摘要: 介绍虚拟样机技术,将虚拟样机技术引入高校工科类课程教学中来,是科技发展与市场需求的必然趋势,应当注重虚拟样机技术课程教学中的实践环节,才能提高课程的教学效果,使学生的创新和动手能力得到培养。
关键词: 虚拟样机技术 课程 教学
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.045
0 引言
在我国,传统的机械设计方法很大一部分是凭借经验进行类比设计。一般只进行静态分析,而不注重动态特征的分析。传统的机械产品开发过程是:产品设计—样机制造一样机测试一反馈—设计修改—正式生产。在这种产品开发模式中,物理样机的制造和测试是必须的。一旦在测试中发现某个环节出现问题或者设计方案发生变化,就必须重新制造物理样机再进行测试。经过对物理样机反复的测试和改进设计、样机制造后,再进行批量生产制造。很显然.这种研发模式在物理样机的反复设计、制造和测试中浪费了大量的人力、财力,导致产品生产周期长、成本高。随着全球经济的一体化,产品市场竞争日益激烈。为了提高产品的市场竞争力,各企业必须不断地缩短新产品的研发周期,提高产品质量、性能,降低开发和生产成本。在这种需求下,以虚拟样机为代表的计算机技术不断发展,使虚拟样机技术逐步成为机械领域一种新的现代化设计手段。机械产品的设计和开发模式必须进行重大的变革。社会的需求和信息化发展促使了虚拟样机技术在各个专业领域中的蓬勃发展,虚拟样机技术是一门新兴的技术,它有着广阔的发展前景及市场。我们的机械类专业教学内容也应进行相应的改进。但目前国内缺少掌握虚拟样机技术的大量高级专业人才,造成企业许多研究课题只能交给科研院所或高校解决。因此,高校将虚拟样机技术引入到工科类专业课程教学中来,推进高校在新技术领域的教学改革,才能解决企业对人才的迫切需要[1]。
1.虚拟样机技术教学的必要性
在传统的机械产品设计与制造过程中,一个新产品的研发首先是概念设计和方案论证,然后进行产品设计。在产品设计完成后,为了验证设计,通常要制造样机进行实验,有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时,又要回头修改设计并再进行样机试验。只有通过周而复始的设计--实验--改进定型等几个步骤。最后批量生产产品才能达到要求的性能。这种研发模式的周期长、成本高,尤其对于结构复杂的机械系统。设计周期无法缩短,更不用谈对市场的灵活反应了。在大多数情况下,工程师为了保证产品按时投放市场,通常不愿为修改局部而给整体带来不可预知的结果,使得产品造型、结构老化,很难获得最优的产品性能;使产品在上市时便有先天不足的缺陷。在激烈竞争的市场背景下,基于实际样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高,更谈不上成本的降低和对市场的占有率。
随着全球性市场竞争的日益剧烈、现代科学技术和计算机技术的高速发展,工业产品设计领域的竞争也日益激烈,新产品推陈出新的速度也越来越快,产品结构日益向多元化、个性化方向发展。为了提高企业的市场竞争力,必须更新产品的品种,缩短新产品的研发周期,提高产品的设计质量,降低研发和生产成本。这样才能够对快速多变的市场做出灵活的反应,从而在市场竞争中赢得份额和获得利润。
进入21世纪,面对日趋激烈的市场竞争和持续发展的市场需求,以虚拟样机技术为基础的先进现代化设计手段应运而生了。运用虚拟样机技术进行产品开发可以快速地建立产品的三维模型,对主要部分进行运动学和动力学仿真,实现产品的并行设计,可在新产品设计初期及时发现问题、解决问题,从而节省资金,降低风险,缩短新产品开发的周期及提高新产品开发的成功率。虚拟样机技术必将被高成本,高风险产品设计的企业所看重,必将受到企业和用户的欢迎,会成为21世纪新产品研发的主流。因此,重视并深入研究和传授虚拟样机技术对国家现代化建设和机械生产都有非常重要的意义。
机械系统虚拟样机技术的主要研究范围是机械系统动力学和运动学分析,其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析,以确定机械系统及其构件在任意时刻的位置、速度、加速度和受力[2]。
虚拟样机技术具备许多传统设计方法无可比拟的优点。
1)可以同时验证和测试多种设计方案。
2)虚拟样机代替物理样机进行各种危险和破坏性试验。
3)避免了物理样机的试制环节,降低了产品开发成本,缩短了产品开发周期,提高了产品质量和设计效率。
4)产品全方位的测试、分析、评估和设计优化。降低了产品的开发风险,减少了产品开发后期的设计更改。
5)虚拟样机技术支持并行设计,便于各个设计团队之间的沟通和协作[3]。
虚拟样机技术在一些发达国家,如美国、德国、日本等已经得到了广泛应用,应用的领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械、人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。在国内,虚拟样机技术的研究与应用正处于初级阶段。并呈现出美好的发展趋势[4]。
在新产品开发设计中,合理运用虚拟样机技术,可使设计人员在各种可能的虚拟环境中,模拟出设计产品可能出现的运动状态及受力情况,并快速分析、评估设计方案的合理性,优化设计参数,为设计方案提供合理的数据;同时可部分代替实物样机进行各种试验研究,甚至是一些难以进行或无法进行的试验,都可以在虚拟环境下进行。在现代设计中,虚拟样机技术的应用始终贯穿于整个产品的设计周期中,它不仅可以用在概念设计和前期的方案论证中,也可以把自己长期积累的设计经验和丰富的想象力在计算机的虚拟环境里加以充分发挥[5]。
2.虚拟样机技术教学的引入时期和条件
虚拟样机技术动态仿真是21世纪机械系统设计与研究的主要工具,虚拟样机技术是机械类工科专业的专业技术选修课程之一,其特点是课程结构的实践性强、系统性强、内在结构性强。虚拟样机技术引入需要受教育者具备高等数学、理论力学、机械制图、机械原理、机械设计、机械CAD、金属材料学、机械加工工艺学、计算机技术教育的积累,具备一定的计算机三维造型基础,工科院校的本科四年级学生正好具备了这些条件,这时引入虚拟样机技术课程是最合理、最适当的,为最佳时机,使学生能重点掌握虚拟样机技术的使用,理论教学主要通过多媒体工具给学生演示虚拟样机技术的操作,上机练习以学生实际操作为主,一人一机。本课程练习主要以教材上的难点、重点为主,结合上机练习。现代高校教育要以创新型人才培养为宗旨,虚拟样机技术教学内容对培养创新型工科人才极为有益。
3.虚拟样机技术教学的特性
虚拟样机技术课程是一门实践很强的课程,必须注重虚拟样机技术教学的实践环节。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,创造力随之提高,这一飞跃蕴藏在实践教学过程中。由于教育经费的局限,过去学生的动手环节常常受到制约。而虚拟样机技术只需要借助计算机就可完成动手环节,并且学生在动手中可以反复尝试、反复修改、大胆创新,加强了学生的动手环节。虚拟样机技术给学生插上了多动手、巧动手的翅膀,使学生应用该技术手段; 熟练才能掌握所学的内容,也能培养学生的创新意识和动手能力。
4.总结
培养和提高学生的创新思维能力是高等教育改革的一项重要任务。虚拟样机技术课程中关于机械运动方案的设计是机械工程设计中最具有创造性的内容,对培养学生的创新设计能力起着十分重要的作用。虚拟样机技术可快速方便地创建参数化的机械系统几何模型,快速对各种设计方案进行仿真分析,结果以曲线图和动画显示的方式输出,良好的操作界面和对物理样机工作情况的可视性,充分弥补了学生实践经验的不足,而且能在较短的时间内完成整个设计,使学生有更充足的时间进行方案设计,培养创新能力。在设计的初始阶段,学生不必要从数学上面对结构的运动学方程及其求解进行繁琐的分析、推导和论证,运用软件就可以对所研究的机构进行分析和论证,并仿真得到各个构件的运动特征,这有利于方案的筛选和优化,特别适合培养学生创造性设计能力和分析解决实际工作问题的能力,动手能力和适应能力会有所提高,开阔了学生的视野,能更好地促进学习,开拓思维能力;同时为后继的毕业设计和今后的工作打下了良好的基础。
参考文献
[1]杨莺,王刚.虚拟样机技术应引入高校工科类课程教学.宁波职业技术学院学报,2004,8(5):78～79
[2]朱玉.机械原理和设计课程设计教学探索与实践.南京工程学院学报(社会科学版).2007,7(1):52～55
[3]王侃,杨秀梅.虚拟样机技术综述.新技术新工艺.2008,3:29～33
[4]葛正浩.ADAMS2007虚拟样机技术.化学工业出版社, 2010:3～4
[5]徐丹丽.远程教育模式下仿真技术在机械专业的应用研究.今日科苑.2008,10:235
作者简介:
周旭,男,1964年4月生,湖南省湘潭人,汉族,博士学历,高级工程师,研究领域:机械设计及理论的教学及科研。