)[J]. 高等工程教育研究，2013(增刊)：182-13.

[4] 寧方立，張永紅，葛文杰，等. 國(guó)外機(jī)械原理課程教學(xué)的特點(diǎn)與啟示[J]. 高等工程教育研究，2013(增刊)：54-55,62.

[5] 陳國(guó)定, 吳立言, 李建華, 等. 機(jī)械設(shè)計(jì)精品課程建設(shè)的實(shí)踐與思考[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2006(9): 20-21.

[6] 寧方立. 淺談如何培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力[C]//第八屆全國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研討會(huì)，烏魯木齊，2006.

[7] 張永紅，葛文杰，李樹軍. 基于凸輪系列實(shí)驗(yàn)的階梯式學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)模式研究[C]//機(jī)械類課程報(bào)告論壇論文集，北京：高等教育出版社，2010.

[8] 寧方立，王 琳，張永紅，等. 基于慧魚模型的機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，40(增刊2): 166-170.

[9] 葛文杰. 以“質(zhì)量和創(chuàng)新”為核心深化課程教學(xué)改革與建設(shè)[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2013(7): 13.

[10] 張 長(zhǎng)，牛金霞. 機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 課程教育研究，2015(8): 185-186.

[11] 申 燚，王明強(qiáng)，袁明新，等. 虛擬仿真與裝配在機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程群教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2013，12(5): 79-81.

[12] 蔡衛(wèi)國(guó). 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(8): 76-82.

[13] 余建潮，葉秉良. 面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展策略[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014, 33(6):183-185．

[14] 潘雪濤, 鄔華芝, 蔡建文, 等． 創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014, 33(11):72-76

[15] 王衛(wèi)國(guó)．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(12):5-8．

[16] 張敬南，張镠鐘．實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(12):101-104．

Experimental Teaching Method Based on Virtual-Real Integration for Mechanical Design Course

NINGFangli,WANGLin

(School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In order to train high-quality talents of mechanical engineering major, an experimental teaching method based on virtual-real integration for mechanical design course is developed. The present experimental teaching of mechanical design course is mainly based on the object teaching. However, the mechanical engineering major has the characteristics of knowledgeable, systematic, and well-knit with practical engineering. The new experimental teaching method employs acknowledgement, expression, and analysis as the basic principles and takes two representative mechanical parts, belt drive and bolted connection, as the study objectives. Based on the proposed integration of object teaching, virtual teaching, and theory teaching, the students’ practical ability can be greatly improved.

virtual-real integration; mechanical design; experimental teaching

2016-05-18

陜西省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15BZ08)：西北工業(yè)大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目

寧方立(1974-)，男，山東泗水人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

Tel.：029-88493927；E-mail：ningfl@nwpu.edu.cn

G 642.4

A

1006-7167(2017)02-0165-03