基于ADAMS的“机械系统动力学及仿真”课程教学实践

基于ADAMS的“机械系统动力学及仿真”课程教学实践

虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的产品设计理念。一方面，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟样机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能；另一方面，传统的产品设计方法是一个串行过程，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费；而运用虚拟样机技术可以快速地建立包括机械结构系统、驱动系统、过程控制系统等在内的虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把虚拟样机系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。[3]

为使学生了解和掌握一些基于虚拟样机技术的产品设计新理念和新工具，武汉科技大学（以下简称“我校”）从2022年开始，在机械工程及自动化专业的全体本科生中开设了“机械系统动力学及仿真”选修课程。经过5年的教学实践，该课程的教学目的、内容、方式基本明确下来，本文即是对5年教学探索的简要总结。

一、教学目的和开设时机

通过本课程的学习，学生能够对机械系统动力学建模与分析具有明确的基本概念，具有必要的专业基础知识、一定的机械系统动力学建模能力和分析计算能力，同时掌握机械系统虚拟样机软件ADAMS/VieS/VieS/VieS/VieS和DADS都是采用这种建模方法。在系统类型方面，由于学时限制，主要讲授平面系统笛卡儿坐标运动学和动力学，其中尤以常见运动副约束建模和运动学方程组的自动组集为重点。机械系统各构件相对运动的形式是由相应运动副的约束性质确定的，这是机械系统区别于其他系统（如机械结构）的本质特征。

在虚拟样机软件ADAMS/VieS/View函数与载荷施加、机构参数化建模与优化为重点。其中的难点内容是在冗余约束系统中如何用一定量的基本副替代低副来消除冗余

约束。实际机械系统为增加系统刚性、减轻构件质量常常设计了冗余约束，选择哪几个低副，且用什么样的基本副替代，这依赖于用户对一个具体的复杂系统中构件之间的运动关系和每个基本副约束自由度的特性有正确的理解，否则很难正确地消除过约束。这是决定学生能否正确使用ADAMS/VieS/VieS/View软件的基本功能融入到虚拟样机的建模及仿真计算过程中讲授，不仅提高了学生的学习兴趣和热情，还积极引导了学生学以致用。鼓励学生把手提电脑带到课堂上来，教师用自己的手提电脑现场演示软件的操作过程，学生可以在各自的手提电脑上同步操作，操作使用中的各种问题课上课下可及时提出和迅速解答。这种交互式的动态教学方法，充分调动学生学习的积极性、主动性，优化了课堂教学过程，提高了学习效率。软件操作部分除课堂教学外还精心设计了与重点难点内容紧密结合的上机实验，以期通过独立的软件操作加深学生对关键内容的理解和掌握，并通过教师在学院CAD室进行现场上机答疑予以监督和保障。

教学考核不再以试卷考试作为唯一方式，考核形式多样化。单纯的试卷考试较片面，不能真实检验学生对课程内容的掌握深度和应用能力；实践中采用课后作业、课程考试、上机测试和提问测试相结合的方式，综合考察学生对课程内容的掌握水平。

四、结束语

“机械系统动力学及仿真”教学实践是一个不断突出“实践性”的过程。人类的创造性活动离不开实践，只有当人们在实践中提出问题、解决问题，才会产生新的认识和升华，创造力随之提升，这种从知识到能力的飞跃蕴藏在“实践”教学手段中。由于各种条件的限制，机械专业学生的“动手环节”常常受到制约。虚拟样机技术只需要借助计算机就可完成“动手环节”，并且学生在软件应用中可以反复尝试、反复修改、大胆创新，给学生插上了“多动手”、“巧动手”的翅膀，受到了学生的欢迎。[10]本课程为我校机械学院部分学生在全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等赛事中取得好成绩，提供了有力的支持。

随着科学技术的快速发展，传统的单学科工程分析方法在准确模拟产品的真实性能方面的局限性越来越突出，多学科耦合和集成的工程分析方法可以有效解决这种局限性带来的问题，正在成为CAE行业发展的必然趋势。MSC.SoftS 2022之后推出了MD ADAMS（MD，Multi-Discipline多学科），它是适应多学科仿真市场需求应运而生的新一代虚拟样机技术，对本课程授课教师自身的理论基础、相关软件的操作技能和应用水平提出了更高的要求。另外，如何用简洁、生动的语言，把数量多而冗长的多体动力学模型数学公式用学生易于理解的方式讲解出来，仍然是本课程授课教师需要深入思考和不断提高教学水平的努力方向。