華劍 徐小兵

[摘要]該研究結(jié)合新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證工程的背景，提出了將虛擬仿真軟件用于機械專業(yè)教學(xué)的方法?？傮w介紹了機械行業(yè)虛擬仿真軟件的種類、特點、功能以及適用的課程，詳細(xì)闡述了SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab這四種軟件在機械原理、機械設(shè)計、機械控制工程基礎(chǔ)等課程的應(yīng)用、實踐表明，將上述軟件用于機械專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

[關(guān)鍵詞]機械專業(yè);虛擬仿真軟件;創(chuàng)新能力;教學(xué)

[中圖分類號]G642[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]2095-3437（2020） 02-0014-03

近年來，隨工程教育中“新工科”建設(shè)的快速開展和工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的不斷推進，國內(nèi)各高校在機械工程專業(yè)的教學(xué)中越來越強調(diào)對學(xué)生科技創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜T程問題能力的培養(yǎng)[l]。要培養(yǎng)上述能力，離不開科學(xué)的實踐教學(xué)體系和完善的校內(nèi)外實驗基地建設(shè)[2]。但目前大多普通本科高校的機械專業(yè)實踐教學(xué)面臨如下困難：一是資金、場地和實驗人員有限，不能滿足培養(yǎng)方案對實踐教學(xué)所占學(xué)時、學(xué)分比例以及實驗室軟硬件建設(shè)的要求。二是考慮到對企業(yè)管理、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟效益等方面的影響，機械制造企業(yè)對學(xué)生實習(xí)實踐的接納程度逐年下降。三是由于教學(xué)組織、教學(xué)手段和教學(xué)方法的原因，部分實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)場教學(xué)，對提高學(xué)生能力的作用有限。四是實驗設(shè)備使用頻繁，需要定期維護及檢修，出故障的概率較高，不利于實踐教學(xué)的順利開展。借助于計算機性能的提高、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及機械工程仿真軟件的推廣，虛擬仿真實驗為解決機械專業(yè)實踐教學(xué)的上述問題提供了有效手段。虛擬仿真教學(xué)已在能源動力工程等專業(yè)[3]、機械原理、機械設(shè)計[4-6]等課程的實踐教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，對現(xiàn)場實踐教學(xué)形成了有益補充，并成了機械工程教育中的熱點。

長江大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是湖北省品牌專業(yè)、教育部特色專業(yè)，于2012年人選教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃。在我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的課程體系中，機械原理、機械設(shè)計、機械創(chuàng)新設(shè)計、機器人技術(shù)基礎(chǔ)、工程流體力學(xué)與流體機械、畢業(yè)設(shè)計等課程與教學(xué)環(huán)節(jié)與工程實踐結(jié)合較為緊密。由于受到傳統(tǒng)教學(xué)觀念、教材內(nèi)容和教學(xué)硬件設(shè)施的限制，在以往的教學(xué)實踐中，教師們主要將重點放在學(xué)生對理論知識的理解和考試知識點的掌握上，平時作業(yè)主要以公式計算為主，考試主要強調(diào)學(xué)生對概念、理論公式的記憶，而不太重視學(xué)生對理論知識在工程實際中的應(yīng)用，從而導(dǎo)致學(xué)生會推導(dǎo)公式、能夠考高分，但不知如何將理論知識運用于工程實踐的情況，這就造成了人才培養(yǎng)與企業(yè)需求的脫節(jié)。為了使人才培養(yǎng)契合新工科與專業(yè)認(rèn)證的要求，近年來，在專業(yè)課程教學(xué)中，我們結(jié)合石油裝備行業(yè)背景與機械制造企業(yè)需求，有針對性地在不同課程的各個學(xué)習(xí)階段引入機械工程仿真軟件，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力起到了良好的促進作用。

一、虛擬仿真軟件及其適用課程

隨著計算機的普及及軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機械行業(yè)中所使用的虛擬仿真軟件也日益豐富，幾乎涵蓋了從實體建模、運動學(xué)仿真、動力學(xué)仿真、強度及疲勞分析的所有機械設(shè)計的方方面面，相關(guān)軟件種類繁多。由于在教學(xué)中難以逐一涉及各種軟件，我們首先根據(jù)各類軟件的特點和功能，將其加以分類，然后根據(jù)教學(xué)課程及實踐環(huán)節(jié)性質(zhì)，選擇合適的軟件進行示范和應(yīng)用。

我們將上述軟件分為三類。第一類為三維建模和運動仿真軟件，比如SolidWorks、Pro/E、UG、Catia、CAXA等。上述軟件具有強大的實體建模功能，其中大多數(shù)軟件能夠進行運動仿真和基本的動力仿真[7]。第二類為工程分析軟件，包括Nastran、Abaqus、Ansys、CFX、Adams等。這些軟件能夠解決機械T程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強度計算、流體力學(xué)計算或動力學(xué)仿真問題[8]。第三類為數(shù)值建模與分析軟件，主要有Matlab、mathematica、Maple等。這類軟件將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計等領(lǐng)域提供有效的數(shù)值計算工具[9]。

通過企業(yè)調(diào)研和資料調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)在機械研究、

設(shè)計或制造領(lǐng)域，上述各種軟件均有較高的知名度和較大的客戶群。在結(jié)合本專業(yè)的石油機械背景，通過對上述軟件的易用性、石油相關(guān)行業(yè)接受程度等方面進行綜合分析以后，我們在上述專業(yè)課程與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施過程中引入SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab這4種軟件，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決工程實際問題的能力。

二、虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

（-）SolidWorks軟件的應(yīng)用

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows環(huán)境開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，它主要包括機械零件三維設(shè)計、裝配設(shè)計、動畫和渲染、工程分析和鈑金制作等模塊，功能強大，已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計和機械制造的各個行業(yè)[10]。本專業(yè)對SolidWorks的應(yīng)用有一個逐步深入、由淺入深的過程。首先是在機械原理課程中，將該軟件用于連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)的建模與運動學(xué)仿真，在此過程中指導(dǎo)學(xué)生進一步建立和鞏固運動副的概念。在講解《輪系》這一章時，采用該軟件建立輪系的模型并進行運動仿真，使學(xué)生掌握輪系的組成與工作原理。通過機械原理課程，讓學(xué)生初步掌握SolidWorks的基本建模與運動仿真操作。

在機械制圖、機械設(shè)計等課程中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是“從二維到三維”，即先繪制二維圖，再根據(jù)二維圖繪制三維圖，在這種教學(xué)模式中，三維軟件僅用于建立模型和展示模型，而沒有在結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮應(yīng)有的作用。我們在教學(xué)中向?qū)W生展示采用SolidWorks建立的軸系結(jié)構(gòu)、減速器等實際機械設(shè)備，并展示虛擬裝配和拆卸，使學(xué)生較為全面地了解SolidWorks的各種功能，并在機械設(shè)計課程設(shè)計、創(chuàng)新實踐等課程中，根據(jù)設(shè)計計算數(shù)據(jù)和制造裝配要求先建立三維模型，再生成二維圖加以完善。通過這種方法使學(xué)生普遍接受了機械設(shè)計“由三維到二維”的新理念。在此基礎(chǔ)上，我們通過組織學(xué)生參加全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽，進一步訓(xùn)練參賽學(xué)生熟練掌握該軟件，為后續(xù)機械創(chuàng)新設(shè)計課程的學(xué)習(xí)以及全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等學(xué)科競賽打下堅實的基礎(chǔ)。

（二）Ansys軟件的應(yīng)用

Ansvs是一款融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件在機械設(shè)計制造、石油化工、核工業(yè)、鐵道、航空航天、造船、輕工、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在各大型機械設(shè)計研發(fā)機構(gòu)及制造企業(yè)，Ansvs是一款必備軟件.其功能豐富，可求解的工程問題類型有：結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力分析、非線性分析、熱分析、電磁場分析等。我們結(jié)合機械行業(yè)的特點，在教學(xué)中主要向?qū)W生介紹靜力學(xué)分析模塊和模態(tài)分析模塊。

在材料力學(xué)課程的理論教學(xué)中，強度計算的傳統(tǒng)教學(xué)方法是先推導(dǎo)書上的經(jīng)驗公式，再結(jié)合題目對這些經(jīng)驗公式加以應(yīng)用。實際上，在現(xiàn)代機械研發(fā)過程中，重要結(jié)構(gòu)件的強度計算都是需要通過工程軟件驗算的。因此，在材料力學(xué)教學(xué)中，對于桿系、簡支梁等簡單結(jié)構(gòu)問題，首先由學(xué)生通過材料力學(xué)公式求出理論解，然后教他們通過Ansvs軟件求出數(shù)值解，使學(xué)生基本掌握有限元分析問題的方法，進一步將理論解與Ansvs數(shù)值解相比較，分析兩種結(jié)果的差異，這樣有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己解題過程中的錯誤，初步掌握Ansys的網(wǎng)格劃分技術(shù)，以及如何使約束施加接近工程實際。

在機械設(shè)計課程中，很多章節(jié)都涉及機構(gòu)和零件在工作時所受的應(yīng)力問題，如齒輪嚙合、v帶輪轉(zhuǎn)動、螺栓預(yù)緊等。機械設(shè)計教材所介紹的公式只能計算結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，而不能說明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況。引導(dǎo)學(xué)生采用Ansys軟件對上述結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析后，可使學(xué)生深入了解Ansys軟件在降低產(chǎn)品試制、試驗成本及加快設(shè)計進度等方面的應(yīng)用，并進一步掌握該軟件的使用能力。

（_）Adams軟件的應(yīng)用

Adams是一套應(yīng)用廣泛的虛擬樣機軟件，在多體動力學(xué)分析方面具有強大的功能。用戶可以運用該軟件對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等，從而幫助其深入了解機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性。

我們主要在機械現(xiàn)代設(shè)計方法、工業(yè)機器人系統(tǒng)仿真與實踐等課程中引入該軟件。學(xué)生在學(xué)習(xí)SolidWorks軟件的基礎(chǔ)上，對工業(yè)機器人進行結(jié)構(gòu)建模，并通過接口導(dǎo)人Adams仿真軟件中，建立虛擬樣機，運用動力學(xué)方程，并添加相應(yīng)驅(qū)動，完成工業(yè)機器人的動力學(xué)仿真，驗證機器人設(shè)計的可行性，為進一步進行機器人軌跡規(guī)劃和控制奠定基礎(chǔ)。此外，應(yīng)用Adanls軟件可很方便地建立各種質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)模型，直觀地顯示各種振動系統(tǒng)的動態(tài)過程。在機械振動等課程中，應(yīng)用該軟件可加深學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)值模擬能力。

（四）Matlab軟件的應(yīng)用

Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案[12]。Matlab現(xiàn)已成為大學(xué)教學(xué)和科研中最常用且必不可少的工具。

我們主要在機電控制類和機械優(yōu)化設(shè)計等課程中引入Matlab軟件，比如在學(xué)習(xí)機械控制工程這門課程的拉斯變換時，首先通過數(shù)學(xué)方法的詳細(xì)推導(dǎo)得出結(jié)果，然后采用Matlab軟件得出相同結(jié)果，使學(xué)生初步了解Matlah的強大功能與易用性，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)習(xí)系統(tǒng)響應(yīng)分析時，我們在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上引入Matlab軟件，通過SimulinkT具箱建立控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，按硬件實驗系統(tǒng)的方框圖進行連接，輸入各環(huán)節(jié)參數(shù)后就可進行仿真實驗。與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，Matlab仿真實驗不受設(shè)備條件的限制，仿真結(jié)果精度高，對學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜機電控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)動特性分析與經(jīng)典的PID控制原理具有極大的啟發(fā)與幫助作用。

三、教學(xué)效果

近年來，我校在機械大類專業(yè)的教學(xué)中應(yīng)用上述虛擬仿真軟件，收到了良好的教學(xué)效果。

首先體現(xiàn)在學(xué)生參加學(xué)科競賽方面，在大學(xué)生程實訓(xùn)大賽、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等競賽巾，一般需要制作實物或模型。如果僅在二維工程圖的基礎(chǔ)上制作零件并組裝，通常出錯的可能性較大，很可能出現(xiàn)零部件制造尺寸錯誤、裝配干涉等現(xiàn)象，造成模型制作失敗，重新制作將大大增加費用，并影響參賽進度。通過將仿真軟件應(yīng)用于方案驗證、運動動力仿真和優(yōu)化設(shè)計，可提高設(shè)計效率，便于對設(shè)計方案進行快速修改和優(yōu)化，保證零部件制作和裝配一次成功，既能節(jié)約時間和制作成本，義能提高競賽成績。

其次在本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計巾，虛擬仿真軟件得到了普遍應(yīng)用。比如學(xué)生在進行油田游梁式抽油機設(shè)計時，首先進行四桿機構(gòu)設(shè)計，推導(dǎo)機構(gòu)運動學(xué)方程，用Matlab軟件繪制懸點位移、速度和加速度曲線，然后采用Solicl-Works軟件進行機構(gòu)運動模擬，對比兩種結(jié)果后判斷公式推導(dǎo)是否正確;然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用SolidWorks建立抽油機零部件模型并進行模擬裝配。在此基礎(chǔ)上采用Ansvs軟件對重要零部件進行強度校核，最后采用Adams軟件進行抽油機動力仿真，驗證所設(shè)計的抽油機的動力學(xué)性能和節(jié)能特性。通過這樣一個方案設(shè)計、運動仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、動力仿真的完整過程，較好地表現(xiàn)了機械產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)流程，學(xué)生通過畢業(yè)設(shè)計的訓(xùn)練，提高了白身的畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計能力。

四、結(jié)論

機械大類專業(yè)人才的培養(yǎng)離不開理論與工程實踐相互結(jié)合、相互促進。在新T科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證的背景下，結(jié)合機械行業(yè)計算機化和信息化發(fā)展趨勢，在教學(xué)過程巾采用虛擬仿真軟件，充分發(fā)揮現(xiàn)代化教學(xué)手段的優(yōu)勢，理論與實踐并重，將有利于充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用，貫徹基于產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，從而提高教學(xué)效果和質(zhì)量，使畢業(yè)生達到認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的畢業(yè)要求。

[參考文獻]

[l]王保建，王永泉，段玉崗，等.“新工科”背景下國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與實踐[J].高等工程教育研究，2018（6）.47-54.

[2]田立江，張潔，王麗萍.以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的實踐教學(xué)內(nèi)容對標(biāo)與體系優(yōu)化[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2018（ 12）：44-46.

[3]謝浩，盧平，黃虎，等.能源動力類專業(yè)模擬仿真實驗室

的建設(shè)與實踐[J].高校實驗室工作研究，2013（1）：63-64.

[4]申燚，王明強，袁明新，等.虛擬仿真與裝配在機械原理與設(shè)計課程群教學(xué)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育理論與實踐，2013（12）：79-81.

[5]康燦，梅冠華，代翠，等.虛擬仿真在流體機械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2017（11）：155-158.

[6]楊振興，張亞，李俊鋒.基于MATLAB的交流拖動仿真實驗室設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2013（3）：75-78.

[7]徐政.利用SolidWorks建立高中通用技術(shù)數(shù)字模型庫的研究[J].課程教育研究，2018（35）：248.

[8] 李樹森，周梓健，曹有為.基于工程教育認(rèn)證的機械結(jié)構(gòu)

有限元分析在線課程教學(xué)改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇.2018（39）：158-160.

[9]裴惠琴，賴強.面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的《Matlab與控制系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)改革探究[J].教育教學(xué)論壇，2018（39）：105 -106。

[10]汪林，杜玉祥，何雪浤.大型裝配體的SolidWorks參數(shù)化建模方法[J].機械設(shè)計與制造，2018（10）：173-175+179.

[11]張強，王春耀，陳發(fā)，等.3DDF-8型棉花打頂機機架的有限元強度分析[J].農(nóng)機化研究，2011（3）：47-49+54.

[12] 劉濤，蔡燕，張海華，等.基于代碼生成技術(shù)的Matlah/Simulink實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，2018（8）：157-159+166.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]

[收稿時間] 2019-03-18

[基金項目]湖北省教學(xué)研究項目“基于虛擬仿真技術(shù)的機械類專業(yè)實驗教學(xué)綜合改革研究”（2014261），

[作者簡介]華劍（1977-），男，江蘇江都人，博士，教授，研究方向：石油裝備。