謝立敏，翁紅林

(福建農林大學 機電工程學院，福建 福州)

一 引言

隨著全球制造業(yè)的巨大變革，社會對人才的要求也相應地產生了變化，更加重視具有實踐能力和創(chuàng)新能力的人才。高校作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要基地，勢必順應發(fā)展趨勢，以培養(yǎng)同時具備扎實基礎理論知識和先進技術的實用新型人才為目標，不斷改進培養(yǎng)方案。高校老師在教學中也必須不斷地進行教學改革，轉變傳統(tǒng)教育思想，樹立全面發(fā)展的教育理念，尋求更適應人才培養(yǎng)的教學方式。

《理論力學》是工科類機械、土木建筑、航空和電子等許多專業(yè)的大學生需要掌握的一門非常重要的科類基礎課，也是后續(xù)專業(yè)課程，如材料力學、彈性力學、機械設計、機械原理等的理論依據(jù)。然而由于課程安排不合理，實踐條件所限，同時受到新冠疫情的影響，大多數(shù)學生在《理論力學》課程學習前無法進入工廠或相關企業(yè)進行實踐認知，因此缺乏對工程實例的認知，課堂上缺少實物模型展示，這導致學生在學習《理論力學》課程時會覺得理論力學的模型過于抽象、不易理解和掌握，難以將理論和實際聯(lián)系起來。且這門課程的邏輯性較強，公式較多，計算操作過程較復雜，學生們在學習該課程的過程中常常覺得難度較高，不易理解，期末卷面成績并不理想。而且傳統(tǒng)的課堂教學也主要是強調對于公式和定理的推導，以及針對已經抽象和簡化為力學模型的問題進行分析和求解，缺少針對工程實際問題進行力學建模的講解，缺乏對研究對象本身的運動學、動力學進行更深入的分析和研究。課程學習完后，學生只會解題，卻不懂到底解的是什么，為什么而解，更難以運用所學知識對工程實際問題進行深入的分析和處理。

針對《理論力學》課程在教學中存在的這些問題，相關的教學改革已經得到開展并取得了一定的成果[1-5]。其中，可視化教學模式是理論力學教學改革和實踐的一個指導性方向。例如，在哈工大主編的第八版理論力學教材中添加了機構運動動畫的二維碼鏈接。但是這些視頻僅僅起到動畫演示的作用，并未對系統(tǒng)的模型建立、約束情況、受力情況進行說明和分析。學生僅能了解系統(tǒng)的運動狀態(tài)，不能有效提高其分析解決問題的能力。虛擬樣機技術可以采用可視化的方式在計算機中建立系統(tǒng)模型，并基于仿真結果對系統(tǒng)進行運動學、動力學分析和優(yōu)化。因此非常適合應用于《理論力學》課程的教學改革與實踐。

虛擬仿真技術在《理論力學》的課堂教學中已經得到了廣泛的應用。例如，聶炬[6]使用3dmax與EON Studio軟件建立了力學虛擬實驗室，可以對力學問題進行預實驗和數(shù)據(jù)處理分析。孟勇[7]利用MAPLE軟件，將系統(tǒng)的運動以動畫形式展示，并輸出結果。黃忠文[8]、翁劍成[9]使用ANSYS軟件對理論力學問題進行了分析。高云峰[10-12]、紀冬梅[13]、敖文剛[14]等均采用MATLAB軟件對理論力學中的靜力學、運動學和動力學問題進行分析和求解。楊碩[15]、程和平[16]利用Mathematica軟件輔助教學，簡化了計算并實現(xiàn)可視化教學。然而，這些虛擬仿真軟件對于理論力學的教學都存在著一些不足之處。例如，3dmax和 MAPLE軟件在機械等工科專業(yè)的后續(xù)課程學習中不常用到，難以持續(xù)培養(yǎng)學生的設計應用能力；ANSYS的熟練運用需要學生具有材料力學和彈性力學的知識基礎，對學生的理論基礎知識水平要求較高；MATLAB和Mathematica則要求學生既要具備良好的理論基礎，又要掌握計算機編程，其實對學生提出了更高的要求，增加了學習難度。相比于上述的幾種軟件，ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，機械系統(tǒng)動力學自動分析）作為目前全球領先、應用最廣的機械系統(tǒng)動力學分析軟件，以其可視化、易操作、界面友好、功能強大、求解迅速的優(yōu)越性在工程實際應用中得以廣泛使用。在傳統(tǒng)的課堂教學中引入ADAMS軟件作為輔助教學，能夠使學生通過仿真動畫直觀地了解系統(tǒng)的運動狀態(tài)，調動學習的主動性，優(yōu)化課堂教學過程。并且為后續(xù)的課程學習、畢業(yè)設計、各種競賽甚至就業(yè)提供幫助。

本文將 ADAMS 虛擬仿真技術融入《理論力學》課程的教學中，設計了課堂上的交互式案例教學和課后的項目實踐活動相結合的教學模式，分別針對靜力學、運動學和動力學的例題進行解析法和ADAMS求解對比，結果證明了在《理論力學》課堂教學過程中引入 ADAMS軟件應用的優(yōu)越性和必要性。又通過以項目形式的課后實踐活動進一步鍛煉學生理論聯(lián)系實際、利用先進仿真技術快速且準確地解決復雜工程問題的能力，有效地提高了教學質量。

二 ADAMS融入《理論力學》教學的方法

《理論力學》是一門將工程實際問題抽象成理論模型，再借助相關力學知識解決工程實際問題的課程。因此，在本課程的學習過程中，對學生在基礎理論知識的掌握和運用理論知識解決實際問題這兩方面能力的培養(yǎng)同樣重要。于是我們將ADAMS在《理論力學》課程中教學實踐的實施劃分為課堂中的案例教學和課后的項目實踐兩個環(huán)節(jié)。

（一） ADAMS在《理論力學》課堂教學中的應用

《理論力學》的主要內容包括靜力學、運動學和動力學。在課堂上，教師的講解內容一般為基礎理論知識講解與例題講解。由于ADAMS能夠實現(xiàn)對一個機構的建模、約束施加、力或驅動的加載，以及靜力學、運動學和動力學分析，因此，教師在教學中可以適當?shù)貙DAMS融入例題講解中。將利用ADAMS軟件求解出的結果與解析法得到的結果進行對比，以加深學生對知識的理解。同時，還可以讓學生掌握一種先進軟件，這對以后的學習和工作都是非常有幫助的。

1.ADAMS在靜力學中的應用

靜力學主要是研究物體在受力處于平衡狀態(tài)時所應滿足的條件。利用ADAMS軟件對系統(tǒng)進行建模，可以快速地對系統(tǒng)中所有構件進行受力分析。主要涉及到兩類問題：一是約束的添加，二是靜力學問題的求解。

（1）對各種約束類型的認識

系統(tǒng)的各個構件之間需要用適當?shù)募s束來連接。在傳統(tǒng)的課堂教學中，只是“填鴨式”地讓學生記住每個約束的特點，很多學生并不能理解約束的含義，甚至搞不清約束體與被約束體之間的關系。此時運用ADAMS軟件對模型進行約束的添加就可幫助學生理解各種約束。ADAMS軟件中提供了常用的幾種運動副（約束），如圖1所示。以旋轉副為例，在添加旋轉副時需要選擇兩個物體和一個位置，如圖2。這個添加過程就需要學生搞明白該約束所連接的是哪兩個物體，作用的位置在哪里。特別對于具有多重約束的點（在一個位置上同時存在多個同種約束或多種約束），同學們往往很難理解約束體與被約束體之間一一對應的關系，通過ADAMS的實際操作，能夠幫助同學們加深理解。

圖1 常用的運動副

圖2 旋轉副設置

（2）靜力學問題的建模與求解舉例

例題1：如圖3所示簡支梁長1m，中點處作用豎直向下的力F=2000N。求兩支座處的約束力。

圖3 例題1

解析法：我們對此題進行受力分析，列平衡方程求解：

解得A、B處支座的約束力：FA=FB=1000N 。

ADAMS求解法：首先在ADAMS View中建立其仿真模型，如圖4所示。A點處為固定支座約束，A點可轉動但不可移動，因此在AB桿和地面間添加旋轉副。B點處為滾動支座，B點可移動也可轉動，因此在AB桿和地面間施加旋轉副和移動副。然后在AB桿中點施加一個豎直向下的力F。

圖4 仿真模型

最后利用ADAMS中的后處理工具可快速地給出仿真結果。如圖5和圖6所示。圖5為支座A處的約束力，圖6為支座B處的約束力。

圖5 支座A處的約束力

圖6 支座B處的約束力

由圖5和圖6 可看出，ADAMS仿真得到的數(shù)值與解析法計算出的理論值相等。說明了ADAMS求解靜力學問題分析的正確性。而且ADAMS的求解過程簡單快速，只需將模型建立正確，點選需要求解的量即可得到所需動態(tài)結果，直觀準確，無需建立復雜的平衡方程求解。

2.ADAMS在運動學中的應用

運動學主要研究物體的運動情況，而不研究引起物體運動的物理原因。ADAMS在運動學中的應用較為廣泛，可以幫助學生解決一些理論力學日常教學中的運動學問題，加深學生對運動學的理解。通過ADAMS可以直觀地了解剛體在一個時間段內位移、速度和加速度隨時間變化的情況，并可提取在某一時刻的位移、速度和加速度數(shù)值?，F(xiàn)以最常見的曲柄連桿滑塊機構為例。

例題2：如圖7所示曲柄連桿滑塊機構。AB長200mm，BC長500mm。已知曲柄AB繞A點作勻速轉動，轉動角速度為10rad/s。求當AB與水平面成90°夾角時滑塊C的移動速度。

圖7 例題2

解析法：對此題進行運動分析，BC桿作平面運動，當AB與水平面成90°夾角時，BC桿作瞬時平移，如圖8，則此時滑塊C的移動速度：vc=vb=ABω=2000mm/s，方向水平。

圖8 速度圖

ADAMS求解法：首先建立其仿真模型，如圖9所示。A、B、C處添加旋轉副，C與地面間添加移動副。A處施加一個轉動驅動，設置類型為速度，大小為10rad/s，如圖10。然后進行仿真，仿真時間1s。

圖9 仿真模型

圖10 驅動設置

對仿真結果進行后處理，輸出B點Y方向上的位移和C點X方向的速度，如圖11。從圖11中可看出，當AB轉角為90°，即B點到達最高位置200mm時，C點的速度為2000mm/s，這與解析法求得的數(shù)值相等。從圖11中還能直觀方便地得到曲柄到達任意角度時C點的速度、加速度等值。同理，我們只需要在構件中設置標記點，便可得到任意標記點的位移、速度、加速度等信息（例如圖12顯示的是BC桿中點D點的Y方向上的位移、速度和加速度曲線），而不需要進行復雜的運動學分析和計算，極其方便快捷。

3.ADAMS在動力學中的應用

動力學研究的是受力物體的運動與作用力之間的關系。動力學的問題一般都比較復雜，學生在學習過程中普遍反映難度大，不易掌握。ADAMS軟件在動力學仿真的應用中起著非常關鍵的作用，能清楚地反映力與運動的關系，對求解內力和力的變化規(guī)律有很大幫助。

例題3：如圖13所示，一滑塊質量為50kg，以速度50mm/s在水平滑道內滑動，其中點O處鉸接一質量為10kg，長500mm的均質桿OA，桿以勻角速度1rad/s繞O轉動。試求鉸鏈O處的約束力。

該題為已知運動求力的動力學問題，對系統(tǒng)進行受力分析，如圖14所示。按照理論力學的解析法的解題思路，此時需要用到動能定理和質心運動定理來求解鉸鏈O處的約束力，計算過程復雜，計算量大。但是通過ADAMS軟件，只需正確建立模型（圖15）便可迅速得到O處約束力隨時間變化的曲線（圖16），直觀地了解運動中物體所受內力的變化情況。

圖14 受力圖

圖15 仿真模型

圖16 O處約束力隨時間變化的曲線

將ADAMS融入到課堂教學可以通過借助可視化的模型進行仿真和數(shù)據(jù)分析，加深對相關理論知識的理解；同時通過相關理論知識加深對ADAMS的理解和認識，從而更好地實現(xiàn)虛擬樣機技術與傳統(tǒng)理論課程內容的有機結合。這種交互式的案例教學方法可以直觀地讓靜止的系統(tǒng)運動起來，提高學生的學習興趣，增強對問題的深入理解，優(yōu)化課堂教學全過程，提高學習效率。同時也促使學生掌握一項先進的應用軟件，為后續(xù)課程學習和設計打下基礎。

（二） ADAMS在《理論力學》課后實踐中的應用

為了強化學生對理論力學知識的理解和應用，我們在學期末要求學生完成一項基于ADAMS的課后實踐項目，目的在于鍛煉和培養(yǎng)學生利用ADAMS軟件和理論力學知識對復雜的工程力學問題進行系統(tǒng)綜合仿真與分析的能力。課后實踐項目的要求為：每3名學生組成1個項目小組，選取工程或生活中適當?shù)膶嶋H問題，利用ADAMS軟件進行力學建模、動力學仿真和結果分析。然后選派1名代表進行課堂展示，與其他學生進行課上交流，分享項目研究過程中遇到的各種問題及解決方法等心得體會。并且最終整理出一份項目報告。整個項目完成時間為兩周。

由于該項目僅要求學生運用ADAMS軟件對問題進行分析和求解，重點在于建立正確的模型，搞懂構件之間的約束關系，施加正確的力或驅動，然后對生成的數(shù)值結果進行合理的分析。整個過程不涉及復雜的計算，再加上學生普遍對能夠直觀地觀察物體運動情況的仿真軟件比較感興趣，因此相比于往常的需要大量地列公式求解計算的設計項目，本次項目較容易且有趣。在整個項目的執(zhí)行過程中，同學們表現(xiàn)出極大的熱情和積極性，具有強烈的探索欲望。學生在實踐過程中自然而然地便將理論力學中學到的理論知識應用到實際問題的分析和求解過程中，實現(xiàn)了理論聯(lián)系實際。同時，小組研討的形式使得同學們在研究的過程中必須進行合理的分工協(xié)作和集體討論。這種以項目為內容的實踐活動能夠讓學生在“做中學”，通過對實際問題的分析和求解，更好地掌握和運用知識的同時，加深理解，提高軟件應用能力，鍛煉團結合作精神。圖17中簡單列舉了學生所作實踐項目的結果。

圖17 學生實踐項目舉例

三 結語

本文從《理論力學》課程教學改革的角度出發(fā)，研究了ADAMS在《理論力學》課程教學中的探索與應用，實現(xiàn)了教學形式的創(chuàng)新。一方面通過基于ADAMS的交互式課堂教學模式將課本中較為抽象的力學知識變得直觀生動，提升了學生的學習興趣，強化了理解，豐富了教學內容，改善了教學效果。另一方面設置了課后實踐項目，使學生在“做中學”，培養(yǎng)了將理論聯(lián)系實際、解決復雜工程問題的能力，鍛煉學生利用先進計算機輔助設計工具進行創(chuàng)新設計的能力，為后續(xù)課程的學習和學科競賽打下良好的基礎。