虚拟仿真软件在机械专业教学中的应用实践

华剑 徐小兵

[摘要]该研究结合新工科建设和工程教育专业认证工程的背景，提出了将虚拟仿真软件用于机械专业教学的方法。总体介绍了机械行业虚拟仿真软件的种类、特点、功能以及适用的课程，详细阐述了SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab这四种软件在机械原理、机械设计、机械控制工程基础等课程的应用、实践表明，将上述软件用于机械专业学生的培养，有助于提高学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

[关键词]机械专业;虚拟仿真软件;创新能力;教学

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020） 02-0014-03

近年来，随工程教育中“新工科”建设的快速开展和工程教育专业认证工作的不断推进，国内各高校在机械工程专业的教学中越来越强调对学生科技创新能力和解决复杂T程问题能力的培养[l]。要培养上述能力，离不开科学的实践教学体系和完善的校内外实验基地建设[2]。但目前大多普通本科高校的机械专业实践教学面临如下困难：一是资金、场地和实验人员有限，不能满足培养方案对实践教学所占学时、学分比例以及实验室软硬件建设的要求。二是考虑到对企业管理、安全生产、经济效益等方面的影响，机械制造企业对学生实习实践的接纳程度逐年下降。三是由于教学组织、教学手段和教学方法的原因，部分实践环节的现场教学，对提高学生能力的作用有限。四是实验设备使用频繁，需要定期维护及检修，出故障的概率较高，不利于实践教学的顺利开展。借助于计算机性能的提高、网络技术的发展以及机械工程仿真软件的推广，虚拟仿真实验为解决机械专业实践教学的上述问题提供了有效手段。虚拟仿真教学已在能源动力工程等专业[3]、机械原理、机械设计[4-6]等课程的实践教学中得到了广泛应用，对现场实践教学形成了有益补充，并成了机械工程教育中的热点。

长江大学机械设计制造及其自动化专业是湖北省品牌专业、教育部特色专业，于2012年人选教育部卓越工程师教育培养计划。在我校机械设计制造及其自动化专业的课程体系中，机械原理、机械设计、机械创新设计、机器人技术基础、工程流体力学与流体机械、毕业设计等课程与教学环节与工程实践结合较为紧密。由于受到传统教学观念、教材内容和教学硬件设施的限制，在以往的教学实践中，教师们主要将重点放在学生对理论知识的理解和考试知识点的掌握上，平时作业主要以公式计算为主，考试主要强调学生对概念、理论公式的记忆，而不太重视学生对理论知识在工程实际中的应用，从而导致学生会推导公式、能够考高分，但不知如何将理论知识运用于工程实践的情况，这就造成了人才培养与企业需求的脱节。为了使人才培养契合新工科与专业认证的要求，近年来，在专业课程教学中，我们结合石油装备行业背景与机械制造企业需求，有针对性地在不同课程的各个学习阶段引入机械工程仿真软件，这对培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力起到了良好的促进作用。

一、虚拟仿真软件及其适用课程

随着计算机的普及及软件产业的发展，机械行业中所使用的虚拟仿真软件也日益丰富，几乎涵盖了从实体建模、运动学仿真、动力学仿真、强度及疲劳分析的所有机械设计的方方面面，相关软件种类繁多。由于在教学中难以逐一涉及各种软件，我们首先根据各类软件的特点和功能，将其加以分类，然后根据教学课程及实践环节性质，选择合适的软件进行示范和应用。

我们将上述软件分为三类。第一类为三维建模和运动仿真软件，比如SolidWorks、Pro/E、UG、Catia、CAXA等。上述软件具有强大的实体建模功能，其中大多数软件能够进行运动仿真和基本的动力仿真[7]。第二类为工程分析软件，包括Nastran、Abaqus、Ansys、CFX、Adams等。这些软件能够解决机械T程中的复杂结构的强度计算、流体力学计算或动力学仿真问题[8]。第三类为数值建模与分析软件，主要有Matlab、mathematica、Maple等。这类软件将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计等领域提供有效的数值计算工具[9]。

通过企业调研和资料调研，我们发现在机械研究、

设计或制造领域，上述各种软件均有较高的知名度和较大的客户群。在结合本专业的石油机械背景，通过对上述软件的易用性、石油相关行业接受程度等方面进行综合分析以后，我们在上述专业课程与实践教学环节的实施过程中引入SolidWorks、Ansvs、Adams和Matlab这4种软件，着力培养学生的创新能力与解决工程实际问题的能力。

二、虚拟仿真软件在教学中的应用

（-）SolidWorks软件的应用

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows环境开发的三维CAD系统，它主要包括机械零件三维设计、装配设计、动画和渲染、工程分析和钣金制作等模块，功能强大，已广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业[10]。本专业对SolidWorks的应用有一个逐步深入、由浅入深的过程。首先是在机械原理课程中，将该软件用于连杆机构、凸轮机构的建模与运动学仿真，在此过程中指导学生进一步建立和巩固运动副的概念。在讲解《轮系》这一章时，采用该软件建立轮系的模型并进行运动仿真，使学生掌握轮系的组成与工作原理。通过机械原理课程，让学生初步掌握SolidWorks的基本建模与运动仿真操作。

在机械制图、机械设计等课程中，传统的教学模式是“从二维到三维”，即先绘制二维图，再根据二维图绘制三维图，在这种教学模式中，三维软件仅用于建立模型和展示模型，而没有在结构设计中发挥应有的作用。我们在教学中向学生展示采用SolidWorks建立的轴系结构、减速器等实际机械设备，并展示虚拟装配和拆卸，使学生较为全面地了解SolidWorks的各种功能，并在机械设计课程设计、创新实践等课程中，根据设计计算数据和制造装配要求先建立三维模型，再生成二维图加以完善。通过这种方法使学生普遍接受了機械设计“由三维到二维”的新理念。在此基础上，我们通过组织学生参加全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛，进一步训练参赛学生熟练掌握该软件，为后续机械创新设计课程的学习以及全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国大学生机械创新设计大赛等学科竞赛打下坚实的基础。

（二）Ansys软件的应用

Ansvs是一款融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。该软件在机械设计制造、石油化工、核工业、铁道、航空航天、造船、轻工、日用家电等领域有着广泛的应用[1]。在各大型机械设计研发机构及制造企业，Ansvs是一款必备软件.其功能丰富，可求解的工程问题类型有：结构静力分析、结构动力分析、非线性分析、热分析、电磁场分析等。我们结合机械行业的特点，在教学中主要向学生介绍静力学分析模块和模态分析模块。

在材料力学课程的理论教学中，强度计算的传统教学方法是先推导书上的经验公式，再结合题目对这些经验公式加以应用。实际上，在现代机械研发过程中，重要结构件的强度计算都是需要通过工程软件验算的。因此，在材料力学教学中，对于杆系、简支梁等简单结构问题，首先由学生通过材料力学公式求出理论解，然后教他们通过Ansvs软件求出数值解，使学生基本掌握有限元分析问题的方法，进一步将理论解与Ansvs数值解相比较，分析两种结果的差异，这样有助于学生发现自己解题过程中的错误，初步掌握Ansys的网格划分技术，以及如何使约束施加接近工程实际。

在机械设计课程中，很多章节都涉及机构和零件在工作时所受的应力问题，如齿轮啮合、v带轮转动、螺栓预紧等。机械设计教材所介绍的公式只能计算结构的最大应力，而不能说明结构的应力分布状况。引导学生采用Ansys软件对上述结构进行应力分析后，可使学生深入了解Ansys软件在降低产品试制、试验成本及加快设计进度等方面的应用，并进一步掌握该软件的使用能力。

（_）Adams软件的应用

Adams是一套应用广泛的虚拟样机软件，在多体动力学分析方面具有强大的功能。用户可以运用该软件对虚拟机械系统进行静力學、运动学和动力学分析，预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等，从而帮助其深入了解机械系统的运动学和动力学特性。

我们主要在机械现代设计方法、工业机器人系统仿真与实践等课程中引入该软件。学生在学习SolidWorks软件的基础上，对工业机器人进行结构建模，并通过接口导人Adams仿真软件中，建立虚拟样机，运用动力学方程，并添加相应驱动，完成工业机器人的动力学仿真，验证机器人设计的可行性，为进一步进行机器人轨迹规划和控制奠定基础。此外，应用Adanls软件可很方便地建立各种质量一弹簧一阻尼系统模型，直观地显示各种振动系统的动态过程。在机械振动等课程中，应用该软件可加深学生对理论知识的理解，激发学生的学习兴趣，培养学生的数值模拟能力。

（四）Matlab软件的应用

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案[12]。Matlab现已成为大学教学和科研中最常用且必不可少的工具。

我们主要在机电控制类和机械优化设计等课程中引入Matlab软件，比如在学习机械控制工程这门课程的拉斯变换时，首先通过数学方法的详细推导得出结果，然后采用Matlab软件得出相同结果，使学生初步了解Matlah的强大功能与易用性，从而产生学习兴趣。学习系统响应分析时，我们在理论学习的基础上引入Matlab软件，通过SimulinkT具箱建立控制系统的各个环节，按硬件实验系统的方框图进行连接，输入各环节参数后就可进行仿真实验。与传统的硬件实验相比，Matlab仿真实验不受设备条件的限制，仿真结果精度高，对学生学习复杂机电控制系统数学模型的建立、系统动特性分析与经典的PID控制原理具有极大的启发与帮助作用。

三、教学效果

近年来，我校在机械大类专业的教学中应用上述虚拟仿真软件，收到了良好的教学效果。

首先体现在学生参加学科竞赛方面，在大学生程实训大赛、机械创新设计大赛等竞赛巾，一般需要制作实物或模型。如果仅在二维工程图的基础上制作零件并组装，通常出错的可能性较大，很可能出现零部件制造尺寸错误、装配干涉等现象，造成模型制作失败，重新制作将大大增加费用，并影响参赛进度。通过将仿真软件应用于方案验证、运动动力仿真和优化设计，可提高设计效率，便于对设计方案进行快速修改和优化，保证零部件制作和装配一次成功，既能节约时间和制作成本，义能提高竞赛成绩。

其次在本专业毕业设计巾，虚拟仿真软件得到了普遍应用。比如学生在进行油田游梁式抽油机设计时，首先进行四杆机构设计，推导机构运动学方程，用Matlab软件绘制悬点位移、速度和加速度曲线，然后采用Solicl-Works软件进行机构运动模拟，对比两种结果后判断公式推导是否正确;然后进行结构设计，采用SolidWorks建立抽油机零部件模型并进行模拟装配。在此基础上采用Ansvs软件对重要零部件进行强度校核，最后采用Adams软件进行抽油机动力仿真，验证所设计的抽油机的动力学性能和节能特性。通过这样一个方案设计、运动仿真、结构设计、强度分析、动力仿真的完整过程，较好地表现了机械产品技术开发流程，学生通过毕业设计的训练，提高了白身的毕业设计质量和设计能力。

四、结论

机械大类专业人才的培养离不开理论与工程实践相互结合、相互促进。在新T科建设和专业认证的背景下，结合机械行业计算机化和信息化发展趋势，在教学过程巾采用虚拟仿真软件，充分发挥现代化教学手段的优势，理论与实践并重，将有利于充分发挥学生在学习中的主体作用，贯彻基于产出导向的教学理念，激发学生的学习兴趣，引导学生开展研究性学习，培养创新意识，从而提高教学效果和质量，使毕业生达到认证标准规定的毕业要求。

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[责任编辑：庞丹丹]

[收稿时间] 2019-03-18

[基金项目]湖北省教学研究项目“基于虚拟仿真技术的机械类专业实验教学综合改革研究”（2014261），

[作者简介]华剑（1977-），男，江苏江都人，博士，教授，研究方向：石油装备。