機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了一篇機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)的應(yīng)用設(shè)計(jì)范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

Inventor軟件具有三維建模、裝配、動(dòng)畫、參數(shù)化設(shè)計(jì)的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能[1]，可模擬機(jī)械真實(shí)運(yùn)動(dòng)、有效分析機(jī)械內(nèi)部零件分布和受力情況等，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程、機(jī)械制造等領(lǐng)域，尤其在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用極為重要。羅紅旗等[2]在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域利用Inventor軟件對(duì)播種機(jī)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)；鄭毅峰[3]在制造業(yè)中運(yùn)用Inventor軟件對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真并提出了優(yōu)化方案；王秋冬[4]和寧家喜[5]分別對(duì)Inventor軟件在鉗工實(shí)訓(xùn)和數(shù)控加工課程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究；陳建宇[6]在機(jī)械基礎(chǔ)云課堂中使用Inventor軟件建立了各類機(jī)構(gòu)模型，通過展示模型講解課程知識(shí)；劉海寧等[7]闡述了Inventor軟件在《機(jī)械制圖》課程中的應(yīng)用價(jià)值，但缺少課程案例支撐；劉志龍[8]基于Inventor軟件的表達(dá)視圖模塊制作了齒輪傳動(dòng)模擬動(dòng)畫，該方法雖然操作簡(jiǎn)單但形式單調(diào)，不適合教學(xué)使用。針對(duì)上述問題，文章將Inventor軟件引入教學(xué)，以“手搖砂輪”為例對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)。機(jī)械基礎(chǔ)課程主要分為機(jī)械零部件、機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械原理三模塊。在機(jī)械零部件模塊中手搖砂輪作為典型零部件，通過Inventor軟件對(duì)其建?？捎糜邶X輪機(jī)構(gòu)教學(xué)；機(jī)械傳動(dòng)模塊中重點(diǎn)內(nèi)容為齒輪傳動(dòng)，可利用Inventor軟件的動(dòng)畫設(shè)計(jì)功能對(duì)手搖砂輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和拆裝模擬設(shè)計(jì)來講解；機(jī)械原理模塊難點(diǎn)是明確機(jī)械的受力情況，結(jié)合Inventor軟件的應(yīng)力分析功能對(duì)手搖砂輪中齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以具象化形式探究齒輪的受力情況，降低教學(xué)難度。

1手搖砂輪建模

齒輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械基礎(chǔ)課程中的重難點(diǎn)內(nèi)容，手搖砂輪作為齒輪機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用案例，在教學(xué)中較為常見。文章通過齒輪設(shè)計(jì)、特征建模和裝配三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)手搖砂輪建模。

1.1齒輪設(shè)計(jì)齒輪作為該機(jī)構(gòu)的主體零件，在設(shè)計(jì)時(shí)可以直接使用Inventor自帶的“設(shè)計(jì)加速器”設(shè)定參數(shù)。以中心距為導(dǎo)向，輸入手搖砂輪已知參數(shù)：m=2mm，z1=48ul、z2=24ul，α=20°，軟件自動(dòng)生成其余參數(shù)。最終生成兩個(gè)相互嚙合的齒輪，如圖1所示。在課堂教學(xué)中通過齒輪預(yù)覽圖和計(jì)算結(jié)果向?qū)W生講解齒輪的基本參數(shù)。同時(shí)可更改設(shè)計(jì)加速器中各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，展示齒輪幾何參數(shù)的變化，進(jìn)而引出齒輪幾何尺寸計(jì)算問題。

1.2特征建模主體零件建模完成后，通過繪制草圖并使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、螺紋等特征工具創(chuàng)建手搖砂輪其他零件的三維模型，如圖2所示。在課堂教學(xué)中通過對(duì)手搖砂輪模型縮放、旋轉(zhuǎn)和剖切等功能將無法全面觀察到的零件的角度和細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，學(xué)生可以清楚地觀察到各零件的結(jié)構(gòu)與形狀，結(jié)合二維工程圖的講解，使學(xué)生逐步建立起二維與三維之間的有效聯(lián)系，改善識(shí)圖能力不足的問題。

1.3裝配創(chuàng)建完手搖砂輪各零件后，進(jìn)入裝配環(huán)境組裝零件。以該零件為裝配基礎(chǔ)，其余零件以此為準(zhǔn)，選擇配合、插入等不同約束方式對(duì)零件進(jìn)行裝配。為了便于觀察，在“外觀”中為零件賦予不同的材質(zhì)和顏色。手搖砂輪最終模型完成圖如圖3所示。

2手搖砂輪動(dòng)畫設(shè)計(jì)

Inventor軟件的動(dòng)畫設(shè)計(jì)功能主要用于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫和拆裝動(dòng)畫的制作。手搖砂輪建模完成后，根據(jù)其工作原理和裝配順序，對(duì)其進(jìn)行仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

2.1運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)Inventor軟件中的InventorStudio功能可以模擬機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并制作運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫。在手搖砂輪模型中的齒輪槽和水平面之間設(shè)置角度約束，利用“約束動(dòng)畫”驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置角度為360°×N（N即為兩嚙合齒輪運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)）、“相機(jī)動(dòng)畫”設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸為Y原點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r(shí)針；“淡顯動(dòng)畫”設(shè)置殼體為淡顯對(duì)象，透明度為100%～20%。最后點(diǎn)擊渲染保存并導(dǎo)出動(dòng)畫，如圖4所示。課堂教學(xué)中，利用運(yùn)動(dòng)模擬動(dòng)畫呈現(xiàn)手搖砂輪的工作原理，對(duì)部分零件的隱藏可讓學(xué)生清晰地觀察到主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的嚙合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)、正確嚙合狀態(tài)及連續(xù)傳動(dòng)條件等問題進(jìn)行講解。

2.2機(jī)構(gòu)拆裝動(dòng)畫設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)拆裝動(dòng)畫由Inventor軟件中的“表達(dá)視圖”模塊進(jìn)行制作，分為調(diào)整零部件位置、設(shè)置動(dòng)畫播放順序和保存輸出視頻三個(gè)步驟。在調(diào)整零部件位置過程中，可選擇單個(gè)或多個(gè)零部件同時(shí)進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)，一次拆裝動(dòng)作即被記為一個(gè)故事板，記錄在故事面板中，如圖5所示。最后，單擊“發(fā)布”渲染為視頻或者采取錄屏手段對(duì)拆裝動(dòng)畫進(jìn)行錄制保存。在課堂教學(xué)中，據(jù)此動(dòng)畫基礎(chǔ)演示手搖砂輪的拆卸、裝配順序和過程，介紹其內(nèi)部各零件間的裝配和位置關(guān)系并講清楚手搖砂輪各部分的結(jié)構(gòu)和作用，使學(xué)生更具體地了解機(jī)構(gòu)組成與它們的內(nèi)在聯(lián)系。

3齒輪受力分析

受力分析是機(jī)械基礎(chǔ)課程中較為抽象難懂的內(nèi)容，利用軟件的應(yīng)力分析功能，可以準(zhǔn)確地得到零件內(nèi)部的受力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的受力情況是其中最基礎(chǔ)且關(guān)鍵的部分，因此文章選取手搖砂輪中兩嚙合直齒輪的受力分析進(jìn)行說明。根據(jù)齒輪性質(zhì)特點(diǎn)，筆者選擇合金鋼作為本次分析的材料，同時(shí)對(duì)從動(dòng)齒輪孔處添加固定約束、主動(dòng)齒輪孔處添加孔銷鏈接，在主動(dòng)齒輪孔處施加100N·mm的扭矩并對(duì)接觸狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。最后，點(diǎn)擊“分析”，得出有限元分析結(jié)果，如圖6所示。由圖中可以看出該齒輪最大形變量為0.00003973mm，最大應(yīng)力在齒根位置，為0.2495MPa，由此可判斷齒輪機(jī)構(gòu)中齒根位置最容易發(fā)生斷裂失效。在課堂教學(xué)中通過展示齒輪應(yīng)力、應(yīng)變分析圖和變化動(dòng)畫，可直觀分析齒輪傳動(dòng)的受力情況。同時(shí)，改變齒輪的材料、幾何尺寸等參數(shù)進(jìn)行多次應(yīng)力分析，通過對(duì)照探究影響齒輪強(qiáng)度變化的主要因素，講解齒輪失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等知識(shí)點(diǎn)。

4結(jié)論

文章應(yīng)用Inventor軟件的機(jī)構(gòu)建模、動(dòng)畫設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析功能，結(jié)合手搖砂輪案例，對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程中機(jī)械零部件、機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械原理三部分進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)，有助于提高學(xué)生的理解和認(rèn)知水平。（1）通過Inventor軟件實(shí)現(xiàn)手搖砂輪建模，可以靈活對(duì)機(jī)構(gòu)的各個(gè)角度進(jìn)行觀察，增強(qiáng)學(xué)生的空間想象力。此方式可用于創(chuàng)建各類簡(jiǎn)單或者復(fù)雜的零部件，對(duì)于一些不便攜帶、價(jià)格較貴的模型和設(shè)備都可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和展示。（2）基于手搖砂輪模型進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，制作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和模擬拆裝動(dòng)畫，能夠清晰動(dòng)態(tài)地展示出各零件之間的連接關(guān)系、位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使教學(xué)方法由傳統(tǒng)的靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低教學(xué)難度，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)效果。（3）通過對(duì)手搖砂輪中兩嚙合直齒輪的應(yīng)力分析，準(zhǔn)確地得到齒輪各部分的受力情況。這種直觀形象的方式有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的正確理解與應(yīng)用，使學(xué)生逐步建立起使用三維參數(shù)化工具進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的理念，提升其對(duì)實(shí)際問題的分析與解決能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李瑞寧,蔣強(qiáng),吳瑋琴.AutoCAD和Inventor設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].造紙裝備及材料,2022,51(6):217-219.

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[5]寧家喜.淺談Inventor軟件在數(shù)控加工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育,2021(29):154-155.

作者:劉凱琳 單位:貴州師范大學(xué)