机械原理的应用与研究

肖 洋 刘海峰 李芳环 余 浩 李 娜

(武昌工学院机械工程学院，湖北 武汉 430065)

1 计算机图解及仿真软件概述

1.1 图解类软件

为了直观准确了解机械系统的构成(如连杆机构)以及零部件的型貌特征(如齿轮机构)，常见的图解类机械原理软件包括AutoCAD，Solidworks，Pro/e和Catia等。

其中，AutoCAD能够精准地设计机构的平面结构图纸，通过样条线和基本形变命令的绘制，辅以动态/静态参数的固定，能够实现简单机械结构的设计，并且可以直接求出相关未知参数，在凸轮设计、连杆设计中得到了广泛的应用。

三维作图软件能够最贴切地反映机械零部件结构的细节特征，如通过Catia软件构造各类复杂齿轮结构；亦可通过三维动画对整个机械结构的作业过程进行图解化的描述，且能运动过程反映出系统设计缺陷和不足，进行及时的调整和重规划。

1.2 解析类软件

为了提高机械结构的实际应用性能，对其机构的运动分析是必不可少的。随着计算机处理能力的提升和相关软件的开发，机械设计工程师能够通过Matlab，ADAMS，Delphi，ANSYS，DelCAM，RecurDyn以及国产的CAXA等仿真软件进行建模，分析机构的动力学参数以及复杂系统的机械组分所受力场和温度环境的影响，从而提高设计机构的安全性、高效性和稳定性。

Matlab是最为常用的机构运动分析软件之一。Matlab能针对机械构件进行运动矩阵分析，通过编程求解得到仿真的运动曲线，通过直观的图形输出能力实现对构建运动规律的严谨再现，并以此推导出相关的运动参数(如运动角速度，位移量，加速度等)[1]。相较于Matlab，ADAMS建模仿真软件则更加具有专业性。ADMAS提供了丰富的机械构件动力学模型，能够让工程师直观地添加机械系统所需要的常用构件，通过对相关动力学参数的外部输入，实现了对机构系统的运动规律的求解，ADMAS减小了编程量和调试时间，且其模型具有一般性，能够快速对所需参量进行求导。近年来，随着人们对于复杂机构系统的运动分析需求的提升，如RecurDyn等基于递归算法的动力学模拟软件应运而生，该算法结合了相对坐标系运动方程理论，借助独特的柔体分析，能够以更高的运动分辨率实现对非线性运动方程的求解，在大型机械工业设计中取得了广阔的应用市场[2]。

2 图解及仿真软件的应用

2.1 教学应用

机械原理课程是机械大类专业的必修科目，近年来不少高校开通了计算机机械仿真模拟的相关课程，即Computer Aided Instruction(CAI，计算机辅助教学)，打破了传统教学进度缓慢、直观性不强、精确度不足的壁垒，针对复杂的机械结构如渐开线、棘轮、槽轮、连杆等平面和空间构建，CAI教学法能够快速形象地生成相关模型、进行运动分析和参数输入/导出，对构件间的运动副的形貌、相对运动形式进行分析，极大提高了课堂教学的效率和学生的形象化理解能力，且能够以作业设计的形式让学生自行建模仿真，促进其在设计过程中加深对各类机械原理的理解，激发其创新能力[3]。

2.2 工业化设计应用

不同于理论教学，工业化设计应用中对于建模软件的可靠性、规范性、精确度和速度都有着更为严苛的要求。如ADAMS、ANSYS等软件能够针对大型机械系统的运动受力、环境因素进行模拟分析，在建筑工程、桥梁工程的开发设计中已取得了广泛的应用。在对于机械结构精密化要求较高的数控机床软件开发中，DelCAM，Pro/E等CAM软件能够综合融入影响加工精度的变量，提供科学合理且结果可控的仿真分析和虚拟加工，在最低损耗的前提下实现系统的精确化设计。

在工业化设计中，仿真软件对于系统建模、动力学分析、环境变量分析和精确制造等机械应用领域有着不可替代的作用，节省大量的实验和时间成本，确保了所产出机械结构的运行寿命和操作精度。

3 总结

现代化机械原理的应用离不开计算机仿真模拟软件的辅助，我国于此领域在教学和工业化的应用已取得了长足的进展，然而缺乏国产的规范化建模软件、缺少相关专业高素质人才等问题亦亟待解决，然而通过产学研相结合的一体化形式，促进理论和时间的深度结合，必然能够在预期取得理想的结果。