工程模型创新在新时期大学中的实际应用

周天亮++陈明月

摘要：

结构模型设计为学生提供了综合运用所学专业知识程专业学生的重要学科，是极富创造性，挑战性的科技竞技的最佳机会。专业结构模型设计大赛已成为培养大学生创新能力、实践能力和竞争意识的一个新兴实践教学环节。文章从结构模型竞赛中材料选用和设计原则的角度出发，分析了结构模型竞赛在培养学生创新能力、计算能力和综合素质等方面发挥的作用，探讨模型制作应注意的问题以及与实际工程的关系，对未来结构模型竞赛发展方向提出建议。

关键词：工程；创新；实践；设计；模型制作

工程模型创新依托我校已有的工程类专业，在对其进行细致的学习了解后，利用其专业知识以及对已有模型成果的转化，进行新的工程模型创新项目，以往的工程模型大多以学院安排的课程实验为主，学生完成的过程中大多对老师产生严重的依赖性，目的性不明确，所以导致其创新性严重不足，并且课程实验中的模型制作多为“填鸭”教育，学生对模型的思考及创新结果可想而知。

工程模型创新项目是在明确立题的基础上全部由学生本人自主完成，其成果在后期由指导老师设定标准后统一进行测评，检验其创新性，并与传统的成果进行比较，总结经验成果。

1、研究项目与研究方法

1.1研究项目

1.1.1 其中以土木结构设计为首，旗下主要作品为龙门式起重机（gantry crane）是桥式起重机的一种变形，俗称龙门吊、龙门起重机。龙门式起重机是门式起重机的象形说法。主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。整体结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。龙门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。

如图 1 所示的桁架梁式龙门起重机是由角钢或工字钢焊接而成的，优点是造价低，自重轻，抗风性好。但是由于焊接点多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有挠度大，刚度小，可靠性相对较低，需要频繁检测焊点等缺点。适用于对安全要求较低，起重量较小的场地。

1.1.2其二塔吊，其结构是一种常见的工程结构，广泛应用于建筑工程、桥梁工程、安装工程、交通工程等领域，是一种需求量大，安全性要求高的结构。塔吊模型，模型包括塔架（及其下部延伸部分）、起重臂、平衡臂等构件，其构造示例如图 2所示。模型采用竹条材料制作，现场完成模型的塔架结构部分（包括下部延伸部分）和吊臂部分（包括起重臂、平衡臂及其上面所有结构）。

1.1.3其次为3D打印（3DP）即快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通

过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。通过对其技术核心的自主学习，加强自己的创新能力和动手操作能力，我们通过结合学校现有的实验器材，进行创新设计，3D打印，最后做出实体模型。

其部分成果展示：

1.1.4 在此基础上，进行了较大模型的学习和制作，以拖拉机模型为例，对拖拉机的整体原理进行了仔细的分析和学习，经多次试验失败后，总结经验，最终成型。

部分成果展示：

1.2研究方法

结合工程类基础课程的理论力学、材料力学、机械学、机械原理、机械设计等一系列的专业知识，与现代创新项目接轨，其资料查询来源于本校网络图书馆及其他网络文献。

经过一系列的测算后，通过大家讨论后得出集中称重性能及力学结构较好的进行拼装实验与改进；通过UG等三维软件的绘画、渲染、结构的运动仿真等进行前期的预实验，之后采用3D打印的方式进行实际的操作。

使用竹条和胶水制作一龙门式起重机结构，下部具有至少长 600mm，宽 350mm 的立面空间，将在顶部梁的中央悬挂一质量为 10Kg 的加载配重，要求结构在此工况下不发生破坏。塔吊起重臂和平衡臂的配重点位置应设置一根较粗的横梁以方便加载挂钩的安放，横梁和周边构件不能妨碍加载，加载挂钩直接悬挂在横梁中间位置；起重臂和平衡臂的配重点在底板平面的投影位置到塔架底板中心距离分别为400mm和200mm。模型采用竹条材料制作，通过理论计算与实践测定其性能。

2、 结果与分析

2.1方案构思：

塔吊采用悬挑桁架结构，四边形竖直支座稳如泰山浩然正气，上端呈三棱锥的悬挑整体桁架在继承传统造型的意义上又不失改革创新。整体给人一种“似曾相识”却又“未曾谋面”的意境。在整体形象给人带来亲和力的同时，理性技术的表现也毫不逊色：“k”形斜撑就极具艺术感染力清晰地体现了力与美。塔吊整体外观通透、纯净、轻盈、精巧。

结构制作：

力学可分析，三角形是最稳定的结构，利用三角斜撑的稳定性，结构上部荷载就可逐层分解到下部支架，受力均匀，从而使整个结构稳定。考虑到比赛中模型先后受到竖向荷载和侧向荷载，其中以侧向荷载为主要控制荷载，模型结构选择了框架和柱间斜撑构成的框架—斜撑体系，框架结构主要承受竖向荷载，斜撑体系主要承受侧向荷载，从而保证结构具有足够的侧向刚度，控制其侧向位移在规定范围内。

结构采用圆形杆，制作简单，抗压性、抗拉性都较出色。根据各杆件不同的受力情况，其直径选择也各不相同。通过制作工艺，使杆中纸与纸之间贴合紧密，强度保持在受力范围内，减轻了杆的自重，达到了节约材料的目的。

2.2 方案构思：

龙门式起重机采用拱形桁架结构，三角形竖直支座，上部采用拱形三角形桁架。

2.3 以抽油机为例，大庆做为石油之城，全城遍布了游梁式抽油机，他主要通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机，俗称磕头机。游梁式抽油机是油田目前主要使用的抽油机类型之一，主要由了驴头—游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。教师在教学过程中，也会不只一次的提到，所以我们进行了实地的测量与观察，并手绘出一个抽油机的运动模型，经过等比例缩放，用UG软件进行了实际的建模，把抽油机的运动类型及轨迹，进行了参数化，进过有限元分析，确定了实际可行的模型结果。然后经过3D打印机的成型，最后得出一个抽油机的实体模型，可以模仿抽油机在实际工作过程中的运动情况。

在机械加工中，牛头刨床是常见的加工工具。中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机构（见曲柄滑块机构）传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。机床的主参数是最大刨削长度。牛头刨床主要有普通牛头刨床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。普通牛头刨床（见图）由滑枕带着刨刀作水平直线住复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加一仿形机构，用于加工成形表面，如透平叶片。移动式牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身（卧式）或立柱（立式）上移动，适用于刨削特大型工件的局部平面。

我们这次设计中，对牛头刨床的运动进行了简化。简化为床身、导轨、滑台、刀头、夹具等几部分。驱动部分的电动机用手轮来代替，主要体现牛头刨床在加工过程中的运动方式。还可以用作机械原理的教具，方便老师上课讲解。

3、讨论

目前大学生自主创新意识薄弱，现如今包括教育界在内的主流社会已经达成共识：提升当代大学生的创业创新能力是各个高校教育的核心内容，以此思路为指引，提升大学生自主创业和自主创新的项目如雨后春笋般出现。目前，各高校相继开展工程模型设计大赛、申请创新项目等，但缺乏专业的指导和实践，将模型应用到生产实践更是少之又少。

结构模型设计与实际工程设计有着紧密的联系，其设计过程与实际结构设计过程大同小异。结构模型设计过程需要结构工程学科的基本理论知识和专业知识，是了解学生是否掌握力学基本原理与分析方法、工程材料的基本性能和适用条件、结构构件的力学性能和计算原理等的最直接检验 ，可为学生今后从事结构工程设计、施工、管理以及研究开发等实践性工作打下基础。但是由于结构模型在几何外形上远远小于实际结构，因此二者在材料选用、材料性能、设计原则、制作加工工艺等方面存在很大的差别。

[参考文献]

[1]《结构力学》王荫长等编、冶金工业出版社.

[2]《结构力学》（上、下册）（第四版）杨茀康编、高等教育出版社.

[3]《结构力学》（上、下册）（2004） 李廉锟编、高等教育出版社.

[4]《机械原理》邹慧君、张春林、李杞仪主编（第二版）高教出版社2006.

[5]《机械设计及理论》李柱国、许敏主编科学出版社2003.

1 黑龙江八一农垦大学大学生创新创业训练计划项目 项目名称“工程模型创新团队”

2 通讯作者：陈明月（1983，9-），汉族，黑龙江哈尔滨市，理学硕士，黑龙江八一农垦大学工程学院辅导员，讲师。

（作者单位：黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319）