肖 洋 劉海峰 李芳環(huán) 余 浩 李 娜

(武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

1 計(jì)算機(jī)圖解及仿真軟件概述

1.1 圖解類軟件

為了直觀準(zhǔn)確了解機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成(如連桿機(jī)構(gòu))以及零部件的型貌特征(如齒輪機(jī)構(gòu))，常見的圖解類機(jī)械原理軟件包括AutoCAD，Solidworks，Pro/e和Catia等。

其中，AutoCAD能夠精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)圖紙，通過樣條線和基本形變命令的繪制，輔以動(dòng)態(tài)/靜態(tài)參數(shù)的固定，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并且可以直接求出相關(guān)未知參數(shù)，在凸輪設(shè)計(jì)、連桿設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

三維作圖軟件能夠最貼切地反映機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，如通過Catia軟件構(gòu)造各類復(fù)雜齒輪結(jié)構(gòu)；亦可通過三維動(dòng)畫對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的作業(yè)過程進(jìn)行圖解化的描述，且能運(yùn)動(dòng)過程反映出系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷和不足，進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整和重規(guī)劃。

1.2 解析類軟件

為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用性能，對(duì)其機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析是必不可少的。隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提升和相關(guān)軟件的開發(fā)，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能夠通過Matlab，ADAMS，Delphi，ANSYS，DelCAM，RecurDyn以及國(guó)產(chǎn)的CAXA等仿真軟件進(jìn)行建模，分析機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)械組分所受力場(chǎng)和溫度環(huán)境的影響，從而提高設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的安全性、高效性和穩(wěn)定性。

Matlab是最為常用的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件之一。Matlab能針對(duì)機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矩陣分析，通過編程求解得到仿真的運(yùn)動(dòng)曲線，通過直觀的圖形輸出能力實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)規(guī)律的嚴(yán)謹(jǐn)再現(xiàn)，并以此推導(dǎo)出相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如運(yùn)動(dòng)角速度，位移量，加速度等)[1]。相較于Matlab，ADAMS建模仿真軟件則更加具有專業(yè)性。ADMAS提供了豐富的機(jī)械構(gòu)件動(dòng)力學(xué)模型，能夠讓工程師直觀地添加機(jī)械系統(tǒng)所需要的常用構(gòu)件，通過對(duì)相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的外部輸入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的求解，ADMAS減小了編程量和調(diào)試時(shí)間，且其模型具有一般性，能夠快速對(duì)所需參量進(jìn)行求導(dǎo)。近年來，隨著人們對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析需求的提升，如RecurDyn等基于遞歸算法的動(dòng)力學(xué)模擬軟件應(yīng)運(yùn)而生，該算法結(jié)合了相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論，借助獨(dú)特的柔體分析，能夠以更高的運(yùn)動(dòng)分辨率實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性運(yùn)動(dòng)方程的求解，在大型機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)中取得了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)[2]。

2 圖解及仿真軟件的應(yīng)用

2.1 教學(xué)應(yīng)用

機(jī)械原理課程是機(jī)械大類專業(yè)的必修科目，近年來不少高校開通了計(jì)算機(jī)機(jī)械仿真模擬的相關(guān)課程，即Computer Aided Instruction(CAI，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué))，打破了傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)度緩慢、直觀性不強(qiáng)、精確度不足的壁壘，針對(duì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)如漸開線、棘輪、槽輪、連桿等平面和空間構(gòu)建，CAI教學(xué)法能夠快速形象地生成相關(guān)模型、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和參數(shù)輸入/導(dǎo)出，對(duì)構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副的形貌、相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分析，極大提高了課堂教學(xué)的效率和學(xué)生的形象化理解能力，且能夠以作業(yè)設(shè)計(jì)的形式讓學(xué)生自行建模仿真，促進(jìn)其在設(shè)計(jì)過程中加深對(duì)各類機(jī)械原理的理解，激發(fā)其創(chuàng)新能力[3]。

2.2 工業(yè)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

不同于理論教學(xué)，工業(yè)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中對(duì)于建模軟件的可靠性、規(guī)范性、精確度和速度都有著更為嚴(yán)苛的要求。如ADAMS、ANSYS等軟件能夠針對(duì)大型機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力、環(huán)境因素進(jìn)行模擬分析，在建筑工程、橋梁工程的開發(fā)設(shè)計(jì)中已取得了廣泛的應(yīng)用。在對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)精密化要求較高的數(shù)控機(jī)床軟件開發(fā)中，DelCAM，Pro/E等CAM軟件能夠綜合融入影響加工精度的變量，提供科學(xué)合理且結(jié)果可控的仿真分析和虛擬加工，在最低損耗的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確化設(shè)計(jì)。

在工業(yè)化設(shè)計(jì)中，仿真軟件對(duì)于系統(tǒng)建模、動(dòng)力學(xué)分析、環(huán)境變量分析和精確制造等機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的作用，節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)和時(shí)間成本，確保了所產(chǎn)出機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行壽命和操作精度。

3 總結(jié)

現(xiàn)代化機(jī)械原理的應(yīng)用離不開計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件的輔助，我國(guó)于此領(lǐng)域在教學(xué)和工業(yè)化的應(yīng)用已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，然而缺乏國(guó)產(chǎn)的規(guī)范化建模軟件、缺少相關(guān)專業(yè)高素質(zhì)人才等問題亦亟待解決，然而通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的一體化形式，促進(jìn)理論和時(shí)間的深度結(jié)合，必然能夠在預(yù)期取得理想的結(jié)果。