基于ADAMS在“机械原理”教学中的应用研究

肖启明 钱利霞

（重庆三峡学院机械工程学院，重庆万州 404100）

基于ADAMS在“机械原理”教学中的应用研究

肖启明 钱利霞

（重庆三峡学院机械工程学院，重庆万州 404100）

借助ADAMS多体动力学软件分析了其在机械原理教学中的应用研究．针对传统教学方法在机械原理课程中的问题，将ADAMS软件引入到课程教学中，补充了传统教学的不足，为学生展现了机械机构的构成、运动副、机械动力学及机械结构优化设计等方面的内容．该方法扩宽了教学方法，提升了教学效果．

ADAMS;机械原理；教学改革

1 引 言

机械原理作为我国高等学校工科机械工程类本科生必修的机械设计系列课程之一，涵盖了机械结构分析、机械的运动分析、机器动力学、常用机构的分析与设计和机械系统的方案设计[1]．机械工业是国家综合国力发展的基石．为满足各行各业的需求，就需要创造出越来越多的新产品，机械原理课程在培养机械方面的创作型人才中将起到重要的作用．

在机械原理教学中，机构的运动分析方法很多，主要有图解法和解析法．图解法能够获取机构某一个或者特定位置的运动特性．图解法作图过程复杂，特别是在结构复杂的机构的分析中．同时其求解的精度较低，不能表征机构在整个运动循环过程中的运动特性．解析法分析中，应首先建立机构的位置方程式，将位置方程式求导，分别求出机构的速度和加速度方程，进而求解出相关的位移、速度及加速度，完成机构的运动分析．解析法中最常见的方法有复数矢量法和矩阵法．由于机械结构的多样性和复杂性，解析法的推导过程及相应的计算程序的编制将会变得比较复杂．在一定程度上不利于该方法的推广．在实际的教学中，主要以以上两种方法为手段，在某些程度上影响到了课程的教学效果以及学生对知识的认知度和积极性．在机器动力学，常用机构分析与设计中虽然现有的教学模具能展现其运动过程，但是无法用数值的方式给以表示，存在一定的局限性．

本文针对传统教学方法在机械原理课程中问题，将ADAMS软件引入到课程教学中，补充了传统教学的不足．为学生展现了机械机构的构成、机械动力学及机械结构优化设计等方面的内容．将机构的运动相关过程以数值和动画的方式呈现给学生．该方法扩宽了教学方法，提升了教学效果．

2 ADAMS在机械原理教学应用

2.1 ADAMS软件介绍

机械系统动力学自动分析软件ADAMS是美国MDI公司的产品．ADAMS是世界上应用应用最广泛且最有权威性的机械系统动力学仿真分析软件[2]．ADAMS能快速的建立机械系统的几何模型，完成相应的动力学分析．同时能在产品的概念设计、细节设计、设计验证、设计规划等过程中发挥重要的作用．ADAMS软件在机械系统仿真分析中具有强大的功能和优点[2]．

（1）良好的交互式图像环境，完成零件、约束、力库建立机械系统三维模型．

（2）分析类型涵盖了动力学、静力学和准静力学分析，线性和非线性动力学分析，刚性和柔性体分析．

（3）先进的数值分析技术和强有力的求解器，使得求解快速准确．

（4）ADAMS软件与各类CAD/CAE软件有着良好的接口关系．能将有限元模型传递到ADAMS中，进行机械结构的耦合仿真分析．

（5）良好的图像输出．分析结果能以曲线，图表，动画的形式输出．

2.2 ADAMS在机械原理中的应用基础

ADAMS作为机械系统动力学分析的优秀软件，在将软件引入到机械原理的教学的过程中，任课老师必须有着充分的前期准备．利用现有的网络资料和图书馆数字化资源，完成软件的前期辅助性教学工作．充分发挥学生学习的自主性和能动性，使学生在软件的基本操作，分析流程上有清楚认识，为软件在机械原理教学中的实际应用做好准备．

3 ADAMS在机械原理教学中实际应用

在机械原理的教学过程中，针对复杂机械结构的运动分析，一直以来都是教学的一个难点．本文将以实际的工程案例为例子，介绍ADAMS在机械原理教学中的运用．机械结构中的移动副，转动副，机械结构分析中的双曲柄机构，自由度的计算等将得到充分的体现．

3.1 实际案例介绍

在轧制生产线中，剪切机作为重要的设备，主要用于对轧件进行切头、切尾工作．IHI摆式飞剪一直以来都是轧制生产线中动剪切重要设备．它能在运动的过程中同时完成水平与直垂方向的剪切运动．其基本结构如下图1所示．本文将以该机构为具体案例，分析说明ADAMS在机械原理教学中的应用．该机构为一个具有三个自由度的十四杆机构．通过调整主动件COH杆，13、14号杆[3]的转速的配置，得到不同的空切数．

3.2 机械结构模型的建立

IHI摆式飞剪机构的原始参数[4]如下：

图1 IHI摆式飞剪简图

依据结构的原始参数，假设机构的初始位置为： H点位于y轴负最下方，J点和K点在y轴最上方，即

在ADAMS软件中利用其杆组建模功能建立相应杆件，依据杆件之间的相互关系，加载相应的运动副．同时给以结构原动件相应的驱动，建立完善的IHI摆式飞剪的虚拟机械结构模型，如图2所示．

图2 ADAMS虚拟模型

利用ADAMS软件自身的机构检验功能，对模型的自由度进行验证，如图3所示．施加3个驱动后，虚拟模型的自由度为0，模型正确．

图3 模型验证

3.3 机械结构模型运动分析

取倍尺系数为1和2，对模型进行动力学特性分析．在ADAMS软件的后处理中，提取上下剪切刃的X，Y方向的运动轨迹，以时间为参照，得到上下剪刃运动轨迹曲线图、上下剪刃水平和垂直方向速度变化曲线图如图4，图5所示．

图4 上下剪刃速度曲线(a)k=1；(b)k=2

图5 上下剪刃速度轨迹图(a)k=1；(b)k=2

利用ADAMS软件进行运动仿真分析，输出具有机械运动过程的动画以及相应的运动速度和运动轨迹图，真实的再现了机构的运动过程．

3.4 ADAMS在机械原理教学中的提升

以ADAMS的运用为基础，利用其良好的交互式图像环境、快速的求解、形象生动的后处理等特点来升级机械原理的教学课件，提升教学效果．

4 结 论

将ADAMS多体动力学分析软件引入到机械原理的教学过程中，以IHI摆式飞剪的结构运动分析为实例进行分析教学．能真实的再现反应机构的运动情况，特别是复杂结构．在一定程度上扩充了教学方法，提升了教学效果．同时能激发学生的兴趣，利用计算机辅助软件去解决实际的问题．实现了机械教学方法的创新，为机械其他专业课的教学改革提供了指导．

[1]孙恒.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[3]黄真.IHI摆式飞剪运动分析的解析法[J].重型机械，1973（3）：39-47，67.

[4]李琴.IHI摆式飞剪偏心距及倍切系数对工作噪音的影响[J].吉首大学学报：自然科学版，2011（3）：70-73.

（责任编辑：郑宗荣）

A Research on the Application of ADAMS in the Mechanical Principle Teaching

XIAO Qiming QIAN Lixia
(Mechanical Engineering College, Chongqing Three Gorges University, Wanzhou, Chongqing 400410)

This paper aims to analyze the application of multi-body dynamics software ADAMS in the Mechanical Principle teaching. Aiming to solve the problems of the traditional teaching method of Mechanical Principle course, the ADAMS software is introduced to the teaching to remove the defects of the traditional teaching, and the new method can demonstrate the makeup of mechanical structure, kinematic pair, mechanical dynamics and the optimization of structural design for students. This method diversifies teaching method and has better teaching effects.

ADAMS; Mechanical Principle; teaching reform

G642.1

A

1009-8135（2015）03-0128-03

2015-01-25

肖启明（1981-），男，湖北人，重庆三峡学院讲师，博士研究生，主要研究机械设计与理论．

重庆三峡学院青年教师项目资助（13QN21）阶段性成果