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1、工程模型创新在大学中的实际应 用摘要：结构模型设计为学生提供了综合运 用所学专业知识程专业学生的重要学科, 是极富创造性，挑战性的科技竞技的最 佳机会。专业结构模型设计大赛巳成为 培养大学生创新能力、实践能力和竞争 意识的一个新兴实践教学环节。文章从 结构模型竞赛中材料选用和设计原则的 角度出发，分析了结构模型竞赛在培养 学生创新能力、计算能力和综合素质等 方面发挥的作用，探讨模型制作应注意 的问题以及与实际工程的关系，对未来 结构模型竞赛发展方向提出建议。关键词：工程；创新；实践；设计； 模型制作工程模型创新依托我校已有的工程 类专业，在对其进行细致的学习了解后， 利用其专业知识以及对已有模
2、型成果的目前大学生自主创新意识薄弱，现 如今包括教育界在内的主流社会己经达 成共识：提升当代大学生的创业创新能 力是各个高校教育的核心内容，以此思 路为指引，提升大学生自主创业和自主 创新的项目如雨后春笋般出现。目前， 各高校相继开展工程模型设计大赛、申 请创新项目等，但缺乏专业的指导和实 践，将模型应用到生产实践更是少之又 少。结构模型设计与实际工程设计有着 紧密的联系，其设计过程与实际结构设 计过程大同小异。结构模型设计过程需 要结构工程学科的基本理论知识和专业 知识，是了解学生是否掌握力学基本原 理与分析方法、工程材料的基本性能和 适用条件、结构构件的力学性能和计算 原理等的最直接检验，
3、可为学生今后从 事结构工程设计、施工、管理以及研究 开发等实践性工作打下基础。但是由于 结构模型在几何外形上远远小于实际结 构，因此二者在材料选用、材料性能、 设计原则、制作加工工艺等方面存在很 大的差别。参考文献1结构力学王荫长等编、冶金 工业出版社.2结构力学（上、下册）（第四 版）杨?康编、高等教育出版社.3结构力学（上、下册）（2004） 李廉镉编、高等教育出版社.4机械原理邹慧君、张春林、 李杞仪主编（第二版）高教出版社2006.5机械设计及理论李柱国、许 敏主编科学出版社2003.1黑龙江八一农垦大学大学生创新 创业训练计划项目项目名称“工程模型 创新团队”2通讯作者：陈明月（19
4、83, 9-）, 汉族，黑龙江哈尔滨市，理学硕士，黑 龙江八一农垦大学工程学院辅导员，讲 师。（作者单位：黑龙江八一农垦大学， 黑龙江大庆163319）转化，进行新的工程模型创新项目，以 往的工程模型大多以学院安排的课程实 验为主，学生完成的过程中大多对老师 产生严重的依赖性，目的性不明确，所 以导致其创新性严重不足，并且课程实 验中的模型制作多为“填鸭”教育，学 生对模型的思考及创新结果可想而知。工程模型创新项目是在明确立题的 基础上全部由学生本人自主完成，其成 果在后期由指导老师设定标准后统一进 行测评，检验其创新性，并与传统的成 果进行比较，总结经验成果。1、研究项目与研究方法1.1研究
5、项目其中以土木结构设计为首，旗 下主要作品为龙门式起重机(gantry crane)是桥式起重机的一种变形，俗称 龙门吊、龙门起重机。龙门式起重机是 门式起重机的象形说法。主要用于室外 的货场、料场货、散货的装卸作业。整 体结构像门形框架，承载主梁下安装两 条支脚，可以直接在地面的轨道上行走, 主梁两端可以具有外伸悬臂梁。龙门式 起重机具有场地利用率高、作业范围大、 适应面广、通用性强等特点，在港口货 场得到广泛使用。如图1所示的桁架梁式龙门起重 机是由角钢或工字钢焊接而成的，优点 是造价低，自重轻，抗风性好。但是由 于焊接点多和桁架自身的缺陷，桁架梁 也具有挠度大，刚度小，可靠性相对较 低，
6、需要频繁检测焊点等缺点。适用于 对安全要求较低，起重量较小的场地。其二塔吊，其结构是一种常见 的工程结构，广泛应用于建筑工程、桥 梁工程、安装工程、交通工程等领域， 是一种需求量大，安全性要求高的结构。 塔吊模型，模型包括塔架（及其下部延 伸部分）、起重臂、平衡臂等构件，其构 造示例如图2所示。模型采用竹条材料 制作，现场完成模型的塔架结构部分（包 括下部延伸部分）和吊臂部分（包括起 重臂、平衡臂及其上面所有结构）。其次为3D打印（3DP）即快速 成型技术，它是一种以数字模型文件为 基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技 术。3D打印通常是采用数字技术材料打
7、 印机来实现的。常在模具制造、工业设 计等领域被用于制造模型，后逐渐用于 一些产品的直接制造，已经有使用这种 技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、 鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、 汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教 育、地理信息系统、土木工程、枪支以 及其他领域都有所应用。通过对其技术 核心的自主学习，加强自己的创新能力 和动手操作能力，我们通过结合学校现 有的实验器材，进行创新设计,3D打印， 最后做出实体模型。其部分成果展示：在此基础上，进行了较大模型 的学习和制作，以拖拉机模型为例，对 拖拉机的整体原理进行了仔细的分析和 学习，经多次试验失败后，总结经验，最终成型。部分成果
8、展示：1.2研究方法结合工程类基础课程的理论力学、 材料力学、机械学、机械原理、机械设 计等一系列的专业知识，与现代创新项 目接轨，其资料查询来源于本校网络图 书馆及其他网络文献。经过一系列的测算后，通过大家讨 论后得出集中称重性能及力学结构较好 的进行拼装实验与改进;通过UG等三维 软件的绘画、渲染、结构的运动仿真等 进行前期的预实验，之后采用3D打印的 方式进行实际的操作。使用竹条和胶水制作一龙门式起重 机结构，下部具有至少长600mm,宽 350mm的立面空间，将在顶部梁的中央 悬挂一质量为10Kg的加载配重，要求 结构在此工况下不发生破坏。塔吊起重 臂和平衡臂的配重点位置应设置一根较
9、粗的横梁以方便加载挂钩的安放，横梁 和周边构件不能妨碍加载，加载挂钩直 接悬挂在横梁中间位置；起重臂和平衡 臂的配重点在底板平面的投影位置到塔 架底板中心距离分别为400mm和 200mm。模型采用竹条材料制作，通过 理论计算与实践测定其性能。2、结果与分析2.1方案构思：塔吊采用悬挑桁架结构，四边形竖 直支座稳如泰山浩然正气，上端呈三棱 锥的悬挑整体桁架在继承传统造型的意 义上又不失改革创新。整体给人一种“似 曾相识”却又“未曾谋面”的意境。在 整体形象给人带来亲和力的同时，理性 技术的表现也毫不逊色：“k”形斜撑就 极具艺术感染力清晰地体现了力与美。 塔吊整体外观通透、纯净、轻盈、精巧。结
10、构制作：力学可分析，三角形是最稳定的结 构，利用三角斜撑的稳定性，结构上部 荷载就可逐层分解到下部支架，受力均 匀，从而使整个结构稳定。考虑到比赛 中模型先后受到竖向荷载和侧向荷载， 其中以侧向荷载为主要控制荷载，模型 结构选择了框架和柱间斜撑构成的框 架一斜撑体系，框架结构主要承受竖向 荷载，斜撑体系主要承受侧向荷载，从 而保证结构具有足够的侧向刚度，控制 其侧向位移在规定范围内。结构采用圆形杆，制作简单，抗压 性、抗拉性都较出色。根据各杆件不同 的受力情况，其直径选择也各不相同。 通过制作工艺，使杆中纸与纸之间贴合 紧密，强度保持在受力范围内，减轻了 杆的自重，达到了节约材料的目的。2.2
11、方案构思：龙门式起重机采用拱形桁架结构， 三角形竖直支座，上部采用拱形三角形 桁架。 2.3以抽油机为例，大庆 做为石油之城，全城遍布了游梁式抽油 机，他主要通过连杆机构换向，曲柄重 块平衡的抽油机，俗称磕头机。游梁式 抽油机是油田目前主要使用的抽油机类 型之一，主要由了驴头一游梁一连杆一 曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装 备等四大部分组成。工作时，电动机的 传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头 的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动 井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不 断地把井中的原油抽出井筒。教师在教 学过程中，也会不只一次的提到，所以 我们进行了实地的测量与观察，并手绘 出一个抽油机的运动模
12、型，经过等比例 缩放，用UG软件进行了实际的建模，把 抽油机的运动类型及轨迹，进行了参数 化，进过有限元分析，确定了实际可行 的模型结果。然后经过3D打印机的成型, 最后得出一个抽油机的实体模型，可以 模仿抽油机在实际工作过程中的运动情 况。在机械加工中，牛头刨床是常见的 加工工具。中小型牛头刨床的主运动大 多采用曲柄摇杆机构（见曲柄滑块机构） 传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。 大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基 本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度 大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀 加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨 床的生产率较低。机床的主参数是最大 刨削长度。牛头刨床主要有普通牛头刨
13、床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。 普通牛头刨床（见图）由滑枕带着刨刀 作水平直线住复运动，刀架可在垂直面 内回转一个角度，并可手动进给，工作 台带着工件作间歇的横向或垂直进给运 动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。 仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加 一仿形机构，用于加工成形表面，如透 平叶片。移动式牛头刨床的滑枕与滑座 还能在床身（卧式）或立柱（立式）上 移动，适用于刨削特大型工件的局部平 面。我们这次设计中，对牛头刨床的运 动进行了简化。简化为床身、导轨、滑 台、刀头、夹具等几部分。驱动部分的 电动机用手轮来代替，主要体现牛头刨 床在加工过程中的运动方式。还可以用 作机械原理的教具，方便老师上课讲解。3、讨论
