SolidWorks在麥克納姆輪課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1、2011年第32期 圖3展現(xiàn)了在麥克納姆輪的建模和運動仿真分析過程中所采用 的軟件及其功能應(yīng)用。 2.創(chuàng)建三維實體模型 SolidWorks 軟件包含了各種用于創(chuàng)建零件特征和基準(zhǔn)特征的命 令。 其中基礎(chǔ)實體特征主要有拉伸凸臺/基體、 旋轉(zhuǎn)凸臺/基體等。 在 基礎(chǔ)實體特征上可添加圓角、 倒角、 抽殼、 筋、 拔模及異型孔、 線性 陣列、 圓角陣列、 鏡像等放置特征， 這些特征的創(chuàng)建對于實體造型 的完整性非常重要。 在處理復(fù)雜的幾何形狀時還需要其他高級特 征選項， 包括掃描、 放樣凸臺/基體及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、 基準(zhǔn)面 這些定位特征等。 通過以上特征造型技術(shù)便可輕松創(chuàng)建出麥克納 姆輪所需的各個具

2、體零部件的三維實體模型。 SolidWorks軟件提供了豐富的用于裝配體的工具。 將創(chuàng)建的零 件實體依次添加至SolidWorks裝配文件中， 并在各個零件之間依次 添加正確的位置約束條件關(guān)系。 裝配完成的全方位叉車實體模型 如圖4所示。 麥克納姆輪轉(zhuǎn)速為12deg/sec為例進(jìn)行說明。 麥克納姆輪本體的載 荷曲線如圖6所示。 圖 6 麥克納姆輪右后輪載荷曲線圖 由上圖分析可知， 麥克納姆輪承受的載荷為周期性沖擊載荷， 其中右后輪的最大載荷約為4200N。 沖擊載荷是由各小滾輪依次與 地面接觸時產(chǎn)生沖擊所引起的。 因此， 麥克納姆輪在運動過程中會 出現(xiàn)一定的振動， 在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)引起注意

3、。 與此同時， 還可進(jìn)一步得到每個小滾輪在運動過程中的載荷分 布情況。 其中一個小滾輪的受力情況如圖7所示。 圖 4 整車模型圖 創(chuàng)建實體模型的過程可以使學(xué)生全面、 直觀、 生動的掌握麥克 納姆輪的各部分結(jié)構(gòu)及各部分之間的裝配關(guān)系， 對于深入掌握麥 克納姆輪的結(jié)構(gòu)原理具有重要作用。 三、 運動仿真分析 1.邊界條件處理 邊界 條 件 處 理 主 要是為創(chuàng) 建 實體 模 型各零 部 件之 間添 加 合 適的約束和驅(qū)動， 以實現(xiàn)實體 模型和實際 結(jié) 構(gòu)的相同運動。 COSMOSMotion軟件 提供的約束類型如圖5所示。 4 圖 7 小滾輪載荷曲線圖 由上圖分析可知， 小滾輪也承受周期性沖擊載荷，

4、 即麥克納姆 輪每旋轉(zhuǎn)一圈， 小滾輪與地面接觸一次， 并承受一次地面作用的沖 擊載荷， 沖擊載荷的最大值約為5100N。 對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)， 小 滾輪受到的沖擊載荷明顯大于麥克納姆輪所受到的沖擊載荷， 因此 在運動過程中小滾輪的磨損會比較嚴(yán)重， 在實際設(shè)計時必須給予高 度重視。 3.運動仿真結(jié)果的保存 圖 5 COSMOSMotion 約束類型 麥克納姆輪的運動仿真分析過程可以借助COSMOSMotion插 件的屏幕錄制功能將仿真過程保存成avi或者vrml格式的文件， 需要時能夠以動畫的形式重新播放運動仿真過程。 在此基礎(chǔ)上， COSMOSMotion插件還可以將運動仿真分析結(jié)果輸出到

5、文本文件或 生成電子數(shù)據(jù)表， 也可以將仿真結(jié)果直接輸入到FEA分析軟件進(jìn)行 有限元分析或者將仿真模型輸入到完全的ADAMS模擬產(chǎn)品中， 模 擬復(fù)雜的包括柔韌性物體、 控制系統(tǒng)、 使用者子程序等。 深入細(xì)致的運動仿真分析和豐富多彩的結(jié)果輸出形式不但能 夠讓學(xué)生深刻理解麥克納姆輪的運動規(guī)律以及在運動過程中麥克 納姆輪的承載情況， 對于夯實麥克納姆輪的后續(xù)設(shè)計基礎(chǔ)具有重 要意義， 而且還能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 活躍課堂氣氛， 明顯 改善課堂教學(xué)效益。 四、 結(jié)束語 本文將機械三維CAD軟件SolidWorks引入了麥克納姆輪的課堂 （下轉(zhuǎn)第 124 頁） 由于本文主要關(guān)系麥克納姆輪的運動特性，

6、因此全方位叉車的 車體部分可以作為一個整體零部件出現(xiàn)。 在此基礎(chǔ)上， 主要采用旋 轉(zhuǎn)副、 固定約束副和3D碰撞對模型進(jìn)行約束。 最終在車架和驅(qū)動橋 之間生成固定約束3個， 小滾輪與輪體之間生成旋轉(zhuǎn)副約束28個， 輪體與車橋之間生成3D碰撞約束集合4個（每個集合各包含7個零 部件間的3D碰撞約束） 。 為使仿真分析更接近實際， 設(shè)置麥克納姆輪和地面之間的彈性 系數(shù)為4000N/mm， 阻尼為3.1。 2.運動仿真分析 通過給四個麥克納姆輪分別施加不同方向和不同大小的驅(qū)動 力， 可以發(fā)現(xiàn)全方位叉車確實能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運動， 并且運動規(guī)律 和第一節(jié)中介紹的麥克納姆輪運動原理完全相同。 通過運動仿真分析

7、， 還可以獲得各種運動工況下麥克納姆輪所 承受的載荷分布曲線。 文中以全方位叉車在平整路面上向前行駛、 122 2011年第32期 演示等方法深入淺出地講解該知識點所涉及的基礎(chǔ)知識及相應(yīng)的 工程運作。 在講授過程中時刻關(guān)注學(xué)生的反饋信息， 例如表情反饋信息 等， 選擇合適的時機提出一些問題， 引導(dǎo)學(xué)生積極思考， 并回答問 題， 使教師與學(xué)生之間形成良好的互動效應(yīng)， 從而極大地調(diào)動學(xué)生 的主動性和積極性， 營造出寬松、 互動、 活躍的課堂氣氛， 激發(fā)學(xué)生 的學(xué)習(xí)興趣。 三、 基于工程項目的團隊式實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)和改革， 實 現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo) CDIO教育模式要求學(xué)生基于工程項目的全生命

8、周期進(jìn)行學(xué)習(xí) 與實踐， 最大的特點就是注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。 要培養(yǎng)高層 次的技術(shù)人才， 就必須完善學(xué)生的實踐教學(xué)體系。 “大氣污染控制工程” 課程教授的內(nèi)容中很大部分是工程中 的實際問題， 如何將課本知識轉(zhuǎn)化為解決工程項目的能力是本課程 急需解決的課題。 將工程項目實踐引入到課程教學(xué)， 在實施過程中 重點解決設(shè)計什么、 怎么設(shè)計、 誰來設(shè)計， 啟發(fā)學(xué)生自主應(yīng)用課本 知識尋找課題， 用系統(tǒng)分析的方法分析問題， 用學(xué)過的知識與技能 解決問題。 通過加強問題的實踐性、 選題的多樣性、 方法的選擇性 和任務(wù)的完整性來引導(dǎo)學(xué)生自覺地將書本知識進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 在課程設(shè)計項目2過程中， 建立項目小組并由教

9、師結(jié)合課程的 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象的實際情況， 提出一些與實際相關(guān)的工程項 目。 特別是大氣污染控制中遇到較普遍工程項目和實例， 例如電廠 煙氣脫硫問題、 煙氣除塵問題、 有機廢氣處理問題等等。 同時項目 與任務(wù)的提出必須充分考慮到需要學(xué)生掌握哪些知識點、 哪些操 作技能， 從學(xué)生的實際出發(fā)， 選擇一些具有趣味性的項目， 以調(diào)動 學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 強調(diào)工程項目的完整性， 即從選題、 方案制定、 流程計算、 設(shè)備選型到設(shè)計書撰寫的全過程均由學(xué)生自主完成。 “大氣污染控制工程” 課程實踐性很強， 每個知識單元都需要 設(shè)計好相應(yīng)的實踐項目， 要求學(xué)生組成項目小組來完成。 這樣可以 讓讓學(xué)生在團隊環(huán)境

10、下獲得較真實的工程項目經(jīng)驗， 提高學(xué)生在項 目規(guī)劃、 工作分配、 成員交流等多方面的能力， 培養(yǎng)積極向上的合 作精神。 項目驗收的形式采用項目演示結(jié)合現(xiàn)場答辯的形式， 每組 團隊進(jìn)行點評， 評出最佳團隊和最具創(chuàng)新性的團隊， 培養(yǎng)集體榮譽 感和團隊協(xié)作精神。 四、 建立大氣污染控制工程CDIO 教學(xué)評價體系 在CDIO教學(xué)中， 需對學(xué)生個體在CDIO教學(xué)方法中獲得的成效 進(jìn)行評估。 傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是由任課教師來考評學(xué)生， 重在知識的 獲得； CDIO的評價方法則重在能力培養(yǎng)， 將能力本位的教學(xué)觀貫穿 到教學(xué)實踐的全過程。 因此， 必須確保能力評價過程的合理性和有 效性， 采用不同的方法評價不同的

11、能力。 在 “大氣污染控制工程” 的考評中， 將平時成績進(jìn)行細(xì)化， 分 為課堂表現(xiàn)、 課余作業(yè)、 課程設(shè)計、 實驗情況及考試卷面等內(nèi)容， 卷面成 績只占三到四成， 更注 重考核學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)情 況， 特別是在工程項目實踐環(huán)節(jié)所表現(xiàn)出來的能力給予肯定， 有 利于促進(jìn)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)， 培養(yǎng)創(chuàng)新能力。對平時成績的評判 可采用不同的標(biāo)準(zhǔn)， 但總體應(yīng)該體現(xiàn)個性化、 創(chuàng)新性、 準(zhǔn)確性相結(jié) 合的原則。 課程工程項目結(jié)束時， 教師要對項目的完成情況進(jìn)行考核， CDIO教學(xué)模式的標(biāo)準(zhǔn)之一就是要對學(xué)生個體進(jìn)行評估驗收?？?核的形式常采用 “答辯” 的方式， 由學(xué)生演示程序的運行結(jié)果， 然 后針對自己在小組

12、中的分工情況， 詳細(xì)介紹具體項目來源、 解決方 法及他們在工程項目中遇到的問題， 最后提交項目總結(jié)報告。較 之傳統(tǒng)的考試， 這種考核方式更加強調(diào)學(xué)生的表達(dá)能力和科技文 章的撰寫能力， 既分享了學(xué)習(xí)經(jīng)驗， 又拓寬了知識面。 教師在考核 過程中要起到主導(dǎo)作用， 站在企業(yè)、用戶或用人單位的角度來設(shè) 立問題， 將學(xué)生置于一個大的環(huán)境中， 使學(xué)生具備業(yè)界所需要的 素質(zhì)和能力。 五、 結(jié)語 “大氣污染控制工程” 是門實踐性較強的課程， 按照CDIO的標(biāo) 準(zhǔn)與內(nèi)容， 對教學(xué)課程、 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的改革， 及 時總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)， 優(yōu)化課程的改革方案， 注重培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用能 力、 團隊合作能力， 提

13、高工程實踐能力， 使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)社 會需求。 CDIO教育理念是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程， 該培養(yǎng)模式的評 價體系尚未完善， 今后將結(jié)合專業(yè)特色， 針對國際上完善的評價體 系進(jìn)一步探索教學(xué)改革的策略和方法。 總之， 通過將CDIO教學(xué)模式運用于 “大氣污染控制工程” 課 程， “做中學(xué)” 使學(xué)生在掌握基本專業(yè)知識和技能的同時， 倡導(dǎo) ， 既 提高了學(xué)習(xí)興趣， 又增強了工程項目實踐能力， 對學(xué)生畢業(yè)走上社 會的可持續(xù)發(fā)展起到積極的作用。 參考文獻(xiàn)： 1 郝吉明 , 馬廣大 . 大氣污染控制工程 M. 第二版 . 北京 : 高等教育出 版社 ,2005. 2 郝曉文 , 田甜 “大氣污染控制工程”

14、課程在熱能專業(yè)中的教學(xué)探討 . J. 中國電力教育 ,2011,(13:98-99. 3 呂輝雄 , 黃榮 , 蔡全英 “大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革與優(yōu)化 . J. 中國電力教育 ,2010,(30:104-105. 4 王偉冰 , 張東梅 , 李玉菊 , 等 . 基于 CDIO 理念的新機械制圖教學(xué)模 式研究 J. 長春理工大學(xué)學(xué)報 ( 社會科學(xué)版 ,2010,23(1:171-172. 5 蘇萍 . 基于 CDIO 教育模式的 音視頻制作課程教學(xué)改革研究 J. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 ,2010,9(2:45-46. （責(zé)任編輯 ： 孫晴） （上接第 122 頁） 教學(xué)。 通過Sol

15、idWorks的特征構(gòu)造技術(shù)創(chuàng)建了麥克納姆輪的三維實 體模型， 并對麥克納姆輪的運動特性進(jìn)行了仿真分析。 不但驗證了 麥克納姆輪的運動原理， 獲得了麥克納姆輪在運動過程中的一些力 學(xué)參數(shù)， 為后續(xù)的計算分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)， 而且有助于學(xué) 生理解掌握麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)特點和運動規(guī)律， 大大激發(fā)了學(xué)生的 學(xué)習(xí)興趣， 有效提高了課堂教學(xué)效益。 與此同時， 充分靈活利用SolidWorks及其COSMOSMotion插件對各 種常見機械、 機構(gòu)進(jìn)行三維建模、 裝配、 運動仿真， 對改善教學(xué)手段、 提高教學(xué)效果是一種有益的嘗試和應(yīng)用， 值得進(jìn)一步推廣和研究。 參考文獻(xiàn)： 1 閆國榮 , 張海兵 . 一