機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)解決復(fù)雜問(wèn)題的項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐

汪泉　孫金風(fēng)　王君　任軍　魏瓊

摘 要 為了提高機(jī)械專業(yè)本科生解決機(jī)械相關(guān)復(fù)雜問(wèn)題的能力，本教學(xué)實(shí)踐結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目提出綜合運(yùn)用MATLAB、PROE及ANSYS軟件解決復(fù)雜機(jī)械相關(guān)問(wèn)題的教學(xué)方法。本項(xiàng)目式教學(xué)，引入復(fù)雜機(jī)械曲面造型問(wèn)題，借助常用三款軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立其三維模型并進(jìn)行有限元分析。綜合知識(shí)多，難度較大，對(duì)培養(yǎng)重點(diǎn)高校學(xué)生創(chuàng)新與科學(xué)研究具有很好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 MATLAB PROE ANSYS 機(jī)械設(shè)計(jì) 復(fù)雜問(wèn)題 項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.041

Abstract So as to improve the ability of solving complicated mechanical problems， a teaching method combined actual project using MATLAB， PROE， and ANSYS software is presented. The complicated mechanical surface is selected in this project teaching. According to the advantages of the three software， The data is calculated by MATLAB， the 3D model is built by PROE， and the finite element is analyzed by ANSYS. The project teaching is very useful for improving the innovation and science study in the key university students.

Key words MATLAB； PROE； ANSYS； mechanical design； complicated problem； project teaching

0 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)作為機(jī)械工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，如何培養(yǎng)本科生綜合運(yùn)用本科機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)所學(xué)知識(shí)，例如：高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)等核心課程，使本科生在熟悉掌握理論知識(shí)的同時(shí)，能夠運(yùn)用幾門軟件解決機(jī)械領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題。徐高歡，陳雯蘭等人①將MATLAB軟件編制程序模擬機(jī)械設(shè)計(jì)中的連桿機(jī)構(gòu)、齒輪運(yùn)動(dòng)仿真，使得課堂更加生動(dòng)直觀。李克勤②將CDIO教育理念引入到機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并通過(guò)兩個(gè)項(xiàng)目的演示，使得教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果。田和強(qiáng)，蘇春建等③將“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式引入CAD/CAE課程教學(xué)中，構(gòu)建CAD/CAE軟件課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型。楊文敏④在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，運(yùn)用CAD/CAE軟件，推薦學(xué)生先建立三維實(shí)體模型，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行CAE分析，這一實(shí)施增強(qiáng)了學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。段魏，范孝良⑤提出基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的研究性教學(xué)，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力。此外，還有一些老師⑥⑦⑧在這方面做了很多教學(xué)改革與嘗試，均取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。然而，以上教學(xué)改革往往只是注重某一方面的研究，而忽視了學(xué)生綜合基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)與專業(yè)知識(shí)，運(yùn)用幾款軟件之間的連接來(lái)解決復(fù)雜機(jī)械問(wèn)題。本文將以復(fù)雜機(jī)械問(wèn)題為項(xiàng)目導(dǎo)入，學(xué)生在分析這類問(wèn)題時(shí)，通過(guò)查閱資料不斷回憶本科所學(xué)基本理論知識(shí)，另外，要求學(xué)生在一定的時(shí)間自學(xué)常用的三類軟件，即科學(xué)計(jì)算軟件、CAD三維畫圖以及CAE有限元分析軟件，逐步提高學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。本項(xiàng)目式教學(xué)探討，將有利于提高重點(diǎn)高等院校研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 項(xiàng)目的引入

本教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目以復(fù)雜機(jī)械曲面幾何造型為切入點(diǎn)（本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)雜葉片氣動(dòng)外形幾何造型為項(xiàng)目任務(wù)），已知該葉片的幾何參數(shù)，如葉片的二維截面幾何數(shù)據(jù)、葉片弦長(zhǎng)、扭角及葉片的長(zhǎng)度等。要求學(xué)生運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)將葉片二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間三維數(shù)據(jù)點(diǎn)；將葉片三維數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入CAD軟件中建立復(fù)雜葉片三維實(shí)體模型；最后，將CAD中建立的模型導(dǎo)入CAE有限元軟件中，進(jìn)行有限元計(jì)算。

2 MATLAB解決第一類問(wèn)題

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，要求學(xué)生對(duì)葉片的幾何參數(shù)有一定的認(rèn)識(shí)，通過(guò)老師講解與學(xué)生查閱相關(guān)資料，使學(xué)生能夠理解葉片是由翼型通過(guò)變換弦長(zhǎng)及扭角而產(chǎn)生的。通過(guò)查閱相關(guān)資料，得知葉片三維坐標(biāo)與二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

（1）

其中，，為葉片翼型二維坐標(biāo)，為葉片截面弦長(zhǎng)；為葉片扭角，為葉片展長(zhǎng)。

運(yùn)用MATLAB編制程序，可計(jì)算出葉片三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，這里采用surfl命令以顯示三維圖來(lái)表示，如圖3所示。通過(guò)第一類問(wèn)題的解決，學(xué)生可學(xué)會(huì)解決復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算的問(wèn)題，如汽車復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)、航空航天模型數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算問(wèn)題等。

3 CAD解決第二類問(wèn)題

針對(duì)第二類問(wèn)題，利用比較常用的Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。將數(shù)據(jù)點(diǎn)以.stl格式導(dǎo)入Pro/E軟件中，繪制各截面的輪廓線，使用邊界混合工具生成整體葉片框架，并完成曲面的合并，畫出葉片實(shí)體圖。

4 CAE解決第三類問(wèn)題

針對(duì)第三類問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生查閱如何將三維CAD模型導(dǎo)入在有限元軟件中（如ANSYS），通過(guò)將CAD模型另存為.igs格式，再導(dǎo)入到ansys有限元軟件中。導(dǎo)入后，對(duì)模型進(jìn)行前處理，網(wǎng)格劃分及邊界處理，得到有限單元網(wǎng)格模型如圖5所示。該有限元模型建立后，后續(xù)可逐步提高學(xué)生有限元計(jì)算能力，如應(yīng)力分析、模態(tài)分析等。

5 小結(jié)

通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)綜合性項(xiàng)目，很好地將基礎(chǔ)學(xué)科與專業(yè)課程結(jié)合在一起，利用MATLAB解決基礎(chǔ)學(xué)科相關(guān)問(wèn)題，采用CAD三維軟件將已經(jīng)解決的基礎(chǔ)學(xué)科問(wèn)題直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，采用CAE軟件對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行力學(xué)分析。本項(xiàng)目式教學(xué)的開(kāi)展，一方面使得學(xué)生能夠熟練運(yùn)用常用的軟件，不僅意識(shí)到基礎(chǔ)學(xué)科與專業(yè)學(xué)科的聯(lián)系，另外一方面更能提高學(xué)生逐漸解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力。將有益于重點(diǎn)院校機(jī)械類專業(yè)研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405140）

注釋

① 徐高歡，陳雯蘭，孫培峰，萬(wàn)海波. ＼MATLAB的交互式仿真在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2014.26（1）：82-86.

② 李克勤.基于CDIO理念的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊，2015.11：128-129.

③ 田和強(qiáng)，蘇春建，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的機(jī)械專業(yè)類專業(yè)CAD/CAE軟件課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].教育教學(xué)論壇，2014.37：158-159.

④ 楊文敏.CAD/CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)課堂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010.8（1）：106-108.

⑤ 段魏，范孝良.基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”研究型教學(xué)實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊，2015.6：105-106.

⑥ 史越.三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究[J].設(shè)計(jì)與研發(fā)，2013.23：26-27.

⑦ 唐川林，明興祖，等.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革與建設(shè)[J].教學(xué)研究，2011.34（6）：67-70.

⑧ 林怡青，謝宋良.以項(xiàng)目為線索的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010.10：174-175.