肖 洋 劉海峰 李芳環(huán) 余 浩 李 娜

(武昌工學院機械工程學院，湖北 武漢 430065)

1 計算機圖解及仿真軟件概述

1.1 圖解類軟件

為了直觀準確了解機械系統(tǒng)的構成(如連桿機構)以及零部件的型貌特征(如齒輪機構)，常見的圖解類機械原理軟件包括AutoCAD，Solidworks，Pro/e和Catia等。

其中，AutoCAD能夠精準地設計機構的平面結構圖紙，通過樣條線和基本形變命令的繪制，輔以動態(tài)/靜態(tài)參數(shù)的固定，能夠實現(xiàn)簡單機械結構的設計，并且可以直接求出相關未知參數(shù)，在凸輪設計、連桿設計中得到了廣泛的應用。

三維作圖軟件能夠最貼切地反映機械零部件結構的細節(jié)特征，如通過Catia軟件構造各類復雜齒輪結構；亦可通過三維動畫對整個機械結構的作業(yè)過程進行圖解化的描述，且能運動過程反映出系統(tǒng)設計缺陷和不足，進行及時的調整和重規(guī)劃。

1.2 解析類軟件

為了提高機械結構的實際應用性能，對其機構的運動分析是必不可少的。隨著計算機處理能力的提升和相關軟件的開發(fā)，機械設計工程師能夠通過Matlab，ADAMS，Delphi，ANSYS，DelCAM，RecurDyn以及國產(chǎn)的CAXA等仿真軟件進行建模，分析機構的動力學參數(shù)以及復雜系統(tǒng)的機械組分所受力場和溫度環(huán)境的影響，從而提高設計機構的安全性、高效性和穩(wěn)定性。

Matlab是最為常用的機構運動分析軟件之一。Matlab能針對機械構件進行運動矩陣分析，通過編程求解得到仿真的運動曲線，通過直觀的圖形輸出能力實現(xiàn)對構建運動規(guī)律的嚴謹再現(xiàn)，并以此推導出相關的運動參數(shù)(如運動角速度，位移量，加速度等)[1]。相較于Matlab，ADAMS建模仿真軟件則更加具有專業(yè)性。ADMAS提供了豐富的機械構件動力學模型，能夠讓工程師直觀地添加機械系統(tǒng)所需要的常用構件，通過對相關動力學參數(shù)的外部輸入，實現(xiàn)了對機構系統(tǒng)的運動規(guī)律的求解，ADMAS減小了編程量和調試時間，且其模型具有一般性，能夠快速對所需參量進行求導。近年來，隨著人們對于復雜機構系統(tǒng)的運動分析需求的提升，如RecurDyn等基于遞歸算法的動力學模擬軟件應運而生，該算法結合了相對坐標系運動方程理論，借助獨特的柔體分析，能夠以更高的運動分辨率實現(xiàn)對非線性運動方程的求解，在大型機械工業(yè)設計中取得了廣闊的應用市場[2]。

2 圖解及仿真軟件的應用

2.1 教學應用

機械原理課程是機械大類專業(yè)的必修科目，近年來不少高校開通了計算機機械仿真模擬的相關課程，即Computer Aided Instruction(CAI，計算機輔助教學)，打破了傳統(tǒng)教學進度緩慢、直觀性不強、精確度不足的壁壘，針對復雜的機械結構如漸開線、棘輪、槽輪、連桿等平面和空間構建，CAI教學法能夠快速形象地生成相關模型、進行運動分析和參數(shù)輸入/導出，對構件間的運動副的形貌、相對運動形式進行分析，極大提高了課堂教學的效率和學生的形象化理解能力，且能夠以作業(yè)設計的形式讓學生自行建模仿真，促進其在設計過程中加深對各類機械原理的理解，激發(fā)其創(chuàng)新能力[3]。

2.2 工業(yè)化設計應用

不同于理論教學，工業(yè)化設計應用中對于建模軟件的可靠性、規(guī)范性、精確度和速度都有著更為嚴苛的要求。如ADAMS、ANSYS等軟件能夠針對大型機械系統(tǒng)的運動受力、環(huán)境因素進行模擬分析，在建筑工程、橋梁工程的開發(fā)設計中已取得了廣泛的應用。在對于機械結構精密化要求較高的數(shù)控機床軟件開發(fā)中，DelCAM，Pro/E等CAM軟件能夠綜合融入影響加工精度的變量，提供科學合理且結果可控的仿真分析和虛擬加工，在最低損耗的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)的精確化設計。

在工業(yè)化設計中，仿真軟件對于系統(tǒng)建模、動力學分析、環(huán)境變量分析和精確制造等機械應用領域有著不可替代的作用，節(jié)省大量的實驗和時間成本，確保了所產(chǎn)出機械結構的運行壽命和操作精度。

3 總結

現(xiàn)代化機械原理的應用離不開計算機仿真模擬軟件的輔助，我國于此領域在教學和工業(yè)化的應用已取得了長足的進展，然而缺乏國產(chǎn)的規(guī)范化建模軟件、缺少相關專業(yè)高素質人才等問題亦亟待解決，然而通過產(chǎn)學研相結合的一體化形式，促進理論和時間的深度結合，必然能夠在預期取得理想的結果。