ADAMS仿真技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中的實(shí)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(qiáng)大的可視化技術(shù)，建立理論力學(xué)教程中典型問(wèn)題的虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)三個(gè)詳細(xì)例子，說(shuō)明了ADAMS虛擬仿真技術(shù)可以使教學(xué)更加直觀生動(dòng)，并與理論知識(shí)進(jìn)展互相驗(yàn)證，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)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(jìn)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(zhuān)業(yè)如機(jī)械、車(chē)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(jī)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(lèi)型繁多；另外，理論力學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推理對(duì)數(shù)學(xué)根底要求較高。因此，傳統(tǒng)板書(shū)式的教學(xué)方式會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得理論過(guò)于抽象、習(xí)題無(wú)從下手。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速開(kāi)展，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已成為理論力學(xué)教學(xué)改革與理論的關(guān)注點(diǎn)之一[1-3]。例如，長(zhǎng)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(dòng)畫(huà)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，改善了實(shí)驗(yàn)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(jìn)展了有益的探究。由此可見(jiàn)，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(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，不利于機(jī)械等工科專(zhuān)業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，難以鍛煉學(xué)消費(fèi)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)才能；MATLAB雖能進(jìn)步學(xué)生對(duì)理論力學(xué)的感性認(rèn)識(shí)和數(shù)值計(jì)算才能，但實(shí)際上對(duì)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(jì)算機(jī)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(jiǎn)便且實(shí)用的虛擬仿真工具，成為了常州大學(xué)力學(xué)教研團(tuán)隊(duì)探究與理論理論力學(xué)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)。

ADAMS以其公認(rèn)的優(yōu)越性被越來(lái)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(jī)械、汽車(chē)制造業(yè)、船舶業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)進(jìn)步產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)程度起到了重要作用，獲得了顯著的成績(jī)[8-10]。目前，不少高校將其作為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的工具[11]。北京航空航天大學(xué)的王江云利用ADAMS和MATLAB進(jìn)展機(jī)電系統(tǒng)一體化的建模與仿真實(shí)驗(yàn)[12]。西南科技大學(xué)的于春梅等開(kāi)發(fā)了關(guān)于自動(dòng)控制理論課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10]。天津理工大學(xué)的李彬和魏璇針對(duì)機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)課程搭建了3-RRRT并聯(lián)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)[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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)步驟，并以靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)三個(gè)典型問(wèn)題為例，闡述了理論力學(xué)教學(xué)過(guò)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(shí)，并為后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及就業(yè)等提供仿真方法。

二虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建是理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的根底。本教研團(tuán)隊(duì)將從哈工大版理論力學(xué)教材中挑選典型的力學(xué)問(wèn)題作為仿真對(duì)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(qiáng)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(shí)面覆蓋也很全面。虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jiàn)的約束類(lèi)型有：接觸外表、柔索、光滑鉸鏈、滾動(dòng)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(duì)這些約束的模擬。

〔三〕施加驅(qū)動(dòng)

要使得物體或物體系有約束力或開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，就需要施加相應(yīng)的廣義力〔力或力偶等〕或廣義運(yùn)動(dòng)〔線速度或角速度等〕，利用ADAMS的力驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)可實(shí)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(jìn)展仿真。利用ADAMS強(qiáng)大的后處理技術(shù)顯示計(jì)算結(jié)果，如圖片、圖表、動(dòng)畫(huà)等。針對(duì)理論力學(xué)各知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建相應(yīng)的仿真結(jié)果。

〔五〕比照驗(yàn)證

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

三虛擬實(shí)驗(yàn)范例

〔一〕ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)在靜力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

平面簡(jiǎn)單桁架如圖1所示[16]。在節(jié)點(diǎn)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(shuō)明了ADAMS進(jìn)展靜力學(xué)分析的正確性。

〔二〕ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

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

圖5給出了平面機(jī)構(gòu)的仿真模型。圖6顯示了點(diǎn)E的速度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果，由圖可知，初始時(shí)刻點(diǎn)E的速度vE=0.8m/s，與理論解[16]完全一致，說(shuō)明該方法可解決復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。此外，利用生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)將點(diǎn)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(xì)化，增加了學(xué)生更濃重的學(xué)習(xí)興趣。

〔三〕ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)在動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

圖7給出了動(dòng)力學(xué)常見(jiàn)的滑塊單擺系統(tǒng)實(shí)例[16,17]：滑塊A的質(zhì)量為m，可以在程度光滑面上運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)度為l，質(zhì)量為m1，在鉛垂平面內(nèi)可繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)。當(dāng)桿AB與鉛垂方向成夾角時(shí)自由釋放，求滑塊A的運(yùn)動(dòng)。

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(shí)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(yùn)動(dòng)的Hamilton方程所證實(shí)[5,17]，然而對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)求解運(yùn)動(dòng)微分方程較為困難。因此，利用ADAMS強(qiáng)大的仿真才能容易直觀地顯示復(fù)雜動(dòng)力學(xué)結(jié)果，有助于學(xué)生對(duì)抽象問(wèn)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(wèn)題，只要建立正確的仿真模型，ADAMS都可以給出相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果，還可快速地顯示結(jié)果〔如圖形、動(dòng)畫(huà)等〕，從而讓學(xué)生對(duì)理論力學(xué)知識(shí)有非常直觀的感性認(rèn)識(shí)。此外，借助ADAMS強(qiáng)大的仿真才能，對(duì)學(xué)生參加設(shè)計(jì)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(qiáng)大的仿真才能，構(gòu)建靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)典型問(wèn)題的虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(dòng)，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容。將理論解與ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)展比照的教學(xué)過(guò)程，有效地將力學(xué)的理論知識(shí)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(jìn)步教學(xué)質(zhì)量，可以提升工科學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

【1】尚作萍,杜成斌,張宏兵,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2022,24(10):297-299.

【2】李麗君,許英姿.CAE軟件在力學(xué)教學(xué)與理論中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)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(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系探究[J].力學(xué)與理論,2022,39(1):68-70.

【4】侯作富,胡述龍,張新紅.理論力學(xué)教學(xué)改革研究嘗試[J].長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2022,7(4):133-134.

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

【6】闞文彬,李彤,葉純杰.MATLAB在運(yùn)動(dòng)學(xué)中的應(yīng)用[J].力學(xué)與理論,2022,32(3):118-120.

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

[8]蔡書(shū)平,陳麗.基于ADAMS軟件的機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2022,28(11):79-81.

[9]范鈞.ADAMS在重載汽車(chē)駕駛室振動(dòng)分析和構(gòu)造評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)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(fù)雜工程力學(xué)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2022,31(9):102-105.

[12]王江云.機(jī)電系統(tǒng)一體化建模與仿真實(shí)驗(yàn)課程建立[