三維數字化設計和仿真技術在機械基礎課教學中的應用與實踐

王本永， 劉元林， 樊秀芹

（黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱 150022）

0 引言

為了加強師資隊伍建設、學科專業建設和教學基礎設施建設，提高教育質量、科研水平和辦學效益，重點培養服務區域經濟社會發展所需要的應用型、技術技能型、復合型人才。要求既具有扎實的基礎理論知識、專業知識，又具有較強的工程意識、解決實際問題的實踐應用能力和知識在實踐中應用的再自主創造、再自主學習的能力。機械設計制造及其自動化專業作為黑龍江省重點特色專業，在以后的發展中被給予更高的要求，尤其是在機械基礎課程建設和改革上，要求積極探究教學方法、創新教學內容，使學生打好基礎，逐漸培養其具有工程意識和創新能力。在這樣的背景下，根據工程現場實際要求和現代技術發展狀況，本文提出通過三維數字化設計和仿真技術應用到機械基礎課程教學中，從教學內容、方法和手段上進行研究，不僅使學生加深對課程內容的理解，提高學習興趣和實踐創新能力，而且可以使學生掌握三維數字化設計和仿真技術，達到了全面提升課程的教學水平和創新人才培養的目的。

1 機械基礎課教學現狀和工程現場實際要求

機械基礎課包括機械制圖、機械原理、機械設計基礎及其相應的課程設計，開設在大一和大二學年，學生的工程意識和設計概念幾乎沒有，課程中所涉及的概念抽象、原理復雜、知識的專業性很強，課程的理論性和實踐性聯系緊密，學生反映難以接受和理解，是學生難學、教師難教的課程，對教學提出了挑戰。現階段機械基礎課教學中存在以下的問題：

1）學生的空間想象能力不足，而教材中多采用平面圖形，缺少對應的立體圖，阻礙了對工程圖的理解能力和表達能力的培養，影響了對后續專業課程的學習和掌握。

2）缺少與教材配套的實物模型，教學中所用的實物模型數量不足，不能跟隨教學內容的更新而及時更換。實物模型的使用受到時間和空間上的限制，只能在課堂和實驗室展示，缺乏靈活性。

3）由于機械基礎課存在概念的抽象性、原理規律的隱蔽性，目前常用的教學方法和手段不適合教學內容闡述和表達，結果造成無法發現和理解原理背后的本質規律，學生的認知只是停留在文字的表面敘述上，達不到深層次的拓展，思維和視野受到了限制。

4）機械基礎課之間以及與機械專業課之間存在著教學內容重復、銜接不夠完善的問題，在課時有限的情況下，影響了教學時間的合理分配，影響了學生學習的系統性和綜合性。

5）部分教學內容陳舊，符合時代發展要求的新內容沒有及時引入到課程教學中，對學生的職業發展不利。

現代化制造業對高校畢業生的要求是，既要有扎實的專業理論知識，又能將最新的技術應用到新產品開發上，提高產品設計質量，縮短開發周期，減少設計費用，提高個人的競爭力。目前在產品設計制造中，已經不再使用圖板繪圖，而是追求綠色設計、綠色制造理念，廣泛使用計算機繪圖和測量技術，三維數字化造型和仿真技術在工程現場得到重視和推廣使用［1］。

機械基礎課教學中存在的不足和工程現場實際情況，為課程的教學改革指明了方向，必須盡快將三維數字化設計和仿真技術納入到課程的教學改革中，及時調整教學方案，以機械基礎課程的教學改革為契機，推動專業課改革建設，提升人才培養的市場競爭力。

2 三維數字化設計和仿真技術及對課程教學的作用

三維數字化設計和仿真技術是在計算機技術、仿真技術、現代設計理論不斷發展和機械產品開發時迫切需要提高設計質量、完善整機性能、縮短開發周期、降低成本等要求的背景下產生的，是機械產品設計方法和設計手段的一次重大變革。采用三維數字化設計和仿真可以使產品驗證和設計修改交替并行進行，全方位模擬測試產品各組成部分的運行狀態和整機性能，達到產品的最佳設計方案，解決了傳統設計中只用物理樣機進行模擬試驗費工費時、出錯返工率高、某些性能參數無法測試的局限性和弊端。三維數字化設計和仿真技術的有效性已為眾多的成功設計所證實，比較典型的應用是美國波音公司的波音777客機的全數字化研制過程，其設計、裝機和測試都是在計算機上進行，做到了無圖紙化設計，保證一次試制成功。與傳統設計方法相比，研制周期縮短了50%，成本降低了25%，此外，還有通用動力公司全數字化機車虛擬樣機的使用，工程機械制造商Caterpillar公司采用數字化設計和仿真技術對大型設備進行改進和試驗等［2］。

三維數字化設計和仿真的主要工作包括產品的數字化定義、數字化預裝配、產品的數據管理、并行工程和虛擬制造等，其特征表現為分析設計的智能性、可視性、信息性、集成性和網絡性等,在具體的產品設計中體現了如下特點：1）能從系統層次上掌控產品的功能和行為要求。2）可以協同物理樣機對產品進行設計驗證和測試。3）能同時對多種設計方案進行仿真模擬、分析比較，從而易于得到最優設計方案。4）貫穿于產品開發的整個過程和全生命周期，并隨著產品的進一步開發而不斷得到完善。5）與常規的單領域仿真相比，涉及學科領域更廣，考慮問題更全面，能夠提高產品的整體設計質量。6）支持不同工程領域人員對同一數字化產品進行并行測試與評估。7）易于產品開發后期的設計更改，從而能顯著減小整個產品的開發周期，縮短產品上市時間。8）降低了設計成本。

基于以上對三維數字化設計和仿真技術的認識，可以將其引入到機械基礎課程教學中，并進行研究，有助于教學質量、人才培養質量和就業競爭力的提高。對課程教學的具體作用可概括為以下幾個方面：

1）幫助學生建立空間立體的概念，提高課程教學的直觀性，利用三維實體建模軟件能將三維實體模型轉化為二維平面工程圖的功能，使學生易于將三維立體和二維平面聯系起來，提高了學生對工程平面圖的理解力和表達力，簡化了課程內容的教學難度。

2）利用三維仿真軟件的運動模擬，可動態實時地顯示與三維實體模型的運動狀態相對應的任意參數，揭示機械工作原理背后隱藏的本質規律，化解抽象概念的教學難度，并可激發學生的學習和探索知識的興趣。

3）用三維數字化設計和仿真技術建立起來的虛擬樣機代替實物模型進行教學，能夠節省大量教學時間和資金投入，增加教學的信息量，由于不受時間和空間的限制，操作起來方便靈活，通過引導學生參與三維數字化模型的制作，可充分調動學生學習的主動積極性，培養學生使用新技術新手段解決實際問題的自主創新能力。

4）三維數字化設計和仿真技術是工程領域中一種新的現代化設計手段，在追求利益最大化的原則推動下，企業推廣這種技術的使用，可使企業在產品開發時，降低成本，提高質量和市場競爭力。目前國內缺少大量的掌握三維數字化設計和仿真技術專業人才，使得企業不能靠自身力量來解決一些關鍵問題，只能求助于科研院所或者高校，給產品開發帶來了諸多不便，因此將三維數字化設計和仿真技術引入到課程教學中，既豐富了課程的教學方法、教學手段和教學內容，又能使學生掌握新技術領域的知識，可大大提高學生的就業競爭力。

3 三維數字化設計和仿真技術在課程教學中的應用

常 用 的 三 維 軟 件 有 CATIA、UG、Pro/E、Inventor、SolidWorks、SolidEdge等，它們各有側重點，但從目前的市場占有率來看，SolidWorks居于首位。該軟件最容易掌握，帶有很多無縫連接的功能強大的工程分析插件。例如，有限元分析插件COSMOSWorks、運動分析插件COSMOSMotion等，采用的建模核心形式為Parasolid，與一些專業仿真分析軟件兼容，所用的算法得到支持，在數據傳遞時不會產生或較少產生信息損失［3］。因此，從操作靈活性和功能可升級的角度，選用SolidWorks作為機械基礎課教學輔助軟件。

在機械制圖課中，運用SolidWorks先建立三維實體模型，按照三維到二維，再由二維到三維的方式進行教學，更符合學生的認知規律。復雜組合體中截交線和相貫線的表示，第三視圖的補畫，剖視圖中剖切面的確定和表示，裝配體中各部分的連接和裝配關系的表達等，是教學中的難點。SolidWorks制作組合體三維模型的過程中，能從不同角度演示截交線和相貫線，生成二維工程圖非常方便，能動態修改剖切面的位置，多方位展示形體經過剖切后的三維效果，通過零件的虛擬裝配和爆炸圖的建立，對裝配圖的理解更加深刻。SolidWorks軟件的應用使得機械制圖中的難點迎刃而解。

在機械原理課中，可用COSMOSMotion插件輔助教學。首先通過SolidWorks建立機構各組成部分的三維實體模型并裝配，然后轉換到COSMOSMotion環境中，裝配約束會自動轉化為仿真模型的約束，添加必要的運動、驅動力、工作負載阻力以及COSMOSMotion特有的其它約束，建立仿真模型，就可以模擬機構的運行狀況，進行運動和動力分析。仿真結果可以用動畫、圖形、數據等多種形式輸出，為教學質量的提升提供了一種切實有效的手段和途徑。

在機械設計基礎課中，可用COSMOSWorks插件進行零件的強度校核和設計，讓學生感知新的設計和解決問題的有效方法。用COSMOSWorks進行強度校核，過程很簡單，將建立好的實體轉換到COSMOSWorks環境中，添加材料，施加約束和力，進行網格劃分，最后運行就可得到分析結果，一目了然。

4結語

將三維建模的方法和技能融合到機械基礎系列課程中，形成新的教學理論和內容，能夠從根本上體現技術更新對課程的影響，使學生掌握三維數字化設計和仿真技術，達到了全面提升課程的教學水平和創新人才培養的目的。因此，在確定具體的融合方式時，在保留原有課程內容結構的基礎上，根據課程學習的不同階段的需要，穩步引入三維數字化設計和仿真技術內容，進而形成完整的教學體系。

［1］ 徐建新,楊傳東.三維數字化設計及其應用［J］.煤炭科技，2010（4）：72-73.

［2］ 王本永,劉春生,孫月華.液壓與氣壓傳動課程虛擬樣機仿真教學探究［J］.黑龍江教育：高教研究與評估，2013(5)：56-57.

［3］ 王本永，劉春生，孫月華，等.基于三維實體造型和虛擬仿真技術的液壓與氣動課教學資源的制作［J］.中國現代教育裝備，2013（9）：11－13.