現代設計方法在機械設計制造及其自動化專業教學中的應用

匡 兵 孫永厚

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

機械設計制造及其自動化專業培養具備機械設計制造基礎知識與應用能力，能在工業生產第一線從事機械制造領域內的設計制造、科技開發、應用研究、運行管理和經營銷售等方面工作的高級工程技術人才。目前我國的制造業已進入了一個新的發展時期，由以前的仿制為主轉為自主創新、自主研發階段,但機械產品種類眾多，許多機械產品結構復雜，由幾十、幾百甚至成千上萬個零部件組成，若采用傳統的設計計算方法和手段，設計周期長、設計成本高，無法滿足市場需求，而先進的三維數字化設計、優化設計、有限元分析、動態仿真模擬等現代設計方法以其準確、快捷和高質量的特點被越來越多的企業所采用。因此，培養高素質創新人才是時代對高等學校機械設計制造及其自動化專業提出的迫切要求，需要從培養目標、培養方案和教學組織管理等方面對機械設計制造及其自動化專業的創新人才培養模式進行研究與實踐，加強計算機三維輔助設計、優化技術、有限元分析技術、動態仿真模擬等技術理論和實踐能力培養，滿足社會對應用型、復合型、創新型機械設計制造及其自動化專業人才的培養要求[1]。為此，必須對機械設計制造及其自動化專業方向的課程體系進行整體優化，將現代設計方法融入課程群。

1 調整培養計劃，增設現代設計方法的課程

現代設計方法是在繼承和發展傳統設計方法的基礎上，隨著計算機技術的飛速發展和廣泛應用，融匯新的科學理論和科技成果而形成的一個新興的設計學學科，經過幾十年的發展到現在已有包含創新設計、優化設計、可靠性設計、有限元設計、產品生命周期設計和動態設計等在內的幾十種設計方法[2-4]。現代設計方法學科包含的內容很多，但專業培養計劃中的總學時數是有限的，并且在專業的知識體系結構需要通過公共基礎課、專業基礎課和專業課等多種課程來構建。因此，需要權衡多方面的因素，精心規劃課程組合，以達到將現代設計方法的知識融入專業的知識體系結構中的目標。

最終確定以 《機械創新設計》、《系統可靠性設計》、《機械CAD/CAM》和《機械優化設計》四門課作為專業任選課的核心課程群。《機械創新設計》課程介紹機械創新設計的表達方法、機械創新設計的選題、功能原理創新設計、機構創新設計、結構創新設計、一般創新設計技法、創造力開發和創新失誤分析等內容[5]。《系統可靠性設計》課程介紹保證機械及其零部件滿足給定的可靠性指標的機械設計方法，包括產品的可靠性的預計、分配、技術設計和評定等內容[6]。《機械CAD/CAM》課程介紹機械CAD/CAM技術基礎、機械CAD/CAM數據處理、機械設計與加工、機械CAD/CAM建模和數控加工基礎等內容[7]。《機械優化設計》課程介紹優化設計概述、優化方法的數學基礎、一維搜索方法、基于導數的優化方法、非導數優化方法、線性規劃方法、優化設計實用技術、機械優化設計常用軟件等內容[8]。

《機械創新設計》、《系統可靠性設計》、《機械CAD/CAM》和《機械優化設計》這四門課程所介紹的現代設計方法都是目前在制造企業應用較為廣泛的技術，通過這些課程的學習，有助于學生對現代設計方法有一個較深入的認知。

2 在其他教學環節中融入現代設計方法

由于培養計劃的限制，只能在專業任選課中開設幾門課，這對全面了解現代設計方法來說是不夠的，因此還需要在其他課程中融入現代設計方法的內容。

首先是關于現代設計方法的整體性介紹。由于培養計劃中沒有單獨開設這門課，因此，在《機械設計》課程中，結合其中設計總論的內容，專門用2個學時對現代設計方法做一個概述，使學生對現代設計方法有一個較為全面的初步了解。通過這樣的概述，結合《機械設計》課程的學習，調動學生進一步了解現代設計方法的興趣，為學生在后期進行專業任選課的選擇做引導。

其次是在其他課程中結合課程內容的特點融入一些現代設計方法的知識。例如：在《工程力學》課程中，結合力學分析的內容融入有限元分析方法，將傳統的力學分析計算與利用計算機輔助進行的有限元分析放在一起。先通過用有限元分析方法對一些力學分析算例進行驗算的過程使學生掌握有限元分析方法的一些基礎知識。然后，布置一個大作業，利用有限元分析方法對傳統力學分析無法完成的算例進行分析，從而使學生對有限元分析方法的應用有一個較清晰的認識。

另外，在實踐教學環節中加入現代設計方法的內容。現代設計方法是一門應用型學科，因此，在實踐教學環節中加入一些現代設計方法的內容是將現代設計方法融入學生的設計思維的重要環節之一。當然，具體實施的時候也要考慮實踐教學環節本事的特點，例如：在《機械原理課程設計》中可以將現代設計方法中的動態設計內容融合進來，要求學生在設計機構運動方案時利用仿真軟件進行動態仿真；在《機械設計課程設計》中可以將現代設計方法中的有限元分析和優化設計內容融合進來，要求學生在結構設計中利用有限元分析軟件進行受力分析，采用優化設計方法對一些結構參數進行優化設計；在《畢業設計》中可以結合畢業設計的題目將現代設計方法中的內容融合進來，提升學生運用現代設計方法進行機械設計的能力，培養學生運用現代設計方法進行機械設計的習慣。

3 現代設計方法在輔助教學上的應用

除了開設現代設計方法的相關課程和在其他教學環節中融入現代設計方法這兩種方式之外，還可以在一些相關課程的教學中運用現代設計方法輔助教學。

在一些理論課程的課堂教學中，可以利用三維CAD技術和三維運動仿真技術等現代設計方法來輔助教學。例如：在《工程圖學》的課堂教學中,可以利用SolidWorks等三維CAD軟件輔助教學。在介紹組合體構形的內容時，可以在三維CAD軟件中操作展示疊加、切割、相交、拉伸和旋轉等常見的組合體構形方法，相對于傳統的圖片展示更為直觀生動，同時也展現了利用三維CAD軟件生成三維立體的過程。在介紹表達方法的內容時，可以利用三維CAD軟件中的剖視命令演示立體的全剖、半剖、局部剖和斷面圖等表達方法的實現過程，可以幫助學生在掌握制圖中表達方法知識的同時也了解在三維CAD軟件怎樣進行剖視圖的生成。在介紹裝配圖的內容時，可以利用三維CAD軟件演示由零件裝配組成裝配件的過程，使幫助學生在掌握產品裝配知識的同時也了解在三維CAD軟件怎樣裝配產品。又如：在《機械原理》的課堂教學中,可以利用三維運動仿真軟件輔助教學。 在介紹平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系和其他常用機構的內容時，以前講課時只能采用黑板畫圖和掛圖，急回、慢進、偏置和對心等運動狀態完全依靠老師的講解和學生的想象，空間思維能力較差的學生只能死記硬背，很難徹底理解。借助三維運動仿真軟件，建立機構的裝配體模型，動態模擬機構運動的情況，讓學生生動、形象地了解運動情況及產生的原因，學生既容易理解，還記得牢，深受學生的歡迎。

在一些實踐教學環節中，同樣可以利用虛擬仿真技術和三維運動仿真技術等現代設計方法來輔助教學。例如：在《工程制圖測繪》中，利用三維CAD軟件建立齒輪泵和減速器等的零件和裝配模型，再利用虛擬仿真技術建立齒輪泵和減速器的模擬拆裝環境，采用虛擬環境模擬加實際動手拆裝的方式相結合，能減少實際拆裝時的問題，達到提高教學質量的目的。在《機械原理》課程的機構動力學調速及動平衡實驗中，可以利用虛擬仿真技術構建實驗臺的虛擬操作環境，學生可以利用虛擬實驗臺先熟悉具體的實驗操作，從而達到節約實驗時間和提高教學質量的目的。在《機械原理》課程的機構動力學調速及動平衡實驗中，可以利用虛擬仿真技術構建實驗臺的虛擬操作環境，學生可以利用虛擬實驗臺先熟悉具體的實驗操作，從而達到節約實驗時間和提高教學質量的目的。在《機械原理》課程的機構傳動系統設計實驗和機構組合創新實驗中，利用三維CAD軟件建立實驗時需要用到的所有構件的三維模型，再導入三維運動仿真軟件中建立實驗仿真平臺，學生可以利用實驗仿真平臺先搭建預想中的機構，并通過運動仿真驗證所搭建機構是否所需，可以大量節約節約實驗時間，也為一些有興趣的同學去搭建更多不同的機構創造了條件。

4 結論

針對社會經濟發展對機械設計制造及其自動化專業人才的實際需求，以現代設計方法為核心，建立現代機械設計創新人才的培養體系。調整培養計劃，增設《機械創新設計》、《系統可靠性設計》、《機械CAD/CAM》和《機械優化設計》四門課作為專業任選課的核心課程群。在《機械設計》課程中對現代設計方法做一個概述，在《工程力學》、《機械原理課程設計》和《畢業設計》等相關的理論和實踐課程中結合課程的特點融入現代設計方法的部分內容；在《工程圖學》、《機械原理》和《工程制圖測繪》等相關的理論和實踐課程中應用現代設計方法輔助教學。經過幾年的實施，該體系能有效地將現代設計方法融入到機械設計制造及其自動化專業的教學和實踐中，使學生能夠更好地滿足社會需求，更能突出我校機械設計制造及其自動化專業學生的實用特色。

［1］王利英,上官林建,紀占玲,韓林山.現代設計方法在工程機械專業教學中的應用[J].華北水利水電學院學報:社科版,2010,26(4):161-162.

［2］趙松年,佟杰新,盧秀春,主編.現代設計方法[M].機械工業出版社,2011.

［3］曹巖,李建華,劉紅軍,杜江,主編.現代設計方法[M].西安電子科技大學出版社,2010.

［4］鐘志華,周彥偉,主編.現代設計方法[M].武漢理工大學出版社,2010.

［5］張美麟,主編.機械創新設計[M].化學工業出版社,2010.

［6］宋保維,主編.系統可靠性設計[M].西北工業大學出版社,2008.

［7］柯吉友,主編.機械CAD/CAM[M].北京理工大學出版社,2009.

［8］王國強,主編.機械優化設計[M].機械工業出版社,2009.