SolidWorks在內(nèi)燃機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)類教學(xué)改革中的應(yīng)用實(shí)踐

摘要：傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)中，主要的教學(xué)方式是數(shù)學(xué)計(jì)算及抽象的二維手工繪圖模式。結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，在本專業(yè)課程設(shè)計(jì)中采用新教學(xué)方式，利用SolidWorks創(chuàng)建內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型、動(dòng)態(tài)模擬裝配和模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；專業(yè)課程設(shè)計(jì)；三維模型；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：吳鳳英（1979-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，講師；苗家軒（1971-），男，河南西平人，河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，工程師。（河南 洛陽(yáng) 471003）

基金項(xiàng)目：本文系河南科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012Y-004）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）19-0072-02

內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)是“內(nèi)燃機(jī)原理”、“內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造”、“內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)”等主要專業(yè)課程課堂知識(shí)的擴(kuò)展和綜合應(yīng)用，將結(jié)構(gòu)、原理和設(shè)計(jì)的內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合在一起，具有較強(qiáng)的專業(yè)性和拓展性。其目的是通過(guò)專業(yè)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，使學(xué)生掌握內(nèi)燃機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的設(shè)計(jì)思想及理念的出現(xiàn)，一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法（如CAD、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)等）得到了長(zhǎng)足發(fā)展，這些方法也逐漸被學(xué)術(shù)界和工程界所重視和應(yīng)用，對(duì)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生非常重大和深遠(yuǎn)的影響。高等教育必須適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需求。在本專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中雖然也開(kāi)設(shè)了相關(guān)先進(jìn)的如“內(nèi)燃機(jī)CAD”、“有限元分析”、“優(yōu)化設(shè)計(jì)”等課程，但在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)中主要教學(xué)方式仍然是數(shù)學(xué)計(jì)算及相對(duì)抽象的手工二維繪圖模式，使學(xué)生長(zhǎng)期停留于手工設(shè)計(jì)階段，學(xué)生往往套公式、機(jī)械模仿，為得到合理的數(shù)據(jù)不得不耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行多次重復(fù)計(jì)算，設(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)的效果也僅能達(dá)到基本技能的訓(xùn)練。而且部分學(xué)生由于缺乏主動(dòng)性，往往都是根據(jù)給定的參考圖紙稍作修改的二維繪圖模式，繪圖過(guò)程枯燥、抽象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)部分學(xué)生照搬照抄等現(xiàn)象。這顯然不能滿足現(xiàn)代制造工程對(duì)學(xué)生的技能需求，因此內(nèi)燃機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)類教學(xué)方法的改革迫在眉捷，必須進(jìn)行設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思維上的變革，鼓勵(lì)學(xué)生掌握有廣泛需求的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和數(shù)字化設(shè)計(jì)技能。[1]從三維物體出發(fā)想象構(gòu)思產(chǎn)品，在三維軟件的支持下建立數(shù)字化的三維幾何模型，并通過(guò)電腦屏幕三維動(dòng)態(tài)顯示對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位觀察，然后進(jìn)行交互修改，最終生成三維產(chǎn)品。利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立的內(nèi)燃機(jī)三維實(shí)體模型和運(yùn)行仿真可以將內(nèi)燃機(jī)的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)、部件之間的裝配關(guān)系、各種運(yùn)動(dòng)軌跡都清晰直觀地顯示出來(lái)，不僅在視覺(jué)上帶給設(shè)計(jì)人員更感性的認(rèn)識(shí)，其模型也可以為CAM、CAE、CAPP、PDM等后續(xù)工作所使用。而且SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)化功能又可以為今后產(chǎn)品的改良、改型提供方便，所以利用計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)可以同時(shí)達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的目的。讓學(xué)生在高效完成專業(yè)課程設(shè)計(jì)時(shí)還可以逐步掌握三維CAD 軟件的設(shè)計(jì)方法，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作奠定基礎(chǔ)。

一、三維繪圖軟件SolidWorks簡(jiǎn)介

三維設(shè)計(jì)是建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，是設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化、更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，三維設(shè)計(jì)技術(shù)的普及是必然趨勢(shì)。因此，對(duì)于工科大學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握一門三維設(shè)計(jì)軟件是非常必要的。目前在我國(guó)CAD 市場(chǎng)上比較流行的三維CAD軟件有SolidWorks、UG、Pro/E等。其中，SolidWorks軟件的設(shè)計(jì)思路十分清晰，最大的特點(diǎn)是上手快，可以作為三維設(shè)計(jì)軟件學(xué)習(xí)的入門。國(guó)際上一流名校將SolidWorks 定為大學(xué)本科學(xué)生的必修課目，如麻省理工學(xué)院、英國(guó)劍橋大學(xué)等院校。[2]SolidWorks是一套基于Windows的桌面集成系統(tǒng)，是由美國(guó)SolidWorks公司在總結(jié)和繼承了大型機(jī)械CAD 軟件的基礎(chǔ)上在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD軟件，其設(shè)計(jì)過(guò)程具有全相關(guān)性，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的任何階段進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，同時(shí)牽動(dòng)相關(guān)部分的改變，并在SolidWorks 的特征管理器設(shè)計(jì)樹下清晰地列出了設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息都包含其中，反映了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過(guò)程及基本思路。在教學(xué)中隨時(shí)可以利用SolidWorks 的回溯棒了解復(fù)雜形體的形成過(guò)程，了解裝配的過(guò)程及裝配關(guān)系，通過(guò)切割觀看物體內(nèi)部的詳細(xì)情況，使用動(dòng)態(tài)視圖旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)按鈕使物體任意旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生從各個(gè)角度甚至內(nèi)部觀察物體。它還可以進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，計(jì)算質(zhì)量特征，如質(zhì)心、慣性矩等。它將二維繪圖與三維造型技術(shù)融為一體，通常可以利用二維草圖通過(guò)相關(guān)的特征生成三維模型，并可以利用創(chuàng)建好的三維實(shí)體模型生成相應(yīng)的二維草圖，并能自動(dòng)地生成零部件尺寸材料明細(xì)表，具有指引線的零部件編號(hào)等技術(shù)資料，從而簡(jiǎn)化了工程圖紙的生成過(guò)程。其先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)使操作更加簡(jiǎn)便和直觀，具有較好的開(kāi)發(fā)性接口和功能擴(kuò)充性，能輕松實(shí)現(xiàn)各種CAD 軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送。[3]

二、SolidWorks在內(nèi)燃機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)類教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

河南科技大學(xué)本專業(yè)專業(yè)課程設(shè)計(jì)的基本要求是根據(jù)已有的參考圖紙、參考資料選用單缸柴油機(jī)作為設(shè)計(jì)機(jī)型。分組完成一種機(jī)型的總體和主要系統(tǒng)及零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程。

筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，在本專業(yè)課程設(shè)計(jì)中采用新教學(xué)方式，利用SolidWorks模擬軟件完成內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程及思維的引導(dǎo)，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的知識(shí)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，不僅向?qū)W生提供足夠的理論知識(shí)，同時(shí)通過(guò)對(duì)大量典型零件及機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，提高學(xué)生使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)效率。下面以利用SolidWorks創(chuàng)建內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型和動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程為例，說(shuō)明SolidWorks在河南科技大學(xué)內(nèi)燃機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)類教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用。

1.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件的三維實(shí)體模型建立

內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要包括活塞、連桿、曲軸、活塞銷等零件。[4]首先是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)各個(gè)零件的相關(guān)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，然后利用SolidWorks強(qiáng)大的三維實(shí)體建模功能對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各組成零件進(jìn)行建模。主要是在草圖的基礎(chǔ)上利用SolidWorks特征工具欄的相關(guān)工具完成各部分的實(shí)體模型的創(chuàng)建。例如活塞的頭部利用草圖“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)”工具完成，活塞頭部草圖及部分重要尺寸如圖1所示。活塞裙部由于各個(gè)橫截面尺寸不同采用了“放樣凸臺(tái)”來(lái)完成，活塞銷座利用拉伸凸臺(tái)完成，活塞銷孔采用拉伸切除完成，卡環(huán)槽利用旋轉(zhuǎn)切除的方式完成，然后進(jìn)行相關(guān)的倒角和圓角等。最終完成的內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件活塞三維模型如圖1、連桿三維模型如圖2、曲軸三維模型如圖3所示。

2.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬裝配

內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件活塞、活塞銷、連桿和曲軸用SolidWorks實(shí)體建模后，根據(jù)機(jī)構(gòu)中各部件間的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，添加約束，進(jìn)行模型裝配。約束關(guān)系由裝配模擬中的配合完成，配合關(guān)系如圖4所示，添加后符合內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)完成模擬裝配后，可以利用爆炸功能實(shí)現(xiàn)裝配模型的動(dòng)態(tài)爆炸，可以動(dòng)態(tài)模擬裝配過(guò)程（在SolidWorks環(huán)境中可以動(dòng)態(tài)反映裝配過(guò)程），形象直觀。爆炸步驟如圖5，爆炸后視圖如圖6。

3.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行仿真

內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)完成模擬裝配后，可以利用系統(tǒng)的模擬工具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，利用模擬工具的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)完成。旋轉(zhuǎn)軸選擇曲軸主軸頸中心線，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度后，即可觀察內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。模擬運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置如圖7所示。

三、總結(jié)

結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，在本專業(yè)課程設(shè)計(jì)中采用新教學(xué)方式，利用SolidWorks模擬軟件完成內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維及想象能力，栩栩如生的三維立體圖增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也充分發(fā)揮了教師的主觀能動(dòng)性。采用三維繪圖軟件大大提高了教學(xué)效率。教學(xué)實(shí)踐證明，采用SolidWorks軟件完成內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的二維繪圖方式的教學(xué)效果，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求。本文以創(chuàng)建內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型和動(dòng)態(tài)模擬裝配和模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程為例，闡述了利用SolidWorks軟件完成三維實(shí)體模型和動(dòng)態(tài)模擬裝配和模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一般方法。此外，運(yùn)用SolidWorks軟件完成內(nèi)燃機(jī)專業(yè)課程設(shè)計(jì)的同時(shí)，也使學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力得到進(jìn)一步的提升，為順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了有力的保障。

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[3]陳敏，劉曉敘.基于SolidWorks的曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2011，（3）：36-78

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（責(zé)任編輯：劉輝）