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摘要：本文针对目前机械设计基础课程教学过程中面临的问题，探索虚拟样机技术在开展机械设计基础课程教学活动中的应用。以四杆机构和行星轮系为例，介绍了运用虚拟样机软件进行机构三维实体建模和运动学仿真分析过程，加深学生对教材知识点的理解，培养学生的学习兴趣。
关键词：虚拟样机；三维建模；运动仿真
本文引用格式：胡亮.虚拟样机技术在机械设计基础教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(51):161-162,169.
一 机械设计基础课程简介
机械设计基础是面向非机械专业学生开设的一门技术基础课程，比基础课更接近工程实际，比专业课有更广的研究面和更广的适应性，在基础课和专业课之间起到承上启下的作用[1]。根据教学大纲的要求，机械设计基础课程教学内容大体包含机械设计和机械原理两部分，旨在通过本课程的学习使学生了解机械设计的一般过程，掌握常用机构的结构、工作原理、运动特性及动力学的基本知识和理论，初步具有分析选用及维护机械装置的能力以及运用标准和设计手册等有关技术资料设计通用机械的能力和解决复杂工程问题的能力，为现有机械的合理使用和革新改造及机械产品的创新设计奠定良好基础。
目前机械设计基础课程教学面临学时有限，教学内容广泛，教学任务繁重的难题。同时，由于非机械专业学生相关课程背景知识储备不足，部分学生通过机构原理图想象机构空间模型、分析各构件空间相对运动关系能力欠缺，加上课程教学进度快，导致学生对部分关键知识点的理解不充分，学习困难，使学生对该门课程的学习失去信心。教师在如何激发学生的创新潜能，培养学生学习兴趣，提高课程教学效果方面做了很多探索，形成了很多理论和实践成果[2,3]。
二 虚拟样机在机械设计基础课程教学中的应用实例
虚拟样机技术是随着当代科学飞速发展在设计领域新兴的一种计算机辅助工程技术，可有效提高研发效率、降低研发成本。一些学者将虚拟样机技术引入到机械设计相关课程教学过程中，并取得了良好效果[4-6]。本文通过实例探索虚拟样机技术在机械设计基础课程教学中的应用，提高学生的学习兴趣和热情。
（一）四杆机构运动学分析
四杆机构在机械产品中应用十分广泛，通过合理设计组成各杆的相对长度和连杆的形状，即可实现预期功能。图1所示颚式破碎机的主体部分采用四杆机构形式，其功能是实现大块矿石的破碎。已知颚式破碎机机构运动简图中各构件的尺寸为：LAB=20cm，LBC=150cm，LCD=70cm，LAD=140cm。原动件2以角速度360deg/s，通过ADAMS软件建立机构模型，分析其运动学特性。
根据已知条件，采用ADAMS软件创建机构各个构件，并进行装配。根据构件之间的相对运动关系，添加约束。构件1为机架，在A、B、C、D四个关键位置分别为构件1与构件2、构件2与构件3、构件3与构件4、构件5与构件1添加转动副。构件2为原动件，为构件2创建一个旋转驱动，转速为360deg/s。建立虚拟样机模型如图2所示。
行星轮系各齿轮参数如表1所示。在Pro/E软件中建立行星齿轮系统各构件三维模型，并进行装配。将装配体导入到ADAMS软件中，固定齿圈，根据各构件之间的相对运动关系，添加运动副。需要注意的是，为了体现时变啮合刚度对系统响应的影响，在齿轮与齿轮之间定义接触。行星轮系通过太阳轮输入，行星架输出，在太阳轮上添加旋转驱动，转速为3600deg/s，建立行星轮系虚拟样机模型如图4所示。
点击仿真工具按钮，设置仿真时间Time=5s（原动件转动5圈），仿真步数Steps=5000，进行动力学仿真分析。仿真结束后，点击后处理按钮进行仿真结果分析。图3为构件4的速度和加速度变化曲线，从图中可以看出构件4的速度和加速度响应周期变化，周期为1s，对应构件2的转动频率。加速度最大位置出现在构件4的两个极限位置，即构件4速度为零的时刻。利用软件自带的统计分析功能，计算得到去程的平均速度为75deg/s，回程的平均速度为83deg/s，通过图表可证明该铰链四杆机构具有急回特性。
点击仿真工具按钮，设置仿真时间Time=5s（原动件转动50圈），仿真步数Steps=50000，进行动力学仿真分析。图5为行星架角速度仿真结果，均值为600.05deg/s。根据表1参数计算行星轮系的传动比为6，行星架的理论值为600deg/s，仿真误差为0.008%。
（二）行星齿轮传动系统运动学仿真
行星齿轮传动具有传动比大、结构紧凑、承载能力强等特点，在大型复杂机械装备中应用广泛。结合Pro/E强大的三维建模能力和ADAMS在机构动力学分析方面的优势，进行行星齿轮传动系统运动学仿真。
三 结束语
本文研究将虚拟样机技术引入到机械设计基础课程的教学过程中。借助虚拟样机软件，将二维机构图转化为三维模型，通过仿真分析对教材中机构的原理和特点进行验证，加深学生对教材知识点的理解，培养学生的学习兴趣。
参考文献
[1]汤晓明,潘晓红.“目标引导,任务驱动”下的课程设计与专业课教学同步的教改尝试——以机械设计基础课程为例[J].大学教育,2019(01):58-60.
[2]吴军,王涛,唐杰.《机械设计基础》课程实施案例教学法的探索[J].教育现代化,2018,5(44):167-169.
[3]陈玲萍,范冬英,王先安.ADAMS软件在《机械设计基础》课程教学中的应用[J].计算机产品与流通,2019(01):249-250.
[4]贾先,李文汉,雷鸿春,等.将Adams引入机械设计基础实践教学[J].科技创新导报,2018,15(16):218-220.
[5]黄小龙.虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育,2013(04):102-103+109.
[6]程磊,刘勇军,胡乾坤.CAXA三维实体设计在机械设计基础教学中的运用探索[J].黑龙江科学,2018,9(23):4-6.
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