Solidworks仿真软件在现代工程人才培养中的应用

【摘 要】为提高自动化类专业毕业生的跨学科专业能力和多岗位适应能力，本文选取应用范围广、前瞻性强的检测技术作为人才培养的范例，阐述SolidWorks仿真软件在现代工程人才培养中的应用。通过对检测技术常用检测参数——应变建模仿真分析得：SolidWorks仿真软件不仅可以丰富检测技术的教学呈现方式，同时可以对一些知识盲点给出形象具体的解释，加深学生印象，提高授课效果。这种跨学科的授课模式符合“专而广”的教育教学发展趋势，对于促进工程人才培养具有一定研究意义及应用前景。

【关键词】跨学科；检测技术；SolidWorks；应变

Application of Simulation Software Solidworks in Modern Engineering Personnel Training

JIANG Shan-chao FU Xiao-rong HE Jiang-qiang

（Yancheng Institute of Technology， Jiang Su， Yan Cheng， 224052，China）

【Abstract】In order to improve the ability of interdiscipline and multi position adaptability of automation graduate， wide range of applications， forward-looking detection technology is chosen as an example in this paper to elaborate the application of simulation software Solidworks in modern engineering personnel training. Based on the modeling and simulation analysis of the commonly used detection parameters strain， simulation software Solidworks can not only eich the teaching methods， but also give some specific explanations to some blind spots. This can deep the impression of students and improve teaching effect. This interdisciplinary teaching mode is in line with the development trend of "special and extensive" teaching and learning， which has certain research significance and application prospect in modern engineering personnel training.

【Key words】Interdiscipline； Detection technology； SolidWorks； Strain

0 引言

在工業4.0时代，工业自动化迎来历史性机遇，“中国制造2025”强国战略对现代企业的自动化工程师提出了新的能力需求。本文以提高自动化类专业毕业生的跨学科专业能力和多岗位适应能力，满足工业现代化飞速发展需要作为基本研究出发点，选取应用范围广、前瞻性强的检测技术作为人才培养的范例，阐述SolidWorks仿真软件在现代工程人才培养中的应用。作为工、农业生产及日常生活中最常用的技术，检测技术的发展水平已经成为评价一个国家科技及现代化水平高低的重要指标[1-4]。检测技术是一门理论性、综合性、多样性、实用性、跨学科性极强的控制工程专业的专业课程之一，且随着现代科技的快速发展，检测技术的多样性、前瞻性、实用性正在不断的更新换代。然而，受限于学校发展经费及场地的限制，较难通过单纯的采用增加实验设备的手段使学生接受检测技术相关知识的同时对其应用具有形象具体的了解。在此局限性的基础上，本文选取检测技术最基本检测参数——应变[5-6]作为重点研究对象以说明SolidWorks仿真软件[7-8]在检测技术教学应用中的应用。SolidWorks仿真软件作为力学仿真软件常常被用来讲述力学知识，本文将其用于丰富检测技术的课堂内容，增加学生对于应变检测相关知识点的掌握。这种跨学科的授课模式符合教育教学“专而广”的发展趋势，具有一定研究意义及应用前景。

1 SolidWorks简介

作为世界上基于Windows开发的第一个三维CAD（Computer Aided Design， CAD）系统，SolidWorks自1995年推出因其始终遵循的易用、稳定及创新三大原则而获得了广泛且成功的发展。发展至今，该软件已在国防航空航天[9]、工业生产[10]、交通运输[11]、日常生活[12]等各行各业取得了成功的应用。利用SolidWorks仿真软件可以使每一位设计者用于一套独立的、具有生产力的实体模型设计系统。该软件所具有的强大的软件功能、繁多的组件可以为设计者提供多种形象具体的三维设计方案，有效的减少了设计过程中可能出现的错误，提高了产品的设计质量。用户可以在较短的时间内完成系统设计，加快产品市场投放进度，增加经济效益。不仅如此，SolidWorks仿真软件同时为用户提供多种仿真分析能力[13-14]，如静力学分析（SimulationXpress）、流体分析（FloXpress）等，可以使设计者在计算机中模拟分析设计产品的合理性，获得设计所关注各种参数，如应变分布、温度传递系数、压力/压强分布等等。

2 SolidWorks在检测技术教学中的应用举例

基于上述关于SolidWorks仿真软件的分析及跨学科融合教学的思想，应用其在应变仿真分析上的特殊的、直观的展示作用来丰富检测技术的课堂教学内容。现以“电阻应变片式传感器”为例来说明SolidWorks仿真软件在检测技术教学中的应用。

等臂电桥（R1=R2=R3=R4）电阻应变式传感器的电路原理图，如图1所示。当外界有效作用应变εi（i=1，2，3，4）时，电阻应变片的电阻变化ΔRi（i=1，2，3，4）為：

式中，K为电阻应变片的材料灵敏系数，其物理意义为单位应变的电阻变化率。

电桥输出电压U0为：

由式（2）可得：当等臂电桥工作与全桥四臂工作方式，即电桥四臂都接入电阻应变片，则4个电桥电阻变化量分别为：ΔR1=-ΔR2，ΔR3=-ΔR4。此时，电桥输出电压U0为：

现通过悬臂梁实现外界作用力F与电阻应变片应变ε之间的转换，如图2所示。继而，通过分析等臂电桥的输出电压实现外界作用力的测量。

由机械设计基本原理可得悬臂梁表面应变ε1与外界作用力F之间的关系，可表示为：

式中，E为悬臂梁的弹性模量常数。

由悬臂梁表面应变ε1与电阻应变片应变ε相等，可得等臂电桥的输出电压为：

综上分析可得，当悬臂梁式电阻应变测力传感器材料及几何参数确定了之后，等臂电桥输出电压与外界作用力呈现线性关系。然而，多个版本检测技术教材[15-16]中公式4中L并未选取悬臂梁的实际长度，以提高传感器测力灵敏度的知识盲点并未涉及。

下面应用SolidWorks仿真软件对上述所提问题（公式4中L取值问题）给出相应的回答。首先，利用SolidWorks分析电阻应变测力传感器悬臂梁表面应力F1与外界作用力F的变化情况，如图3所示。

通过分析图3可得：当悬臂梁受到外界作用力时，其靠近固定端的表面应力并非均匀分布，而是存在着一定的差异。进而，由应变应力关系F1 =E·ε1可得：在靠近悬臂梁固定端附近的区域，应力不均势必导致应变分布不均。因此，公式4中L若选取悬臂梁的实际长度，则该测力传感器中存在电阻应变片处于应变分布不均的区域。进而，应变分布不均导致该测力传感器检测灵敏度存在一定的非线性，为电阻应变片后端检测处理单元增加处理难度。

通过上述分析可得：利用SolidWorks仿真软件对检测技术教学中的一些问题进行建模和仿真分析，不仅可以丰富检测教学的授课显示方式，更可以针对现有检测技术教学不能阐述详细的问题给以形象具体直观的仿真解释。这可以加深学生对于相应问题的理解、提高课堂的授课效果，同时对于其今后实际工作中遇到的理论知识到实践应用起到一定的转化促进作用。

3 总结

结合检测技术多样性、前瞻性、实用性的特点，为使学生接受检测技术相关知识的同时对其应用具有形象具体的了解，本文采用跨学科授课方式，选取检测技术常用检测参数——应变作为重点研究对象以说明SolidWorks仿真软件在现代工程人才培养中的应用。通过举例说明：将SolidWorks仿真软件应用于现代检测技术教学中不仅可以形象具体的呈现相应知识点内容，加深学生理解掌握；同时可以更加细化分析知识盲点，为学生在今后理论知识向实践应用转化奠定良好的基础。

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[责任编辑：朱丽娜]

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