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摘要：为解决轮机工程专业实验教学设备台套数限制、提高教学质量，提出基于多体动力学的轮机设备虚拟仿真实验教学方法，设计了轮机设备虚拟仿真教学实验项目并应于教学实践。实践表明该方式可以激发学生的学习兴趣，培养学生的建模能力和动力学分析能力。
一、引言
轮机是一个集机、电、能源等各种设备、系统于一体的复杂系统，包括主推进动力装置、船舶各类辅机及船舶电气设备等。在教学实践中，由于采用静态的图片展示结构原理，现有设备台套数有限，直接导致学生对具体结构、系统认识不足、专业课与专业基础课的结合不够紧密、想象力缺乏，教和学的效果和效率都大打折扣、不尽人意。此外，轮机工程专业实验教学设备结构较为复杂、体积庞大，价格昂贵，高速旋转动力机械（如柴油机、机桨传动设备）和高压设备较多，实验环境多处于高温、狭窄处所，学生操作设备具有较大的安全风险。
二、实验教学中引入多体动力学虚拟仿真的目的
虚拟仿真技术是通过分析轮机设备各部件的动力学及运动学特性，运用三维建模软件对轮机设备中的主要部件和设备进行三维建模，建立其装配过程运动序列，并在此基础上对其进行动力学仿真，得到各运动部件在实现其功能过程中的运动以及受力。学生在学习了轮机设备的基本原理知识和软件的使用方法就可以完成设备的三维建模、工作原理仿真和动力学分析。
（一）改变教学模式，提高学生能力
指导本科生及研究生，开展包括绘制目标设备的三维模型，渲染处理，装配动画制作，动力学仿真分析等工作，在众多师生的参与下，不但可以培养学生设计软件的应用能力，帮助学生提高对轮机设备的结构认知能力和设计分析能力，同时还可逐渐形成涵盖船舶所有机电设备的三维设备零件库，为后续的教学和设计工作提供有力的支持。
（二）解决实验教学矛盾，提高教学质量
由于船舶轮机设备种类繁多，价格昂贵，完全使用实体设备进行实验教学存在诸多困难。在实体设备受限的情况下，采用虚拟仿真方式进行实验教学，可以很大程度上缓解设备台套数不足的压力，增强学生对设备的感性认识，更好的做到跟理论课的衔接，提高教学效果。
三、基于多体动力学轮机设备虚拟仿真实验项目设计
本文选择Spaceclaim作为多利动力学仿真实验平台，其采用的直接建模技术是继参数化建模技术之后的新一代3D建模技术。它提供了一个设计创新的空间，可以在各种参数化模型之间转换，可以共享3D 模型于 PLM 过程。通过其Dynamics forSpaceclaim插件即可实现轮机设备的装配仿真和工作原理仿真，获得机构的运动特性和动力学特性分析结果。
整个实验教学由7个实验项目组成：
实验一：Spaceclaim建模基础
本实验介绍Spaceclaim软件的基本特性，熟悉Spaceclaim的界面以及基本操作命令。Spaceclaim中4个主要建模命令：拉动、移动、组合和填充的介绍及使用演示。Spaceclaim中2种绘图模式：草图、剖面、三维模式的介绍和演示。学生练习基本的绘图命令以及编辑命令，尝试建立简单的实体，探索草图绘制和生成实体过程中的技巧。基本命令熟悉后，尝试建立自己所选设备中的简单零件的三维模型绘制。
实验二：零件（组合体）建模
本实验以一支架的绘制为例讲解零件建模的步骤。基于实例的讲解，指导学生绘制自己所选轮机设备的所有零件，在此过程中掌握组合体建模的技巧。
实验三：零件的装配
本实验讲解Spaceclaim中的三个装配命令：对齐、居中、定向的含义和使用方法。指导学生将上次实验绘制的零件导入一个工程内，按照零件间的相互位置关系进行装配，完成轮机设备的装配三维模型。
实验四：动力学仿真基础
本实验讲解动力学仿真的基本流程：
（1）在Spaceclaim中导入或绘制三维模型；
（2）激活DynamicsforSpaceclaim插件；
（3）使用仿真结构树组织运动部件的仿真模型；
（4）使用自动检测运动副工具或者手动设置运动部件之间的运动副类型；
（5）设置质量，运动副和材料的初始参数；
（6）使用Sequence Editor设置运动副的控制序列（装配动作可选）；
（7）设置仿真的时间和频率；
（8）仿真计算；
（9）使用Playback窗口回放仿真结果；
（10）使用Simulation Report查看部件的速度，接触深度等；
（11）使用Plot工具查看仿真的结果
（12）将仿真结果输出到Keyshot进行渲染，得到真实的动画。
Dynamics for Spaceclaim中的运动副：
Hinge：铰链运动副，绕轴旋转单自由度；
Prismatic：棱柱运动副，沿轴移动单自由度；
Cylindrical：圆柱运动副，绕轴旋转及沿轴移动二自由度；
Lock Joint：锁定连接，刚体无自由度不可移动；
Ball Joint：球铰，绕三轴旋转三自由度；
Spring Joint：弹簧连接
之后学生建立简单的装配体，通过设置不同的运动副进行动力学仿真观察部件的运动规律变化，并通过生成不同参数的仿真结果进行动力学分析。
实验五：动力学仿真
学生导入自己所建立的模型开展动力学仿真，分析部件间的运动关系，设置合适的运动副，开展动力学仿真并输出计算结果。
实验六：装配过程仿真
本实验讲解Sequence Editor的用法。Sequence Editor用于在时间轴上设置运动副的运动开始时间和时间间隔，利用这一特性可以将各个零件的运动按照顺序在时间轴上排列并按照一定规律运动到指定位置，从而用于模拟装配过程。
指导学生导入自己所建立的模型并按照装配顺序逐一设置零件的运动副类型、开始时间及运动时间间隔，进行运动仿真模拟装配过程。
实验七：渲染及输出
本实验讲解Keyshot模型渲染的基本流程：
（1）导入三维模型，若已设置动作将会随模型一同导入；
（2）设置环境光照条件，背景图片；
（3）在材質库中查找合适的材质及颜色，拖动赋值给对应的零件；
（4）输出渲染图片或视频。
学生参照相关的教程，将动力学仿真模型及装配运动模型导入Keyshot中进行渲染，观察渲染后的效果，并输出渲染图片及视频。
四、结束语
通过基于多体动力学轮机设备虚拟仿真实验，学生较熟练的掌握了三维建模软件、动力仿真软件和渲染软件的操作和运用，具备对复杂零部件或系统的建模及动力学仿真能力，同时进一步加深船用柴油机主要零部件的工作原理、结构及装配的理解，为学生今后从事本专业的设计工作打下基础。
参考文献：
[1]沈中华， 陈静. ADAMS在机械专业学生实践教学改革中的应用 [J]. 教育教学论坛， 2016（51）： 89-90.
[2]路勇， 马修真， 高峰，等. 船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究[J]. 实验技术与管理， 2016， 33（3）.
项目名称：重庆交通大学实验教学改革与研究基金项目，编号：syjg201512。
一、引言
轮机是一个集机、电、能源等各种设备、系统于一体的复杂系统，包括主推进动力装置、船舶各类辅机及船舶电气设备等。在教学实践中，由于采用静态的图片展示结构原理，现有设备台套数有限，直接导致学生对具体结构、系统认识不足、专业课与专业基础课的结合不够紧密、想象力缺乏，教和学的效果和效率都大打折扣、不尽人意。此外，轮机工程专业实验教学设备结构较为复杂、体积庞大，价格昂贵，高速旋转动力机械（如柴油机、机桨传动设备）和高压设备较多，实验环境多处于高温、狭窄处所，学生操作设备具有较大的安全风险。
二、实验教学中引入多体动力学虚拟仿真的目的
虚拟仿真技术是通过分析轮机设备各部件的动力学及运动学特性，运用三维建模软件对轮机设备中的主要部件和设备进行三维建模，建立其装配过程运动序列，并在此基础上对其进行动力学仿真，得到各运动部件在实现其功能过程中的运动以及受力。学生在学习了轮机设备的基本原理知识和软件的使用方法就可以完成设备的三维建模、工作原理仿真和动力学分析。
（一）改变教学模式，提高学生能力
指导本科生及研究生，开展包括绘制目标设备的三维模型，渲染处理，装配动画制作，动力学仿真分析等工作，在众多师生的参与下，不但可以培养学生设计软件的应用能力，帮助学生提高对轮机设备的结构认知能力和设计分析能力，同时还可逐渐形成涵盖船舶所有机电设备的三维设备零件库，为后续的教学和设计工作提供有力的支持。
（二）解决实验教学矛盾，提高教学质量
由于船舶轮机设备种类繁多，价格昂贵，完全使用实体设备进行实验教学存在诸多困难。在实体设备受限的情况下，采用虚拟仿真方式进行实验教学，可以很大程度上缓解设备台套数不足的压力，增强学生对设备的感性认识，更好的做到跟理论课的衔接，提高教学效果。
三、基于多体动力学轮机设备虚拟仿真实验项目设计
本文选择Spaceclaim作为多利动力学仿真实验平台，其采用的直接建模技术是继参数化建模技术之后的新一代3D建模技术。它提供了一个设计创新的空间，可以在各种参数化模型之间转换，可以共享3D 模型于 PLM 过程。通过其Dynamics forSpaceclaim插件即可实现轮机设备的装配仿真和工作原理仿真，获得机构的运动特性和动力学特性分析结果。
整个实验教学由7个实验项目组成：
实验一：Spaceclaim建模基础
本实验介绍Spaceclaim软件的基本特性，熟悉Spaceclaim的界面以及基本操作命令。Spaceclaim中4个主要建模命令：拉动、移动、组合和填充的介绍及使用演示。Spaceclaim中2种绘图模式：草图、剖面、三维模式的介绍和演示。学生练习基本的绘图命令以及编辑命令，尝试建立简单的实体，探索草图绘制和生成实体过程中的技巧。基本命令熟悉后，尝试建立自己所选设备中的简单零件的三维模型绘制。
实验二：零件（组合体）建模
本实验以一支架的绘制为例讲解零件建模的步骤。基于实例的讲解，指导学生绘制自己所选轮机设备的所有零件，在此过程中掌握组合体建模的技巧。
实验三：零件的装配
本实验讲解Spaceclaim中的三个装配命令：对齐、居中、定向的含义和使用方法。指导学生将上次实验绘制的零件导入一个工程内，按照零件间的相互位置关系进行装配，完成轮机设备的装配三维模型。
实验四：动力学仿真基础
本实验讲解动力学仿真的基本流程：
（1）在Spaceclaim中导入或绘制三维模型；
（2）激活DynamicsforSpaceclaim插件；
（3）使用仿真结构树组织运动部件的仿真模型；
（4）使用自动检测运动副工具或者手动设置运动部件之间的运动副类型；
（5）设置质量，运动副和材料的初始参数；
（6）使用Sequence Editor设置运动副的控制序列（装配动作可选）；
（7）设置仿真的时间和频率；
（8）仿真计算；
（9）使用Playback窗口回放仿真结果；
（10）使用Simulation Report查看部件的速度，接触深度等；
（11）使用Plot工具查看仿真的结果
（12）将仿真结果输出到Keyshot进行渲染，得到真实的动画。
Dynamics for Spaceclaim中的运动副：
Hinge：铰链运动副，绕轴旋转单自由度；
Prismatic：棱柱运动副，沿轴移动单自由度；
Cylindrical：圆柱运动副，绕轴旋转及沿轴移动二自由度；
Lock Joint：锁定连接，刚体无自由度不可移动；
Ball Joint：球铰，绕三轴旋转三自由度；
Spring Joint：弹簧连接
之后学生建立简单的装配体，通过设置不同的运动副进行动力学仿真观察部件的运动规律变化，并通过生成不同参数的仿真结果进行动力学分析。
实验五：动力学仿真
学生导入自己所建立的模型开展动力学仿真，分析部件间的运动关系，设置合适的运动副，开展动力学仿真并输出计算结果。
实验六：装配过程仿真
本实验讲解Sequence Editor的用法。Sequence Editor用于在时间轴上设置运动副的运动开始时间和时间间隔，利用这一特性可以将各个零件的运动按照顺序在时间轴上排列并按照一定规律运动到指定位置，从而用于模拟装配过程。
指导学生导入自己所建立的模型并按照装配顺序逐一设置零件的运动副类型、开始时间及运动时间间隔，进行运动仿真模拟装配过程。
实验七：渲染及输出
本实验讲解Keyshot模型渲染的基本流程：
（1）导入三维模型，若已设置动作将会随模型一同导入；
（2）设置环境光照条件，背景图片；
（3）在材質库中查找合适的材质及颜色，拖动赋值给对应的零件；
（4）输出渲染图片或视频。
学生参照相关的教程，将动力学仿真模型及装配运动模型导入Keyshot中进行渲染，观察渲染后的效果，并输出渲染图片及视频。
四、结束语
通过基于多体动力学轮机设备虚拟仿真实验，学生较熟练的掌握了三维建模软件、动力仿真软件和渲染软件的操作和运用，具备对复杂零部件或系统的建模及动力学仿真能力，同时进一步加深船用柴油机主要零部件的工作原理、结构及装配的理解，为学生今后从事本专业的设计工作打下基础。
参考文献：
[1]沈中华， 陈静. ADAMS在机械专业学生实践教学改革中的应用 [J]. 教育教学论坛， 2016（51）： 89-90.
[2]路勇， 马修真， 高峰，等. 船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究[J]. 实验技术与管理， 2016， 33（3）.
项目名称：重庆交通大学实验教学改革与研究基金项目，编号：syjg201512。