数值仿真在职业教育中的应用

樊志强

（江苏省淮安技师学院，江苏 淮安 223001）

0 引言

职业教育重点在于密切联系实际、突出工作环境等教学特点，其中实践和实训教学环节占有非常重要的地位，最终培养和锻炼学生与岗位需求相适应的职业技能。近几年，随着国家对职业教育的逐步重视，各职业院校的综合实力均有了大幅的提升。然而，受到诸多因素的影响仍然面临很多实际困难，诸如：相关实验实训设备昂贵、教学耗材投入较大、实训工件无法校验、部分实验存在安全隐患等。这些都成为进一步提高职业教育实践性教学质量的约束和障碍，因此，有必要寻求一种新型的、实用的方法来辅助解决这些问题。

早在2008年教育部就颁发了一系列文件，明确指出职业教育要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发”，依托相关技术手段重点解决在实践教学过程中难以实现的问题，满足实践教学中模拟仿真实训教学的需要[1-2]。

1 数值仿真技术概述

数值仿真技术是在计算机模拟的基础上发展的一种技术分析手段，它不仅包括了实际模型的构建与演示，还可以对所建的模型做进一步可靠性实验分析。人们通过建立与实体一致的模型进行数值分析试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实情况的某一层次的问题提供参考和做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是给仿真模型赋予真实系统的一些参数和属性。与此同时，对生产实际中的问题进行仿真是有层次的，既要考虑所处理问题的客观系统，又要符合处理者的需求层次。

数值模拟仿真一般包含以下几个步骤[3]：

首先，需要建立相关实际问题的数学模型，它不仅是工程实体外观结构的简单模拟，必须包含该实体在实际应用环境中所满足的一切参数和属性要求。目前，被广泛应用的各类数值仿真软件中都集成了相关的数学模型，用户可以直接调用进行设置应用。

其次，需要确定高效率、高准确度的计算方法，并对所数值建模型进行相应的求解计算。计算方法既有数学类理论上的抽象性和严谨性，又有实用性和实验性的技术特征，有效地将问题的理论性和实践性进行有效的结合。例如：有限元分析法、迭代法等。

在计算工作完成之后，大量数据只能以图像和曲线的形式显示出来，其中包括一些动态的演化过程，研究者需要根据实际需求进行提取分析，其显示结果具有形象、逼真等特点。

2 数值仿真在实践教学的应用举例

数值仿真技术主要包括模拟演示和仿真实训，充分利用数字化资源把文字教材转化为多媒体和数字化教学资源相结合的综合性教学资源，它具有内容丰富、更新便捷、开放共享、互动交流、传播快速等优势。并且在丰富了课堂教学内容的同时提升学生的学习兴趣、扩展学生的知识面，成为对传统教材的有力补充。

本文以机械类高职学生为背景，依托机械加工设计学科领域，就数值仿真技术在“直齿圆柱齿轮设计”课题中的应用做具体分析。

2.1 认识直齿圆柱齿轮

齿轮是机械中广泛应用的传动零件之一，它具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长等特点。其中渐开线直齿圆柱齿轮传动为日常生活中应用最为广泛、最具代表性的一种简单齿轮，但在实际教学过程中，由于齿轮的加工较为复杂且受到设备的局限性，不能带领学生实际加工实体齿轮。因此，我们要对相应的设计过程进行模拟，并所有的齿轮参数进行数值仿真验证。

渐开线直齿圆柱齿轮是以渐开线为齿廓，它是由一条线段绕齿轮基圆旋转形成的曲线，其形成过程如图2-1所示。

图2-1 渐开线的形成过程Fig.2-1 Forming process of involute

2.2 齿轮强度的计算[4]

首先，为了防止齿轮点蚀失效，需要对齿面接触疲劳强度进行计，考虑齿面接触应力大小对其的影响，齿面点蚀优先发生在[σH]轮的节线附近。因此选择齿轮的节点作为接触应力d1算点，以赫兹公式(式2-1)为依据。

式中：[σH]表示齿轮材料的许用应力(MPa)，查表可得；d1表示小齿轮分度圆直径(mm)；μ表示大小齿轮齿数比，即μ=z2/z1；Ψd表示齿宽系数，Ψd=b/d1，查表σF[σH]得；K表示载荷系数，查可得。

其次，轮齿折断与齿弯曲应力有直接关系，为了防止轮齿折断，需要对齿根的弯疲劳强度进行计算，使齿根弯曲应力σF于或等于许用弯曲应[σF]，依据以下公式进行验算。

式中：YF表示标准外齿轮齿形系数，查表可得；z1表示小齿轮的齿数；[σF]表示齿轮材料许用弯曲应力，查表可得。

由于在大小齿轮的材料和热处理相同时，两齿轮的许用应力相同，考虑小齿轮的弯曲强度较差，一般只需对小齿轮进行强度校核或设计计算。

2.3 齿轮的数值仿真分析

本文主要运用有限分析数值仿真软件ANSYS对教学设计的齿轮模拟分析，通过数值模型的建立，对根据要求设计的直齿圆柱齿轮进行强度分析。

首先，建立如下图所示的数值模型，并对模型进行合理的网格划分。

图2-2 齿轮ANSYS模型Fig.2-1 Forming process of involute

图2-3 划分网格后的齿轮模型Fig.2-3 Gear model after dividing network

其次，根据齿轮设计时要求的参数和计算所得强度参数，在数值仿真软件中进行相关设置；选择合适的约束条件和应力边界条件，来考查齿轮的强度是否符合设计要求，如下图所示。

图2-4 选区轮齿施加荷载位置Fig.2-4 Choosing loading position of gear

图2-5 施加载荷后的变形示意图Fig. 2-5 Deformation diagram after loading

通过数值仿真的分析可以考查：在特定位置作用不同载荷时，齿轮的变形的情况，进一步得出齿轮发生塑性变形的屈服极限[5]；此外，还可以考查齿轮在实际负荷状态下的应力-应变分布情况，从而为该课题齿轮设计的合理性提供帮助。

3 结论

目前，虚拟仿真技术已经通过数字化教学资源的方式与职业教育实训教学环节紧密的连接在一起，明显地提高了实践教学的质量和水平[6-8]。单纯的模拟只能在教学演示的过程中展现其形态以及工作过程，并不能真实地代替实际的生产应用，无法验证实践教学中制作工件的可靠性。因此，我们要运用数值仿真的技术手段对其进行真实的工作模拟，包括材料属性、负荷状态等，最终对实践教学的成果进行实际应用的检验[9-10]。

随着计算机技术的逐渐发展，各类工程仿真软件的成熟应用，这种新的教学媒体必然广泛地应用到职业教育的实践教学环节中，为进一步推动职业教育的发展发挥十分重要的作用。

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