基于ADAMS的“机械系统动力学及仿真”课程教学实践

来源:用户上传      作者: 郭良斌丘常伟

　　摘要：采用以计算多体系统动力学理论为核心的虚拟样机仿真软件（如ADAMS）进行虚拟设计是一种全新的产品设计理念。学校开设的机械系统动力学及仿真课程，围绕着不断提高“实践性”这个主线来明确教学目的和选择课程内容；在有机结合理论与实践两部分内容的基础上，以案例教学和交互式动态教学法为特色来组织教学，取得了预定的教学效果，CAE技术的快速发展给本课程的教学提出了更高的要求。
　　关键词：机械动力学；ADAMS；交互式动态教学；案例教学
　　作者简介：郭良斌（1973-），男，湖北武汉人，武汉科技大学机械自动化学院，副教授；丘常伟（1990-），男，湖北罗田人，武汉科技大学机械自动化学院本科生。（湖北武汉430081）
　　中图分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）11-0042-02
　　
　　随着现代机械向高速、精密、轻型、重载和低噪声等方向发展，在机械设计人员中加强机械动力学理论的学习和实际应用，将有助于提高机械产品的动态性能和工作品质。[1]21世纪以来，随着经济全球化的发展，机械产品的市场竞争日趋激烈，客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。采用以计算多体系统动力学理论为核心的虚拟样机仿真软件（如ADAMS）进行虚拟设计和任意次数的仿真测试，部分取代传统设计，有利于降低生产成本、提高设计质量、缩短研发周期，快速响应市场，有助于节约型社会的建设。[2]
　　虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的产品设计理念。一方面，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟样机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能；另一方面，传统的产品设计方法是一个串行过程，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费；而运用虚拟样机技术可以快速地建立包括机械结构系统、驱动系统、过程控制系统等在内的虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把虚拟样机系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。[3]
　　为使学生了解和掌握一些基于虚拟样机技术的产品设计新理念和新工具，武汉科技大学（以下简称“我校”）从2007年开始，在机械工程及自动化专业的全体本科生中开设了“机械系统动力学及仿真”选修课程。经过5年的教学实践，该课程的教学目的、内容、方式基本明确下来，本文即是对5年教学探索的简要总结。
　　一、教学目的和开设时机
　　通过本课程的学习，学生能够对机械系统动力学建模与分析具有明确的基本概念，具有必要的专业基础知识、一定的机械系统动力学建模能力和分析计算能力，同时掌握机械系统虚拟样机软件ADAMS/View的基本操作和使用。
　　教学实践表明，开设本课程需要学生必须具备高等数学、线性代数、机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、计算机算法语言等相关课程基础，我校机械专业学生在本科一、二年级已完成上述课程的学习，因此在本科三年级引入该课程是合理的。至于在三年级上学期还是下学期开设，可按各自情况酌情处理，我校安排在三年级上学期开设该课程，目的是让参加全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等大学生科技竞赛的学生能够早一些使用虚拟样机技术进行作品设计，提高作品的质量，同时也可以为毕业设计早做准备。
　　二、课程教学内容的选择
　　对于本科生而言，纯粹的计算多体系统动力学理论涉及大量的公式推导，课程内容抽象、深奥晦涩，学生不易掌握，授课难度较大。[4，5]在当前大学生特别注重课程的实用性、特别希望能学以致用的背景下，欲提高教学质量，需要转变单纯传授知识的传统教育思想，树立融知识传授、能力培养与素质提高为一体的全面发展的教育观念，着重培养学生的自学能力和动手操作能力。[5]因此在教学内容的选择上，考虑将计算多体系统动力学的建模理论和虚拟样机软件ADAMS/View的操作使用同时纳入，目的是既让学生能较快地使用ADAMS/View进行一些基本的辅助设计，又能为其贮备一些进一步自学和提高ADAMS/View使用技能所需的理论基础。
　　在多体系统建模理论方面，主要讲授由Chance和Haug提出的笛卡儿绝对坐标方法，它是当今较为流行的建模方法，国际上最著名的两个动力学分析商用软件ADAMS和DADS都是采用这种建模方法。在系统类型方面，由于学时限制，主要讲授平面系统笛卡儿坐标运动学和动力学，其中尤以常见运动副约束建模和运动学方程组的自动组集为重点。机械系统各构件相对运动的形式是由相应运动副的约束性质确定的，这是机械系统区别于其他系统（如机械结构）的本质特征。
　　在虚拟样机软件ADAMS/View的操作使用方面，以样机约束建模、ADAMS/View函数与载荷施加、机构参数化建模与优化为重点。其中的难点内容是在冗余约束系统中如何用一定量的基本副替代低副来消除冗余约束。实际机械系统为增加系统刚性、减轻构件质量常常设计了冗余约束，选择哪几个低副，且用什么样的基本副替代，这依赖于用户对一个具体的复杂系统中构件之间的运动关系和每个基本副约束自由度的特性有正确的理解，否则很难正确地消除过约束。这是决定学生能否正确使用ADAMS/View软件建模的关键问题之一，教师在教学实际中予以着重讲述。教学内容除强调必须和够用外，同时还应考虑一定的弹性，笔者在软件操作的课堂教学中布置了较多的自学内容，使学生能在后续的科技竞赛或毕业设计中进行自学，并在实践中进一步提高软件操作技能。
　　三、教学方式灵活化
　　在信息技术高度发展的今天，网络应用汇集了大量的资源，广泛且可迅速获取信息，突破了书本的局限、大大扩展了学生的视野、丰富了学生的学习内容，为学生的自主式学习创造了有力条件，教师不再被视为知识的唯一拥有者和化身。[6，7]因此教师要由传授知识转向引导和激励学生探寻、发现和创造性应用知识，充分培养学生个体的独立学习和研究能力。在相应教学方式上，教师应该由传统的“灌输式”、“填鸭式”教学方法，转变为启发式、交互式动态教学方法。[8，9]在教学手段上，针对不同的教学内容应灵活应用课堂教学、案例教学、课后作业、上机实验验证等方式。在多体系统建模理论教学中，由于数学公式多，理论性强，考虑采用渐进式和突出重点的方法进行课堂讲授，必要的公式推导以板书为主，多媒体课件为辅，增加和学生的课堂交流，努力提高教学的趣味性。另外对于关键的知识点布置课后作业，以加深学生的理解和掌握。
　　在ADAMS/View软件操作教学中，则采用基于交互式动态教学方法的案例教学来进行，每一次课都从一个实例开始，把ADAMS/View软件的基本功能融入到虚拟样机的建模及仿真计算过程中讲授，不仅提高了学生的学习兴趣和热情，还积极引导了学生学以致用。鼓励学生把手提电脑带到课堂上来，教师用自己的手提电脑现场演示软件的操作过程，学生可以在各自的手提电脑上同步操作，操作使用中的各种问题课上课下可及时提出和迅速解答。这种交互式的动态教学方法，充分调动学生学习的积极性、主动性，优化了课堂教学过程，提高了学习效率。软件操作部分除课堂教学外还精心设计了与重点难点内容紧密结合的上机实验，以期通过独立的软件操作加深学生对关键内容的理解和掌握，并通过教师在学院CAD室进行现场上机答疑予以监督和保障。

　　教学考核不再以试卷考试作为唯一方式，考核形式多样化。单纯的试卷考试较片面，不能真实检验学生对课程内容的掌握深度和应用能力；实践中采用课后作业、课程考试、上机测试和提问测试相结合的方式，综合考察学生对课程内容的掌握水平。
　　四、结束语
　　“机械系统动力学及仿真”教学实践是一个不断突出“实践性”的过程。人类的创造性活动离不开实践，只有当人们在实践中提出问题、解决问题，才会产生新的认识和升华，创造力随之提升，这种从知识到能力的飞跃蕴藏在“实践”教学手段中。由于各种条件的限制，机械专业学生的“动手环节”常常受到制约。虚拟样机技术只需要借助计算机就可完成“动手环节”，并且学生在软件应用中可以反复尝试、反复修改、大胆创新，给学生插上了“多动手”、“巧动手”的翅膀，受到了学生的欢迎。[10]本课程为我校机械学院部分学生在全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等赛事中取得好成绩，提供了有力的支持。
　　随着科学技术的快速发展，传统的单学科工程分析方法在准确模拟产品的真实性能方面的局限性越来越突出，多学科耦合和集成的工程分析方法可以有效解决这种局限性带来的问题，正在成为CAE行业发展的必然趋势。MSC.Software公司在ADAMS 2007之后推出了MD ADAMS（MD，Multi-Discipline多学科），它是适应多学科仿真市场需求应运而生的新一代虚拟样机技术，对本课程授课教师自身的理论基础、相关软件的操作技能和应用水平提出了更高的要求。另外，如何用简洁、生动的语言，把数量多而冗长的多体动力学模型数学公式用学生易于理解的方式讲解出来，仍然是本课程授课教师需要深入思考和不断提高教学水平的努力方向。
　　
　　参考文献：
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　　[3]杨莺,王刚.虚拟样机技术应引入高校工科类课程教学[J].宁波职业技术学院学报,2004,8(5):78-79.
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　　[9]耿素花,郑建校,原思聪,等.构建“工程机械设计”课程虚拟样机技术的动态教学方法研究[J].装备制造技术,2010,(9):198-200.
　　[10]陈举华.虚拟样机技术可辅助《机械设计》教学[J].科技创新导报,
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　　（责任编辑：宋秀丽）

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