ADAMS仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中的實踐與探索

ADAMS仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中的理論與探究〔〕:

摘要：為了增加教學(xué)直觀性和豐富教學(xué)內(nèi)容，將ADAMS虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于理論力學(xué)教學(xué)中。利用ADAMS強大的可視化技術(shù)，建立理論力學(xué)教程中典型問題的虛擬實驗數(shù)據(jù)庫。通過靜力學(xué)、運動學(xué)以及動力學(xué)三個詳細例子，說明了ADAMS虛擬仿真技術(shù)可以使教學(xué)更加直觀生動，并與理論知識進展互相驗證，增強學(xué)生對力學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和仿真模擬才能，有利于進步教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ADAMS；理論力學(xué)教學(xué)；可視化

本文引用格式：譚鄒卿，等.ADAMS仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中的理論與探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(96):195-197,216.

ExplorationandPracticeofADAMssimulationTechnologyinTheoreticalMechanicsTeaching

TANZou-qing1,2，JIANGXue-dong1,2，HEYun-song1,2，BANShu-hao1,2，XIRen-qiang1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou,Jiangsu,China；2.HuaideCollege,ChangzhouUniversity,JingJiang,Jiangsu,China)

Abstract:Inordertoincreasetheteachingintuitionandtoenrichtheteachingcontent,ADAMsisappliedtotheteachingoftheoreticalmechanics.UsingthepowerfulvisualizationtechnologyofADAMs,avirtualexperimentaldatabaseabouttypicalproblemsoftheoreticalmechanicsisestablished.AccordingtoADAMs,threespecificexamplesofthestatics,kinematicsanddynamicsareanalyzedtoillustrateteachingmoreintuitiveandvivid,andtoverifytheoryintextbook.Itishelpfultoenhancethestudents"understandingofthemechanicsknowledge,andcultivatethestudents"learninginterestandsimulationability,andimproveteachingquality.

Keywords:ADAMs;Teachingoftheoreticalmechanics;visualization

一引言

理論力學(xué)是許多工科專業(yè)如機械、車輛工程、材料成型等的技術(shù)根底課程，將為后續(xù)課程如材料力學(xué)、機械原理等的學(xué)習(xí)打下重要根底。但理論力學(xué)的內(nèi)容較多，一些概念比擬抽象，且習(xí)題類型繁多；另外，理論力學(xué)嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推理對數(shù)學(xué)根底要求較高。因此，傳統(tǒng)板書式的教學(xué)方式會讓學(xué)生覺得理論過于抽象、習(xí)題無從下手。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速開展，構(gòu)建實驗教學(xué)平臺已成為理論力學(xué)教學(xué)改革與理論的關(guān)注點之一[1-3]。例如，長江大學(xué)的侯作富等【4】采用3dmax制作了理論力學(xué)多媒體課件動畫，豐富了教學(xué)內(nèi)容；河海大學(xué)的尚作萍等【1】利用Director軟件構(gòu)建了理論力學(xué)實驗教學(xué)平臺，改善了實驗教學(xué)環(huán)境；北京理工大學(xué)的尚玫和梅鳳翔【5】、華東理工大學(xué)的闞文彬等【6】、以及重慶工商大學(xué)的敖文剛等【7】基于MATLAB在理論力學(xué)可視化教學(xué)方面進展了有益的探究。由此可見，虛擬仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。然而，這些虛擬仿真軟件在力學(xué)教學(xué)中或多或少存在一些缺乏。例如，3dmax是基于三維動畫渲染和制作軟件，不利于機械等工科專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，難以鍛煉學(xué)消費品開發(fā)的設(shè)計才能；MATLAB雖能進步學(xué)生對理論力學(xué)的感性認識和數(shù)值計算才能，但實際上對學(xué)生提出了更高的要求，學(xué)生既要具有良好的理論功底，又要掌握計算機編程才能，從而增加了學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的難度。因此，尋找一種簡便且實用的虛擬仿真工具，成為了常州大學(xué)力學(xué)教研團隊探究與理論理論力學(xué)教學(xué)改革的出發(fā)點。

ADAMS以其公認的優(yōu)越性被越來越多的工程技術(shù)人員和科研人員所使用，廣泛地應(yīng)用在工程機械、汽車制造業(yè)、船舶業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，對進步產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)程度起到了重要作用，獲得了顯著的成績[8-10]。目前，不少高校將其作為構(gòu)建虛擬實驗室的工具[11]。北京航空航天大學(xué)的王江云利用ADAMS和MATLAB進展機電系統(tǒng)一體化的建模與仿真實驗[12]。西南科技大學(xué)的于春梅等開發(fā)了關(guān)于自動控制理論課程的實驗平臺[10]。天津理工大學(xué)的李彬和魏璇針對機電控制實驗課程搭建了3-RRRT并聯(lián)機器人的虛擬樣機[13]。但基于ADAMS虛擬仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)還未被廣泛使用[14,15]。

本文將ADAMS虛擬仿真技術(shù)引入到理論力學(xué)課程中，構(gòu)建理論力學(xué)虛擬實驗數(shù)據(jù)庫，給出了實驗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計步驟，并以靜力學(xué)、運動學(xué)以及動力學(xué)三個典型問題為例，闡述了理論力學(xué)教學(xué)過程中引入ADAMS虛擬仿真模擬的優(yōu)越性和必要性，有利于加深教學(xué)直觀性和應(yīng)用性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，并為后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計以及就業(yè)等提供仿真方法。

二虛擬實驗數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建是理論力學(xué)實驗平臺的根底。本教研團隊將從哈工大版理論力學(xué)教材中挑選典型的力學(xué)問題作為仿真對象，一方面是哈工大版理論力學(xué)教材在兄弟院校被廣泛使用，具有較強的適用性和通用性，另一方面是其內(nèi)容豐富，例題較多，知識面覆蓋也很全面。虛擬實驗數(shù)據(jù)庫的建立步驟如下。

〔一〕創(chuàng)立幾何模型

幾何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步。由于理論力學(xué)教材所涉及的幾何模型相對簡單，直接由ADAMS自帶的零件構(gòu)建幾何模型，并不需要采用SolidWorks、Pro/E、CATIA等軟件導(dǎo)入幾何模型，常用有連桿〔模擬剛性桿〕、長方體〔模擬滑塊〕、球體〔模擬小球〕、彈簧阻尼器〔模擬彈簧〕等組成。

〔二〕施加約束

幾何模型建立之后，需要添加相應(yīng)的約束。在理論力學(xué)中常見的約束類型有：接觸外表、柔索、光滑鉸鏈、滾動支座、球鉸鏈、止推軸承、固定端等，利用ADAMS的理想鉸鏈、根本鉸鏈、特殊約束等就可完成對這些約束的模擬。

〔三〕施加驅(qū)動

要使得物體或物體系有約束力或開始運動，就需要施加相應(yīng)的廣義力〔力或力偶等〕或廣義運動〔線速度或角速度等〕，利用ADAMS的力驅(qū)動和運動驅(qū)動可實現(xiàn)該功能。

〔四〕仿真和后處理

當(dāng)模型創(chuàng)立完畢后，可以進展仿真。利用ADAMS強大的后處理技術(shù)顯示計算結(jié)果，如圖片、圖表、動畫等。針對理論力學(xué)各知識點構(gòu)建相應(yīng)的仿真結(jié)果。

〔五〕比照驗證

充分利用上一步的仿真圖片、圖表、動畫等，將理論力學(xué)的解析解與仿真結(jié)果進展比照，從而將抽象理論詳細化形象化，便于學(xué)生理解和掌握。

三虛擬實驗范例

〔一〕ADAMS虛擬實驗在靜力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實例

平面簡單桁架如圖1所示[16]。在節(jié)點D處作用一鉛垂集中力F=10kN。求桁架中CD桿件所受的力。

首先利用ADAMS仿真模型的常用模塊，圖2建立了平面桁架的仿真模型。然后利用ADAMS后處理工具快速地給出仿真結(jié)果，如圖3所示：FCD=10kN，與理論解[16]完全一致，說明了ADAMS進展靜力學(xué)分析的正確性。

〔二〕ADAMS虛擬實驗在運動學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實例

在平面機構(gòu)中如圖4所示[16]，曲柄OA長100mm，以角速度w=2rad/s轉(zhuǎn)動。梁桿AB帶動搖桿CD，并拖動輪E沿程度面滾動。CD=3CB，圖示位置時A，B，E三點恰在一程度線上，且CDED。求此瞬時點E的速度。

圖5給出了平面機構(gòu)的仿真模型。圖6顯示了點E的速度隨時間變化的仿真結(jié)果，由圖可知，初始時刻點E的速度vE=0.8m/s，與理論解[16]完全一致，說明該方法可解決復(fù)雜運動學(xué)問題。此外，利用生動的動畫將點E的速度形象地展示給學(xué)生，從而將抽象的理論形象化、詳細化，增加了學(xué)生更濃重的學(xué)習(xí)興趣。

〔三〕ADAMS虛擬實驗在動力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實例

圖7給出了動力學(xué)常見的滑塊單擺系統(tǒng)實例[16,17]：滑塊A的質(zhì)量為m，可以在程度光滑面上運動，具有剛度系數(shù)為k的彈簧一端與滑塊相連接，另一端固定。均質(zhì)桿AB長度為l，質(zhì)量為m1，在鉛垂平面內(nèi)可繞點A旋轉(zhuǎn)。當(dāng)桿AB與鉛垂方向成夾角時自由釋放，求滑塊A的運動。

圖8所示滑塊單擺系統(tǒng)的仿真模型。圖9給出了滑塊A的位置隨時間變化結(jié)果(k=200N/m，m1=5kg，m=1kg，l=1m，=60°)。該結(jié)果可由系統(tǒng)運動的Hamilton方程所證實[5,17]，然而對學(xué)生來說求解運動微分方程較為困難。因此，利用ADAMS強大的仿真才能容易直觀地顯示復(fù)雜動力學(xué)結(jié)果，有助于學(xué)生對抽象問題的分析和研究。

綜上所示，ADAMS可以求解理論力學(xué)的各種問題，只要建立正確的仿真模型，ADAMS都可以給出相當(dāng)準確的結(jié)果，還可快速地顯示結(jié)果〔如圖形、動畫等〕，從而讓學(xué)生對理論力學(xué)知識有非常直觀的感性認識。此外，借助ADAMS強大的仿真才能，對學(xué)生參加設(shè)計大賽乃至工作也大有好處。

四結(jié)論

在理論力學(xué)教學(xué)中引入ADAMS仿真技術(shù)，利用其強大的仿真才能，構(gòu)建靜力學(xué)、運動學(xué)以及動力學(xué)典型問題的虛擬實驗數(shù)據(jù)庫，為學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)課程提供演示，使得抽象的力學(xué)概念和現(xiàn)象更加直觀生動，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容。將理論解與ADAMS仿真結(jié)果進展比照的教學(xué)過程，有效地將力學(xué)的理論知識與仿真工具相結(jié)合，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進步教學(xué)質(zhì)量，可以提升工科學(xué)生的就業(yè)競爭力。

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