计算机辅助工程课程教学方法改革探讨.pdf

新疆农机化圆园24 年第 2 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2024.02.018中图分类号:G642.0文献标识码:A0 引言目前，课程改革在不同的课程教学中被广泛提及，就是将传统的学习方式转变为现代学习方式，比如将学生的被动依赖性转变为主动独立性，简而言之，就是一切为了学生的发展。这句话中的“一切”含义深刻，不能简单地理解为教师可以替代学生的一切或者学生的一切行为都要在教师的指示下进行。“一切”是指学校所有的教育教学方法的制定与运用都要以学生为中心。要以学生自身的发展为中心，所有的教育教学都要有利于学生的终身发展，保证在学生离开学校走入社会的时候具备社会所需要的一些能力，包括自主学习能力、团队协作能力、创新发展能力以及独立生存能力。课程教学方法改革需要实行几大转变，（1）要改变传统课程只注重教师教授课程的影响，强调学生自我主动学习的态度；（2）要改变传统课程内容中书本知识的繁重感，加强课程内容与社会发展相结合；（3）改变传统课程中强调的死记硬背、机械式学习和被动学习的状态，提倡学生主动参与学习、自主学习，在学习中能够独立发现问题解决问题；（4）改变传统课程中对教学评价的选拔功能，同时促进学生自我发展和教师自我提升来改进教学实践功能。1 计算机辅助工程课程计算机辅助工程（CAE）作为一门机械工程类专业课程已经在各个高校的机电类专业中普及，开设本课程的目的是让学生熟悉并掌握相关知识，这与学生的后续毕业设计研究和求职息息相关，因此该课程的重要性非常突出。在计算机辅助工程中除了一些基本的理论知识外，最重要的是要学会使用机械动力学仿真软件 ADAMS，ADAMS 是目前使用最多的一款机械系统仿真分析软件，包含了建模、仿真以及分析等较为全面的应用环境，能够对目前的一些机械系统进行动力学和静力学仿真分析，研究机械系统的整体工作性能。由于 ADAMS 自身具备建模功能，因此可以与一些常规的三维建模软件配合，即将建立好的 CAD 模型直接文章编号院1007-7782渊2024冤02-0061-04计算机辅助工程课程教学方法改革探讨商锦萍（武汉生物工程学院，湖北 武汉 430415）摘 要院本文分析了目前计算机辅助工程（CAE）课堂教学中存在的一些问题，提出了采用相关案例讲解与自主学习相结合的教学模式来开展教学，具体探索ADAMS软件在课程教学改革中的应用。教学实践证明，在计算机辅助工程课堂采用案例讲解教学模式能有效增强学生的学习兴趣，培养学生独立解决问题的能力，让学生形成自主探索和创新的习惯，经实践具有良好的教学效果。关键词院CAE；教学改革Discussiononthereformofteachingmethodsincomputer-aidedengineeringcourseShang Jinping渊Wuhan University ofBioengineering,Wuhan,430415,hubei,China)Abstract:In this paper,some problems existing in the current computer-aided engineering(CAE)classroom teaching were an-alyzed,the teaching mode of combination of the explanation of relevant case and with independent learning was put forward,specifically explored the application of ADAMS software in the teaching reform of the course.The teaching practice has provedthat through application of case teaching mode in computer-aided engineering classroom can effectively enhance students inter-est in learning,cultivate students ability to solve problems independently,and let students form the habit of independent explo-ration and innovation.This teaching mode has been practically shown to have a good teaching effect.Key words:CAE;Teaching reform修回日期院2023-12-14窑 教育培训 窑61援援新疆农机化圆园24 年第 2 期导入 ADAMS 中，简单方便。机电类专业计算机辅助工程课程教学内容主要包括多体系统动力学1基本理论和 ADAMS 软件的具体操作等。由于多体系统动力学基本理论知识繁多，而ADAMS 软件又是由多种模块相互组合而成，各种指令复杂多变相互结合，学生掌握难度大。在传统的课程中一般是先对多体系统动力学基础知识进行讲解，然后再对 ADAMS 中的各种概念和相应指令一一介绍，最后再进行整体的仿真分析。在这种教学模式下，学生在未完全理解理论知识的情况下就开始学习软件应用，无法将理论与实践相结合，消耗了学生的学习兴趣，教学效果与教学初衷相违背。经过多次教学研究发现，传统的教学模式只是对知识的简单概述，学生对知识点的掌握深度不够，无法达到学以致用的目的。因此，只有改变传统的教学方法才能让学生对这门课程产生兴趣，从而掌握课程的具体知识。经过多次教学模式研究以及相应的教学改革发现，以实例讲解和自主学习相结合的教学方法能够取得显著的教学成果，这种方法的目的就是让学生直接以实践的方式融入具体案例，掌握整个知识构建体系，在此过程中也能够培养学生独立思考、发现问题并解决问题的能力以及提升学生的创新能力。目前已经有一些学者对这种案例教学和自主学习的教学方法进行了研究，并且运用在一些实践性较强的课程教学上，取得了较好的效果2-4。虽然计算机辅助工程这门课程中有不少基础理论知识，但是课程的主要内容还是仿真软件 ADAMS的实际操作应用，具有极强的实践操作性。目的是通过学习这门课程来让学生解决实际工程问题，以及通过相应的建模、仿真和分析完成实际操作，以此来培养学生的综合能力。本文将案例教学模式应用于计算机辅助工程课程实践教学中，采用新型教学方法，改变传统教学现状，并取得预期的效果。2 案例教学模式案例教学是课程教学方法改革的一种方式，即在教学过程中不先进行理论知识的讲解，而是直接以实际的案例入手，在案例操作中融入理论，引入相应的知识点，并适当拓展知识的广度和深度。其特点是以实际操作中的具体案例来讲解理论知识点，将理论知识融入到实际操作中。这种以案例教学为主，多媒体教学为辅的模式能够培养出学生的学习兴趣和自主学习能力。在计算机辅助工程课程中，一开始就直接以案例来教学，让学生在实践中学习。首先给出一个具体的典型实例，介绍整体的分析研究思路以及最终想要得到的结果，随后再创建相关模型进行分析，在操作的过程中就可以按照流程对涉及的知识点进行讲解，完成整套流程后就能让学生上手操作。由于提前对整个流程有了认知，因此激发了学生自己动手操作的想法，在教师对整体思路进行讲解分析和示范操作后，学生有信心独立完成操作。通过对信心和学习兴趣的提升，学生的学习积极性被充分调动，自主学习的习惯也慢慢形成。在学生进行操作的过程中教师再进行适当的引导，多次反复的练习，熟悉各个操作命令。学生完成实际的操作后，教师再对案例中包含的知识点进行讲解，学生就能很容易理解相应的理论知识。3 教学案例设计对于案例的选择来说，教师要选择难度适中并且有重要的知识点贯穿其中，尽可能选用源于实际工程中比较常用的例子。同时案例应选择循序渐进，以简入繁、从易到难的方式来设计，还要保证案例有一定的综合性。本文根据多次的计算机辅助工程课程教学经历，选择了一种具有特点的案例进行讲解，即一类槽轮机构的建模仿真分析。由于槽轮机构的结构比较简单，建模并不复杂，是一个运动规律较强的结构，因其工作可靠效率高，被广泛应用在一些机械结构之中。教学过程中先对槽轮机构的设计原理进行简单介绍，随后建立槽轮机构三维模型，再设置相关参数进行运动仿真分析，分析其在运动过程中的加速度及位移变化。3.1 槽轮机构原理及设计槽轮机构是由装有圆柱销的主动拨盘、槽轮和机架组成的单向间歇运动机构，又称马耳他机构，主要用于将主动件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。目前槽轮机构主要存在两种形式：外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构。内外槽轮机构的区别就是其中的槽轮和转臂转向的不同，外啮合是两者方向相反，而内啮合则是两者方向相同。本案例选择的是应用广泛的单臂外啮合槽轮机构，由带圆柱销的转臂、具有 4 条径向槽的槽轮和机架组成，结构简单。其运动方式是连续转动的转臂上的圆柱销进入径向槽时拨动槽轮，而圆柱销转出径向槽后槽轮就会停止转动，整体转动一周就完成了一次转停运动。为了保证槽轮机构窑 教育培训 窑62援援新疆农机化圆园24 年第 2 期的完整运动以及停歇情况，可在转臂上固接一缺口圆盘，其圆周边与槽轮上的凹周边相配，这样既不影响转臂转动，又能锁住槽轮不动。同时为了使槽轮能完成一个周期性的转停运动，槽轮上的径向槽数不能少于 3个。而为了避免冲击，圆柱销应切向进、出槽轮，即径向槽与转臂在此瞬间位置要互相垂直。在满足不同间停的要求时可采用多臂的和非对称槽的槽轮机构5。图 1所示为槽轮机构的运动原理。图1 槽轮机构运动原理注：1为主动拨盘转动方向；2为槽轮转动方向。3.2 模型的建立ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等6。首先根据设计的数据在 ADAMS 软件中分别建立槽轮机构的机架、主动拨盘、从动槽轮等几种主要的零部件，然后将建立好的零件进行装配。设置主动拨盘材料属性为铝合金，从动槽轮材料属性为铝合金，机架材料属性为铸铁。创建好的模型如图 2。图2 槽轮机构模型3.3 创建约束在槽轮机构的三维模型创建完成后，需要对各个运动构件之间的连接处创建约束并添加驱动使模型进行运动。首先将模型机架与大地创建固定副，保证模型的稳定性。然后在主动拨盘与机架之间创建转动副保证正常转动，在从动槽轮与机架之间也创建转动副。对于槽轮机构的仿真分析最重要的是设置主动拨盘和从动槽轮触力，由于主动拨盘需要通过圆销来将力传递至槽轮，因此在施加接触力时选择碰撞模式，接触类型定义为实体对实体，保证主动拨盘能带动从动槽轮进行运动。最后为主动拨盘添加一个驱动，驱动函数设为360.0 d/s，即一秒转一圈。3.4 仿真分析设置仿真时长为 5 s，步数为 500，创建求解器并完成对预设条件的解算。随后在 ADAMS Postprocessor模块查看仿真结果，获取主动拨盘和从动槽轮的加速度瞬时曲线图以及主动拨盘和从动槽轮的位移变化曲线图等相应数据。图 3 所示为在运动过程中碰撞时力与力矩变化曲线，曲线图清楚的表明了两者之间碰撞的力和力矩的变化基本上是一致的，其碰撞力达到了2 000 N，能够符合大部分的工况。从这些曲线图可以看出槽轮机构运动时并不平稳，存在柔性冲击，在高速运转时尤其显著。3.5 总结通过案例教学使学生能够清晰地了解整个课程要学习的相关知识，也从中分析出槽轮机构的运动。通过对槽轮机构的建模和仿真分析，发现槽轮机构不仅能够实现从动轮的一些步进运动，还能实现从动轮的定周期转动运动。其优点主要就是结构简单、工作可靠、效率高、整体尺寸较小，同时适应多种环境。但也存在一些缺点，包括槽轮机构在啮合过程中加速度较大，运动时结构不够平稳，高速运转时结构会受到较大冲击，因此比较适用于低速场合，且其转角大小不可调，转角设计不宜太小。槽轮启停时角加速度过大，存在柔性冲击，且冲击随着槽轮槽数的增加而减小。若能解决转角过小的问题，则可增加槽轮的槽数，那么在实际工程中就会得到更加广泛的应用。这个案例从实际的工程出发，将整个计算机辅助工程课程要讲的内容完整地呈21从动槽轮主动拨盘图 3 碰撞时力与力矩变化曲线图2.5E+071.5E+071.0E+072.0E+07力2.0E+051.5E+051.0E+050.02.5E+05力矩3.0E+055.0E+61.00.02.03.04.05.00.050 000.0时间（s）窑 教育培训 窑63援援新疆农机化圆园24 年第 2 期（上接第 60 页）采用 4豫硝酸酒精溶液对其进行腐蚀预处理，然后截取一部分焊接部位作为试样，用钢矬将试样底面搓平后放入杯具，倒入镶嵌液，风干凝固后用砂纸将试样表面完全磨平。然后喷洒抛光剂，用抛光机抛光试样表面，待试样表面如镜般能照出影像为最佳，随后用蒸馏水冲洗烘干。最后，将试样放在光学显微镜下观察，若试样表面为细针状铁素体，细晶之间有珠光体和碳化物析出且没有高碳马氏体组织和上贝氏体组织，说明焊接的韧性好、淬硬倾向小，反之则说明焊接质量不过关15。只有焊接质量过关的农业车辆传动轴才能满足农业生产需求，保障农业车辆长期稳定运行。4 结语农业车辆传动轴承受的载荷和疲劳应力较大，因此在对传动轴进行维修或者焊接时必须精细，这样才能保证传动轴不会在运转中出现断裂、歪斜和磨损等问题，防止农业车辆在运输（转）过程中发生故障。采用半自动和自动化的 IGBT 逆变式二氧化碳气体焊机可解决传统焊接可能出现的气孔、裂纹及焊瘤等问题，该焊接技术可为相关农业车辆维修售后机构提供借鉴，以提高焊接效率和焊接质量。参考文献院1范永达.铝合金车厢侧墙焊接难点分析及焊接工艺优化J.汽车工艺与材料袁2020渊8冤院52-56.2王术会.洒水车焊接工艺研究及优化J.南方农机袁2020袁51渊16冤院172-173.3张林田袁高虹.农机工业与农业机械化融合发展的思考J.农业开发与装备袁2020渊3冤院33-34.4毛海刚袁彭志星袁余海龙.农业机械检测与维修技术现状思考J.内燃机与配件袁2022渊1冤院171-173.5葛智聪.现代汽车维修技术提高质量的有效策略J.河北农机袁2021渊12冤院80-81.6张超群.农业机械维修的现状及建议探究J.农业装备技术袁2021袁47渊5冤院8-9袁15.7王世平.农业机械维修中容易忽视的问题与经验J.南方农机袁2020袁51渊6冤院24.8官剑平.农业机械维修中的问题与保养措施分析J.技术与市场袁2020袁27渊2冤院141-142.9杨朋袁王华丽.农业机械维修中的问题与保养措施分析J.农村实用技术袁2023渊3冤院112-113.10施善东.浅谈农业机械维修与保养J.农机质量与监督袁2022渊1冤院32-33.11宁亮亮袁郝亮袁李涛.农业车辆传动轴的焊接工艺研究J.汽车维修袁2022渊2冤院28-31.12曾翔宇袁李晓杰袁曹景祥袁等.材料强度对爆炸焊接结合界面的影响J.爆炸与冲击袁2019袁39渊5冤院139-145.13全慧.浅谈焊接工艺研究J.中小企业管理与科技渊上旬刊冤袁2017渊5冤院83-184.14覃显峰袁谢国文袁刘伟袁等.激光焊接在热成形门环中的应用研究J.热加工工艺袁2022渊9冤院52-55袁59.15于吉鲲袁贾华.大型轴承支柱焊接保持架焊接方式及焊接结构优化J.轴承袁2022渊9冤院36-39.现在学生面前，让学生依照案例来进行相应练习操作，很容易让学生理解整体内容，提高学生自主学习的能力。在学习完案例后，学生普遍具备了初步的建模仿真分析能力，提升了学生的学习兴趣。4 教学实践效果以案例教学为主体来培养学生的自主学习能力，本文主要在计算机辅助工程课程中开展案例式教学，获得了明显的教学效果。首先，学生通过自主学习培养了学习兴趣并且调动了学习的积极性，通过独立完成相应案例产生了强烈的成就感，增强了自信心；其次，让学生勇于实践，提升了独立发现问题并解决问题的能力，发展了学生的探索创新精神；最后，开拓了学生的思维，学习并不只是按照书本的内容按部就班的学习，还可以从整体出发更好地理解知识。总的来说，案例教学能够激发学生的学习兴趣，培养学生的综合能力，收到良好的教学效果。参考文献院1刘又午.多体动力学在机械工程领域的应用J.中国机械工程袁2000袁渊Z1冤院153-158袁7.2冯清.问题引导下的探究式实验教学模式研究J.实验技术与管理袁2012袁29渊5冤院164-166袁181.3王立强袁王晓萍袁杜立辉.基于项目学习和实践的课程改革创新探索J.实验室研究与探索袁2012袁31渊4冤院114-116袁191.4张纯容袁施晓秋.问题与案例驱动的课内实践教学分级模式探索J.实验室研究与探索袁2012袁31渊1冤院145-148.5刘辰.外槽轮机构设计分析J.机电工程技术袁2009袁38渊2冤院61-63袁97袁107.6李立斌袁任成高袁陈超.基于 ADAMS 仿真的离合器工作过程分析J.湖南工业大学学报袁2008袁渊4冤院57-60.窑 教育培训 窑64援援