ADAMS仿真技術(shù)在理論力學教學中的實踐與探索

ADAMS仿真技術(shù)在理論力學教學中的理論與探究〔〕:

摘要：為了增加教學直觀性和豐富教學內(nèi)容，將ADAMS虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于理論力學教學中。利用ADAMS強大的可視化技術(shù)，建立理論力學教程中典型問題的虛擬實驗數(shù)據(jù)庫。通過靜力學、運動學以及動力學三個詳細例子，說明了ADAMS虛擬仿真技術(shù)可以使教學更加直觀生動，并與理論知識進展互相驗證，增強學生對力學知識的理解，培養(yǎng)學生的學習興趣和仿真模擬才能，有利于進步教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ADAMS；理論力學教學；可視化

本文引用格式：譚鄒卿，等.ADAMS仿真技術(shù)在理論力學教學中的理論與探究[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、機械原理等的學習打下重要根底。但理論力學的內(nèi)容較多，一些概念比擬抽象，且習題類型繁多；另外，理論力學嚴謹?shù)臄?shù)學推理對數(shù)學根底要求較高。因此，傳統(tǒng)板書式的教學方式會讓學生覺得理論過于抽象、習題無從下手。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速開展，構(gòu)建實驗教學平臺已成為理論力學教學改革與理論的關(guān)注點之一[1-3]。例如，長江大學的侯作富等【4】采用3dmax制作了理論力學多媒體課件動畫，豐富了教學內(nèi)容；河海大學的尚作萍等【1】利用Director軟件構(gòu)建了理論力學實驗教學平臺，改善了實驗教學環(huán)境；北京理工大學的尚玫和梅鳳翔【5】、華東理工大學的闞文彬等【6】、以及重慶工商大學的敖文剛等【7】基于MATLAB在理論力學可視化教學方面進展了有益的探究。由此可見，虛擬仿真技術(shù)在理論力學教學中具有廣泛的應(yīng)用。然而，這些虛擬仿真軟件在力學教學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)課程的學習，難以鍛煉學消費品開發(fā)的設(shè)計才能；MATLAB雖能進步學生對理論力學的感性認識和數(shù)值計算才能，但實際上對學生提出了更高的要求，學生既要具有良好的理論功底，又要掌握計算機編程才能，從而增加了學生學習理論力學的難度。因此，尋找一種簡便且實用的虛擬仿真工具，成為了常州大學力學教研團隊探究與理論理論力學教學改革的出發(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)在理論力學教學還未被廣泛使用[14,15]。

本文將ADAMS虛擬仿真技術(shù)引入到理論力學課程中，構(gòu)建理論力學虛擬實驗數(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、運動學以及動力學三個典型問題為例，闡述了理論力學教學過程中引入ADAMS虛擬仿真模擬的優(yōu)越性和必要性，有利于加深教學直觀性和應(yīng)用性，增加學生學習理論力學的興趣，培養(yǎng)學生的工程意識，并為后續(xù)課程學習、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)建是理論力學實驗平臺的根底。本教研團隊將從哈工大版理論力學教材中挑選典型的力學問題作為仿真對象，一方面是哈工大版理論力學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，便于學生理解和掌握。

三虛擬實驗范例

〔一〕ADAMS虛擬實驗在靜力學教學中的應(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進展靜力學分析的正確性。

〔二〕ADAMS虛擬實驗在運動學教學中的應(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雜運動學問題。此外，利用生動的動畫將點E的速度形象地展示給學生，從而將抽象的理論形象化、詳細化，增加了學生更濃重的學習興趣。

〔三〕ADAMS虛擬實驗在動力學教學中的應(yīng)用實例

圖7給出了動力學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雜動力學結(jié)果，有助于學生對抽象問題的分析和研究。

綜上所示，ADAMS可以求解理論力學的各種問題，只要建立正確的仿真模型，ADAMS都可以給出相當準確的結(jié)果，還可快速地顯示結(jié)果〔如圖形、動畫等〕，從而讓學生對理論力學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

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

參考文獻

【1】尚作萍,杜成斌,張宏兵,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在理論力學實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2022,24(10):297-299.

【2】李麗君,許英姿.CAE軟件在力學教學與理論中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2022,27(10):113-115.

【3】湯可可,王華寧.以創(chuàng)新才能培養(yǎng)為導向的理論力學教學體系探究[J].力學與理論,2022,39(1):68-70.

【4】侯作富,胡述龍,張新紅.理論力學教學改革研究嘗試[J].長沙鐵道學院學報(社會科學版),2022,7(4):133-134.

【5】尚玫,梅鳳翔.理論力學可視化教學與Matlab/Simulink[J].力學與理論,2022,32(1):72-76.

【6】闞文彬,李彤,葉純杰.MATLAB在運動學中的應(yīng)用[J].力學與理論,2022,32(3):118-120.

【7】敖文剛,李勤,王歆.基于Matlab的理論力學計算機輔助教學[J].力學與理論,2022,35(1):83-86.

[8]蔡書平,陳麗.基于ADAMS軟件的機器人動作設(shè)計與仿真實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理,2022,28(11):79-81.

[9]范鈞.ADAMS在重載汽車駕駛室振動分析和構(gòu)造評價中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2022,30(6):74-76.

[10]于春梅,易奎,侯惠讓,等.基于虛擬樣機技術(shù)的控制系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理,2022,31(2):82-84.

[11]張立松,閆相禎,楊秀娟,等.虛擬仿真技術(shù)在復雜工程力學問題實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2022,31(9):102-105.

[12]王江云.機電系統(tǒng)一體化建模與仿真實驗課程建立[