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虚拟样机仿真在机械原理课程教学中的应用

摘要伴随着计算机科学与虚拟样机技术的快速发展,传统机械原理课程教学方式必将进行改革与创新.将 ADAMS软件应用到机械原理课程教学中,借助 ADAMS 软件虚拟样机技术建立机构运动模型,并利用其运动仿真及运动学分析功能,输出机构各构件的位移、速度、加速度随时间变化规律曲线.该方法不仅能够激发学生对机械原理课程学习的兴趣,有效提升机械原理课程教学效果,同时克服了传统教学方式存在的缺陷与不足,实现了机械原理课程教学方式的改革与创新.

关键词机械原理虚拟样机技术 ADAMS 课程教学运动学分析

ApplicationofVirtualPrototype intheCourse Teaching ofMechanicalPrinciple //Liao Dahai,LiGuanbiao,XuZhenyu Abstract With therapiddevelopmentofcomputerscienceand virtualprototype technology, thetraditionalteaching methodof mechanicalprinciplecoursewillinevitablybereformedand in-novated.WeapplyADAMSsoftwaretotheteachingofmechani-calprinciplecourse,establishthe mechanimotion modelby meansofthevirtualprototypetechnologyofADAMSsoftware, anduseitotionsimulationandkinematicsanalysiunctionto outputthe displacement,velocityand accelerationcurveofeach componentofthe mechaniwithtime.Thiethodcannotonly stimulatestudents´interestinlearningthemechanicalprinciple course,improvethe teaching effectofthecourse ofmechanical principle, butalsoovercomethedefectsoftraditionalteaching methodsandshortcomings,realizethereformandinnovationof teachingmethodormechanicalprinciplecourse.

Keywords mechanicalprinciple;virtualprototypetechnology; ADAMS;courseteaching;kinematicsanalysis

1 引言

机械原理课程是一门研究机构组成原理的课程,是所有工科类专业学生都需熟练掌握的的重要的专业基础课程[1-2].该课程在工科系列课程体系中有着十分重要的地位,承担着培养学生机械系统运动方案创新设计的重要任务[3-4].在几十年的发展过程中,机械原理课程教学方法在不断改善,然伴随着计算机科学与虚拟样机技术的快速发展,传统教学方法存在的缺陷与不足逐渐暴露出来[5-6].在机构组成原理部分,传统的课程教学中教师讲述与多媒体演示并不能真实反映各构件之间的运动关系,学生并不能理解机构组成原理[7].在机构运动学分析部分,传统课程教学多采用解析法对机构运动进行运动学分析,但其繁琐的运算步骤令许多学生望而生畏[8].

针对上述问题,笔者以计算机科学与虚拟样机技术的快速发展为基础,结合多年的机械原理课程教学经验,以水井抽水机构为实例进行阐述.将 ADAMS 软件应用到机械原理课程教学中,借助虚拟样机技术建立水井抽水机构运动模型,并对该运动模型进行动画仿真与运动学分析[9-10],激发学生对机械原理课程学习的兴趣,有效提升机械原理课程教学效果.

2ADAMS 软件在机械原理课程教学应用实例

水井抽水机构是生活中常见的机构,其工作原理是通过各构件的相互作用将压井管内的空气抽出来,依靠大气压把水压上来,从而实现抽水功能.为理解该机构具有的运动特性,并且更方便地对该机构进行机构组成原理及运动学分析,利用机构运动简图相关知识得到水井抽水机构运动模型简图,如图 1所示.已知构件 1 杆长 L1等于150mm,构件 2杆长 L2等于80mm,构件 4 杆长 L4等于160mm,A、B 两点距离为 70mm,构件 1 以一定的角速度绕 B 点运动,对该机构运动模型进行运动学分析,求构件 4 上 D 点相对于 C 点的位移、速度及加速度随时间变化规律.

2.1 机构运动模型建立

2.1.1 建立水井抽水机构虚拟运动模型

在 ADAMS 软件中根据水井抽水机构各构件的几何参数建立机构运动模型.首先提取 ADAMS/View 零件库中的连杆构件(Link),依次完成构件 4、构件 1 以及构件 2 的建立；然后提取 ADAMS/View 零件库中的长方体构件(Box),完成构件 3 的建立.

2.1.2 施加运动副

通过对水井抽水机构工作原理及机构运动模型的运动分析可知,该水井抽水机构运动模型由 3 个活动构件组成,分别为构件 1、构件 2、构件 4；含有 4 个运动副,包括 3 个旋转运动副和 1 个移动运动副,由自由度计算公式F等于3n-2PL-PH 可得该水井抽水机构运动模型的自由度 F等于1.为使该机构运动模型可以实现所需功能,需完成该机构运动模型运动副的施加.首先提取 ADAMS/View 约束库中的旋转副(Joint:Revolute),分别完成构件 1 与构件 4,构件 1与构件 2,构件 2 与构件 3 之间旋转运动副的施加；然后提取 ADAMS/View 约束库中的移动副 (Joint:Translation-al),在构件 3 与构件 4 之间完成移动运动副的施加；由于构件 3 作为该水井抽水机构的机架,为固定构件,故需将构件 3 固定,提取 ADAMS/View 约束库中的固定副（Fixed）,完成构件 3 与地面（ground）之间固定副的施加.完成水井抽水机构运动模型所有运动副的施加,含运动副的水井抽水机构运动模型.

2.1.3 施加运动驱动

在该水井抽水机构运动模型

中 , 构件 1 为原动件, 提取ADAMS/View 约束库中的旋转驱动（RotationalJointMotion）工具,在构件 1 与构件 2 之间的旋转运动副上完成旋转驱动的建立.并对旋转驱动参数进行设置,为真实模拟出水井抽水机构的工作及运动特点,将旋转驱动作用函数设置为 30d*SIN (time*360d/3),完成该水井抽水机构运动模型运动驱动的施加.

2.2 运动仿真与运动学分析

借助 ADAMS 软件对已建立的水井抽水机构运动模型进行运动仿真,点击仿真按钮,对运动仿真参数进行设置,设置仿真终止时间（EndTime）为 5s,仿真工作步数（Work Steps）为 1000,然后点击开始仿真按钮.完成水井抽水机构运动模型的运动仿真,并对该水井抽水机构运动模型进行运动仿真分析及运动学分析.

2.2.1 运动仿真分析

笔者选取该水井抽水机构运动模型在 T等于0s、T等于1.0s、 T等于2.0s、T等于3.0s、T等于4.0s 和 T等于5.0s 六个不同时刻的运动情况进行运动仿真分析.如图 1 所示,该机构在 T等于0s 与 T等于3. 0s 时的运动情况相同；在 T等于1.0s 与 T等于4.0s 时的运动情况相同；在 T等于2.0s 与 T等于5.0s 时运动情况相同,结合所设运动驱动参数可知,该水井抽水机构运动模型以 3s 为一周期进行运动,且构件 1 以一定的角速度绕点 B 在 -30°至 30°角度范围内做往复运动.借助 ADAMS 软件的运动学分析功能,点击测量（Measures）工具,对该水井抽水机构运动模型进行运动学分析,分析构件 4 底端 D 点相对于机架上 C 点的位移、速度以及加速度随时间变化规律.得到得到 D 点相对于 C点的位移、速度、加速度随时间变化规律曲线图.

（1）位移曲线图.

由图 2 位移曲线图可知：该图为构件 4 上 D 点相对于 C点在 5s 的运动仿真时间内位移随时间变化规律曲线图. T等于0-2.0s 时间段内与 T等于3.0-5.0s 时间段内位移随时间变化规律相同,且在 T等于0s 时 C、D 两点相对位移为与 T等于3.0s时 C、D两点相对位移相同为 75.0mm.由此可得 D 点相对于C 点的位移随时间发生周期性变化,且周期为 3s.该结果与运动仿真分析所得结果相吻合.在一个周期内,C、D 两点相对位移最小值约为 30.0mm,最大值约为 142.0mm,且只存在一个最小值点和一个最大值点.

（2）速度曲线图.

由图 3速度曲线图可知：该图为构件 4 上 D 点相对于 C点在 5s 的运动仿真时间内速度随时间变化规律曲线图. T等于0-2.0s 时间段内与 T等于3.0-5.0s 时间段内速度随时间变化规律相同,且在 T等于0s 时 C、D 两点相对位移为与 T等于3.0s时 C、D 两点相对速度相同为 125.0mm/s.由此可得 D 点相对于 C点的速度随时间发生周期性变化,且周期为 3s.该结果与运动仿真分析所得结果相吻合.在一个周期内,C、D 两点相对速度最小值约为 5.0mm/s,最大值约为 130.0mm/s,但同位移曲线不同,速度曲线存在多个最小值点和多个最大值点.

（3）加速度曲线图.

由图 4 加速度曲线图可知：该图为构件 4 上 D 点相对于 C 点在 5s 的运动仿真时间内加速度随时间变化规律曲线图.D 点相对于 C 点的加速度变化规律同位移与速度一样,都以 3s 为一周期随时间发生周期性变化.该结果与运动仿真分析所得结果相吻合.在一个周期内,加速度曲线随时间变化较为复杂,存在多个最小值点和多个最大值点.在T等于2.0s 与 T等于2.5s 时,加速度达到了最大值约为270.0mm/s2；T等于1.6s 与 T等于2.9s 时,加速度处于最小值为 0.

3 结语

基于计算机科学与虚拟样机技术的快速发展,将 ADAMS 软件应用到机械原理课程教学中.借助 ADAMS 软件建立水井机构运动模型,对该运动模型进行运动仿真及运动学分析,得到运动仿真图像与位移、速度、加速度随时间变化规律曲线图.用形象生动的图表展示出该水井抽水机构的工作原理及工作特性,加深了学生对机构组成及运动特点的理解.激发了学生对机械原理课程学习的兴趣,有效提升了机械原理课程教学效果,同时克服了传统教学方式存在的缺陷与不足,实现了机械原理课程教学方式的改革与创新.

参考文献

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编辑张效瑞