虚拟模型在机械教学中的应用

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1、虚拟模型在机械教学中的应用摘要本文结合笔者实践，介绍了虚拟模型在机械教学中应用的例子，分别是二维或三维静态模型（挂图），二维动态模型（平面动画），三维动态模型（三维动画）。关键词虚拟模型；机械教学；三维动画美国卡特彼勒公司建筑机械产品部工程师贝特纳在《光谱》杂志上发表文章，阐述他们在理论上有三个看上去都是可行的不同设计，用他们开发的虚幻环境系统对这三个设计方案进行了先期效果的演示验证，结果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时，会不时进入视野死角。如果不使用虚幻环境系统，只有在样机造出后才能发现。结果卡特彼勒公司提前9个月选定了设计方案，并且节约了按其它两个

2、较差设计方案试制样机所需的巨额费用。保龄球的形状通常是圆形对称的。近年来，人们发现非圆非对称形状的保龄球更容易控制，对地板的适应性更好。尽管保龄球的造价不高，但对千变万化的各种形状进行实验也是非常费时费钱的。为此，一家保龄球制造商采用虚拟模型技术，在计算机上不断地改变球的几何形状及指孔分布并进行动力学仿真。其结果不仅缩短了设计周期，而且实现精确地达到了使用者的要求。一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转速达到每分钟6000转运动失稳并发生振动。常规的测量技术在这样的高温高速的环境下失灵，工程师们不得不借助于虚拟模型技术。根据对虚

3、拟模型的动力学及控制系统的分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到每分钟10,000转以上。　上面例子中所采用的新技术，就是本文的主题：虚拟模型技术(VirtualPrototypingTechnology，又译虚拟样机技术)。同样在技校机械教学中，虚拟模型技术也有广阔而独特的应用前景。一、二维（挂图）或三维静态模型AutoCAD在过去十年来，已逐渐地成为最流行的CAD软件，作为一个优秀的绘图软件，能为我们机械制图教学带来许多方便，下面举例如下：AutoCAD的AME是一个三维建模组件，通过它-可以用堆积、切割、拉伸和三维旋转的形

4、式建立三维模型；第7页共8页我们可以用AME的并集（Unions）、差集（Subtraction）和交集(Intersections)等功能组建组合体。图1中，由左至右分别是两个圆柱体叠加、切割、和求交集后的立体图。如图2二即为左五边形作26度拉伸后的效果图。图3三中的手柄为其上图沿底边作360度旋转而形成的1）、AutoCAD允许我们对制作完的三维模型进行上色（Render），在空间建立一个虚拟的立体模型，并允许我们从任意一个角度去观察它，如图3；AutoCAD可以对三维模型自动设立三视图，和截面图；如图4，建立了模型之后，对每一视图进行消隐处理即形成

5、了标准的三视图。第7页共8页图4中右下图是沿轴线方向切割形体再加45度剖面线的立体效果图。2)、AutoCAD可以方便地建立三维模型到三视图之间的联系；对机械制图初学者来说，在脑海中建立三维模型是比较困难的，尤其是三视图到轴测图，再由轴测图到三视图的过程，尤其困难。AutoCAD则可以方便地模拟这个转换的过程。如图五即为AutoCAD所绘图样，当在(FloatingModelSpace)模式下绘出图四的三视图后，返回(TiledModelSpace)模式，在空间就叠加了左、主、右三个视图。在机械制图课程中的应用在机械制图的教学中，笔者觉得难点是如何让学生

6、建立从虚拟到现实之间的联系。而虚拟模型则刚好可以作为这两者之间的桥梁。如在讲到投影时，笔者以前是特意在晚上讲，把教室的灯都关上以后，拿着一根手电筒来讲解物体的投影、中心投影法以及平行投影法。这种讲法很具体，学生反映也好，但是投影的尺寸变化，学生大多都是凭想象。而某些学生由于位置的关系，看得也不是很清楚。现在我们可用3DMAX软件建立一个玻璃材质的物体，后面是一堵有刻度的墙，然后把一个点光源在模型前移动，投影的尺寸变化即可在墙上体现出来，每个学生都可以看得轻轻楚楚。(如图6的阴影)一、二维动态模型（平面动画）1)用程序绘图参数实现的平面动画现在一般的程序都

7、有绘图参数，利用这些参数可以完成一些平面动画，如模拟齿轮加工或渐开线的形成等。第7页共8页《机械基础》渐开线的性质一节，一向都是个难点。学生们反映此节内容比较抽象，虽然采用了模型和录象进行讲解，但教学效果还是不太理想。所以我们从计算机动态模拟的角度来解决这个问题。我们知道，当一条直线在一个圆上作纯滚动时，该直线上一点的轨迹即为渐开线。这个圆即为基圆。首先建立数学模型，如图7，rb────基圆半径αi────渐开线在K点的压力角θi────渐开线在AK段的展角ri─────渐开线上任意一点K的向径由图中可得渐开线的极坐标方程：ri=rb/COSαｉ(1)i

8、nvαi=tgαi－αi(２)　　　　　　　　　　由方程（１）和方程（２）可以很