机械原理虚拟仿真实验概况

基于网络的计算机建模和仿真的虚拟实验技术，其有网络技术的特点，不受时间、空间、地域的限制和资源共享的优势。实验者无论何时、何地，只要手边有一台可以联网的电脑，即可进人实验系统。它将网络技术、数据库和多媒体等技术与专业知识相结合，其最大优点是具有个别性、交互性、灵活性和多样性。设计机械原理虚拟实验的目的是让学生通过Internet网络随时随地进行机械原理课程实验并相互协作和交互，就像工作在一个真正的实验室一样。能实现扩大学生实验范围，使实验方法、过程更加多样化，提高学生的学习兴趣，实现计算机模拟代替人的实验操作等特征，从而具备降低实验自然风险，节约各项开发成本、缩短研发周期等优势，使产品更具竞争力。

在机械原理课程实验中，虚拟实验强调在实际投人原材料实现产品之前，将产品的设计、分析、测试等过程在计算机所构造的虚拟开发环境中进行数字化模拟。在产品开发设计中，虚拟设计出产品，并解决产品在开发设计研制阶段的问题。

机械原理课程主要研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动。课程教学内容归纳起来主要包括两类: 一类是根据机构的结构和主要参数来分析它们的各种特性，即机构和机器的分析; 另一类是根据预期的各种特性来确定新机构或机器的型式、结构和主要参数，即机构和机器的综合。由于课程很多知识点是现实机构的简化，因此与工程实际结合紧密，而这对于无工程背景的学生来说，却相对比较抽象，学生学习的积极性并不高，为此，有必要引入具体工程案例来建立虚拟现实仿真实验系统。将知识形象化、趣味化，增强学生的感性认识，提高学生的学习积极性，便于学生掌握机构和机器的分析与综合的基础知识。

如图8所示，是机构运动简图测绘实验的虚拟仿真实验软件系统界面。

 

该实验教学体系可满足《机械原理》，《机械基础综合实验》等机械专业学科基础课程的实验教学需求。通过虚拟仿真实验平台，学生可掌握机构运动简图测绘、平面四杆机构运动和仿真以及机构运动参数分析等机械原理与设计的基础知识，提高了学生实验兴趣，增强了实验效果和拓宽了实验范围。

机械原理虚拟仿真实验系统包含机构运动简图测绘虚拟仿真模块、平面四杆机构设计及运动和仿真模块，以及机构运动设计的仿真与分析模块。机构运动简图测绘虚拟仿真模块可对工程机械进行机构的简化，给出机构运动简图，直观地再现了各个构件和运动副，明确同一构件上各个运动副之间的位置，展示机构的运动功能。

 

图9  平面四杆机构设计系统主界面   图10  机构运动设计软件登记证书

 

平面四杆机构设计及运动和仿真模块，如图11、12所示。其能引导学生对四杆机构的结构特点以及运动规律有直观的理解，如存在曲柄的条件、急回条件、如何由几何条件设计四杆机构，如何通过改变各个四杆机构的运动学尺寸参数实现四杆机构运动分析等。并做出相应的动态参数曲线，可实现与实测曲线进行比较分析。

图11  平面四杆机构设计及运动和仿真系统主界面

图12  平面四杆机构设计及运动和仿真系统实例

 

机构运动设计仿真与分析系统模块如图13、14，是对各类工程机构运动的虚拟仿真系统的计算机分析软件，通过建模对各个机构进行运动模拟，通过对机构及整机进行运动仿真，使学生对机械运动学和动力学、机构真实运动规律，有一个完整的认识。

图13  机构运动设计虚拟仿真与分析系统

图14  机构运动设计虚拟仿真与分析系统

 

1）素材丰富，实践强

实验系统中涵盖了平面机构的结构分析、平面连杆机构、各种传动机构的运动原理与结构特点等基础实验。本实验系统融合了机械原理及工程图学两大专业基础知识，要求学生在掌握基础知识的同时，对其专业基础知识的应用能力提出了更高的要求。是各个专业必修的实验实践课程。

2）安全可靠，低成本

该实验系统具备实现计算机模拟代替人的实验操作等特征，从而降低实验自然风险，节约各项开发成本、缩短研发周期。

                             表3  主要实验项目