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摘要：为了增加教学直观性和丰富教学内容，将ADAMS虚拟仿真技术应用于理论力学教学中。利用ADAMS强大的可视化技术，建立理论力学教程中典型问题的虚拟实验数据库。通过静力学、运动学以及动力学三个具体例子，说明了ADAMS虚拟仿真技术能够使教学更加直观生动，并与理论知识进行相互验证，增强学生对力学知识的理解，培养学生的学习兴趣和仿真模拟能力，有利于提高教学质量。
关键词：ADAMS；理论力学教学；可视化
本文引用格式：谭邹卿，等.ADAMS仿真技术在理论力学教学中的实践与探索[J].教育现代化,2019,6(96):195-197,216.
Exploration and Practice of ADAMs simulation Technology in Theoretical Mechanics Teaching
TAN Zou-qing1,2，JIANG Xue-dong1,2，HE Yun-song1,2，BAN Shu-hao1,2，XI Ren-qiang1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Changzhou University,Changzhou,Jiangsu,China；2.Huaide College,Changzhou University,JingJiang,Jiangsu,China)
Abstract:In order to increase the teaching intuition and to enrich the teaching content,ADAMs is applied to the teaching of theoretical mechanics.Using the powerful visualization technology of ADAMs,a virtual experimental database about typical problems of theoretical mechanics is established.According to ADAMs,three specific examples of the statics,kinematics and dynamics are analyzed to illustrate teaching more intuitive and vivid,and to verify theory in textbook.It is helpful to enhance the students’understanding of the mechanics knowledge,and cultivate the students’learning interest and simulation ability,and improve teaching quality.
Key words:ADAMs;Teaching of theoretical mechanics;visualization
一 引言
理论力学是许多工科专业如机械、车辆工程、材料成型等的技术基础课程，将为后续课程如材料力学、机械原理等的学习打下重要基础。但理论力学的内容较多，一些概念比较抽象，且习题类型繁多；另外，理论力学严谨的数学推理对数学基础要求较高。因此，传统板书式的教学方式会让学生觉得理论过于抽象、习题无从下手。随着虚拟仿真技术的快速发展，构建实验教学平台已成为理论力学教学改革与实践的关注点之一[1-3]。例如，长江大学的侯作富等[4]采用3dmax制作了理论力学多媒体课件动画，丰富了教学内容；河海大学的尚作萍等[1]利用Director软件构建了理论力学实验教学平台，改善了实验教学环境；北京理工大学的尚玫和梅凤翔[5]、华东理工大学的阚文彬等[6]、以及重庆工商大学的敖文刚等[7]基于MATLAB在理论力学可视化教学方面进行了有益的探索。由此可见，虚拟仿真技术在理论力学教学中具有广泛的应用。然而，这些虚拟仿真软件在力学教学中或多或少存在一些不足。例如，3dmax是基于三维动画渲染和制作软件，不利于机械等工科专业后续课程的学习，难以锻炼学生产品开发的设计能力；MATLAB虽能提高学生对理论力学的感性认识和数值计算能力，但实际上对学生提出了更高的要求，学生既要具有良好的理论功底，又要掌握计算机编程能力，从而增加了学生学习理论力学的难度。因此，寻找一种简便且实用的虚拟仿真工具，成为了常州大学力学教研团队探索与实践理论力学教学改革的出发点。
ADAMS以其公认的优越性被越来越多的工程技术人员和科研人员所使用，广泛地应用在工程机械、汽车制造业、船舶业、航空航天等领域，对提高产品设计与开发水平起到了重要作用，取得了显著的成绩[8-10]。目前，不少高校将其作为构建虚拟实验室的工具[11]。北京航空航天大学的王江云利用ADAMS和MATLAB进行机电系统一体化的建模与仿真实验[12]。西南科技大学的于春梅等开发了关于自动控制理论课程的实验平台[10]。天津理工大学的李彬和魏璇针对机电控制实验课程搭建了3-RRRT并联机器人的虚拟样机[13]。但基于ADAMS虚拟仿真技术在理论力学教学还未被广泛使用[14,15]。
本文将ADAMS虚拟仿真技术引入到理论力学课程中，构建理论力学虚拟实验数据库，给出了实验数据库的设计步骤，并以静力学、运动学以及动力学三个典型问题为例，阐述了理论力学教学过程中引入ADAMS虚拟仿真模拟的优越性和必要性，有利于加深教学直观性和应用性，增加学生学习理论力学的兴趣，培养学生的工程意识，并为后续课程学习、毕业设计以及就业等提供仿真方法。
二 虚拟实验数据库的构建
数据库的构建是理论力学实验平台的基础。本教研团队将从哈工大版理论力学教材中挑选典型的力学问题作为仿真对象，一方面是哈工大版理论力学教材在兄弟院校被广泛使用，具有较强的适用性和通用性，另一方面是其内容丰富，例题较多，知识面覆盖也很全面。虚拟实验数据库的建立步骤如下。
（一）创建几何模型
几何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步。由于理论力学教材所涉及的几何模型相对简单，直接由ADAMS自带的零件构建几何模型，并不需要采用SolidWorks、Pro/E、CATIA等软件导入几何模型，常用有连杆（模拟刚性杆）、长方体（模拟滑块）、球体（模拟小球）、弹簧阻尼器（模拟弹簧）等组成。
（二）施加约束
几何模型建立之后，需要添加相应的约束。在理论力学中常见的约束类型有：接触表面、柔索、光滑铰链、滚动支座、球铰链、止推轴承、固定端等，利用ADAMS的理想铰链、基本铰链、特殊约束等就可完成对这些约束的模拟。
（三）施加驱动
要使得物体或物体系有约束力或开始运动，就需要施加相应的广义力（力或力偶等）或广义运动（线速度或角速度等），利用ADAMS的力驱动和运动驱动可实现该功能。
（四）仿真和后处理
当模型创建完毕后，可以进行仿真。利用ADAMS强大的后处理技术显示计算结果，如图片、图表、动画等。针对理论力学各知识点构建相应的仿真结果。
（五）对比验证
充分利用上一步的仿真图片、图表、动画等，将理论力学的解析解与仿真结果进行对比，从而将抽象理论具体化形象化，便于学生理解和掌握。
三 虚拟实验范例
（一）ADAMS虚拟实验在静力学教学中的应用实例
平面简单桁架如图1所示[16]。在节点D处作用一铅垂集中力F=10kN。求桁架中CD杆件所受的力。
首先利用ADAMS仿真模型的常用模块，图2建立了平面桁架的仿真模型。然后利用ADAMS后处理工具快速地给出仿真结果，如图3所示：FCD=10kN，与理论解[16]完全一致，说明了ADAMS进行静力学分析的正确性。
（二）ADAMS虚拟实验在运动学教学中的应用实例
在平面机构中如图4所示[16]，曲柄OA长100mm，以角速度w=2rad/s转动。梁杆AB带动摇杆CD，并拖动轮E沿水平面滚动。已知CD=3CB，图示位置时A，B，E三点恰在一水平线上，且CD ED。求此瞬时点E的速度。
图5给出了平面机构的仿真模型。图6显示了点E的速度随时间变化的仿真结果，由图可知，初始时刻点E的速度vE=0.8m/s，与理论解[16]完全一致，说明该方法可解决复杂运动学问题。此外，利用生动的动画将点E的速度形象地展示给学生，从而将抽象的理论形象化、具体化，增加了学生更浓厚的学习兴趣。
（三）ADAMS虚拟实验在动力学教学中的应用实例
图7给出了动力学常见的滑块单摆系统实例[16,17]：滑块A的质量为m，可以在水平光滑面上运动，具有刚度系数为k的弹簧一端与滑块相连接，另一端固定。均质杆AB长度为l，质量为m1，在铅垂平面内可绕点A旋转。当杆AB与铅垂方向成夹角时自由释放，求滑块A的运动。
图8所示滑块单摆系统的仿真模型。图9给出了滑块A的位置随时间变化结果(k=200N/m，m1=5kg，m=1kg，l=1m，=60°)。该结果可由系统运动的Hamilton方程所证实[5,17]，然而对学生来说求解运动微分方程较为困难。因此，利用ADAMS强大的仿真能力容易直观地显示复杂动力学结果，有助于学生对抽象问题的分析和研究。
综上所示，ADAMS能够求解理论力学的各种问题，只要建立正确的仿真模型，ADAMS都可以给出相当精确的结果，还可快速地显示结果（如图形、动画等），从而让学生对理论力学知识有非常直观的感性认识。此外，借助ADAMS强大的仿真能力，对学生参加设计大赛乃至工作也大有益处。
四 结论
在理论力学教学中引入ADAMS仿真技术，利用其强大的仿真能力，构建静力学、运动学以及动力学典型问题的虚拟实验数据库，为学生学习理论力学课程提供演示，使得抽象的力学概念和现象更加直观生动，丰富了课堂教学内容。将理论解与ADAMS仿真结果进行对比的教学过程，有效地将力学的理论知识与仿真工具相结合，有助于激发学生的学习兴趣，提高教学质量，能够提升工科学生的就业竞争力。
参考文献
[1]尚作萍,杜成斌,张宏兵,等.虚拟现实技术在理论力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2007,24(10):297-299.
[2]李丽君,许英姿.CAE软件在力学教学与实践中的应用[J].实验技术与管理,2010,27(10):113-115.
[3]汤可可,王华宁.以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索[J].力学与实践,2017,39(1):68-70.
[4]侯作富,胡述龙,张新红.理论力学教学改革研究尝试[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2006,7(4):133-134.
[5]尚玫,梅凤翔.理论力学可视化教学与Matlab/Simulink[J].力学与实践,2010,32(1):72-76.
[6]阚文彬,李彤,叶纯杰.MATLAB在运动学中的应用[J].力学与实践,2010,32(3):118-120.
[7]敖文刚,李勤,王歆.基于Matlab的理论力学计算机辅助教学[J].力学与实践,2013,35(1):83-86.
[8]蔡书平,陈丽.基于ADAMS软件的机器人动作设计与仿真实验研究[J].实验技术与管理,2011,28(11):79-81.
[9]范钧.ADAMS在重载汽车驾驶室振动分析和结构评价中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(6):74-76.
[10]于春梅,易奎,侯惠让,等.基于虚拟样机技术的控制系统实验平台开发[J].实验技术与管理,2014,31(2):82-84.
[11]张立松,闫相祯,杨秀娟,等.虚拟仿真技术在复杂工程力学问题实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(9):102-105.
[12]王江云.机电系统一体化建模与仿真实验课程建设[J].电气电子教学学报,2009,31(增刊2):53-55.
[13]李彬,魏璇.虚拟样机技术在机电控制实验中的应用[J].实验室科学,2008,(4):80-81.
[14]郑红.论Adams在运动学中的应用[J].才智,2012,(28):67.
[15]郑红.Adams在理论力学中的应用[J].才智,2012,(25):69.
[16]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学(I)第8版[M].北京:高等教育出版社,2016.
[17]王振发.分析力学[M].北京:科学出版社,2002.
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