基于現代設計方法的研究生科研能力培養實踐運用

于國飛 盛精 王海兵

[ 摘 要 ] 以廈門理工學院研究生學位課程《車輛現代設計方法》為例，探討專業型碩士研究生的科研能力培養模式，針對不同專業的碩士生，選擇適合各自研究方向的車輛現代先進設計方法，達到快速有效精確地設計車輛零部件、各總成和整車，預測分析車輛性能的能力目標。匯總多種車輛現代設計方法，以歸納總結案例教學模式為主體，采用有效的教學方法和教學手段，提高研究生獨立分析問題和解決問題的科研能力，使其盡快進入所學專業研究方向的科研狀態，達到案例分析—課題研究一體化目的，為其后續順利進入課題研究奠定良好的基礎。

[ 關鍵詞 ] 現代設計方法;專業碩士研究生;案例教學;案例課題一體化

[ 中圖分類號 ] G643.2 [ 文獻標識碼 ] A [ 文章編號 ] 1005-4634（2018）03-0065-05 0 引言

廈門理工學院（以下簡稱學院）研究生院招收專業型碩士研究生已有6屆 ，招生人數逐年增加，所招收專業以車輛工程和電氣工程為主，而研究的課題則因學生選擇導師不同而有明顯的差異。來自不同大學的學生，其本科階段的專業背景也有所不同，主要是以車輛工程專業、機械制造專業、汽車服務工程、汽車運用工程、電氣工程、自動化專業、材料科學與工程等專業為主。《車輛現代設計方法》課程（以下簡稱課程）是學院車輛工程專業碩士研究生培養方案的專業學位課。首屆研究生授課時，并沒有合適的教材，而是選用機械類現代設計方法課程教材為試用教材，利用網上資料和筆者課題組多年的研究成果，歸納總結不同的車輛現代設計理論和方法，以案例教學方式為研究生講解。從第3屆研究生開始，選擇適合車輛現代設計方法的教材，同時補充了科研新方法。

課程的教學方法以現代設計方法為主線，以案例設計分析方法為抓手，要求每位研究生在學習本課程各種現代設計方法后，掌握2～3種具體的設計方法或者綜合運用方法，并應用到實際研究中。這種教學模式的運用，可以綜合培養在讀研究生科研能力，起到銜接理論教學與科研實際運用的橋梁作用，能將所學到的車輛現代設計方法快速有效精確地運用到實際研究中去。學院研究生院在研究生培養方案中明確規定，研究生在二年級階段，必須參與企業產品設計、生產與制造的全過程，重點結合研究課題方向參與企業實踐環節，加深理論知識的理解與運用。所以，這種科研案例分析—課題研究相融合的一體化教學模式，為每位研究生順利進入下一階段的課題研究做好了充分的準備。

1 學生分析

在講授課程之前，為了合理地組織教學內容、明確學習目標、設計教學活動、選用合適的教學方法與教學手段等教學外因條件，需對研究生的基本情況進行分析，做到真正的“因材施教”，提高教學的針對性和創新性[ 1，2 ]。

首先要了解每位在讀研究生的研究方向，學院車輛工程專業的研究方向有：（1）車輛安全、可靠性與整車設計工程化;（2）車輛性能試驗與檢測技術;（3）車輛傳動、電控技術及其應用;（4）車輛關鍵零部件材料、成型及產業化;（5）機動車污染控制與防治技術。平均每年有30%以上的研究生選擇研究方向1;選擇研究方向2～4的各占到20%左右;10%以下的研究生選擇研究方向5。每個研究方向都有合適的現代設計方法運用，而每位學生應掌握設計方法的程度有所差異。目前，隨著汽車技術的日新月異，使用單一的傳統設計方法，如計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）和機械優化設計等方法已不能滿足現代車輛產品設計過程中的需求。應根據汽車企業的具體需求、設計法規標準的規定進行必要的現代設計方法的更新[ 3，4 ]。在教學過程中，不斷以科研案例分析入手，引入最新的車輛設計方法：如CAE分析與優化設計方法的結合運用;多體動力學和運動學仿真設計、穩健設計、虛擬設計、綠色設計和創新設計等方法在車輛整車性能仿真預測分析、零部件設計、制造工藝、車輛安全、可靠性與整車性能優化設計中的綜合運用;汽車電子技術的運用和實踐（目前該技術在汽車技術中所占比例近30%）。

2 優化教學內容

2.1 教學內容

傳統的車輛設計經常運用二維計算機輔助設計CAD方法、優化設計等，是行之有效的，但隨著車輛設計中現代方法與傳統方法的綜合運用帶來的突出成果，研究生們經過多渠道不斷接受大量科技信息，也促使教學方法和教學手段的不斷更新與改進。筆者在近幾年的研究生專業學位課程教學中，綜合運用“四新”方法，即新技術、新材料、新工藝、新方法的講解，不斷更新講義、教案和PPT，并以科研課題研究過程中用到多種綜合方法為教授本課程的主線，以科研案例分析為主導。在課程開始前，熟悉學生的主要研究方向，將當屆的研究生進行大分類，使學生以研究方向為切入點，熟悉和掌握2～3種設計方法和流程，通過收集整理相關的資料，完成小、大作業，將自己的研究成果或者階段性的研究成果匯總成技術總結報告并撰寫小論文，將現代設計方法運用到實際科研課題中，提高研究生運用各種現代設計方法解決問題的能力和技巧，使他們能夠順利進入課題的研究階段。

為達到理論與實踐的緊密結合，學院為教師和研究生搭建了從事科研的“車輛CAE性能安全可靠性檢測研發平臺”，該平臺由動力傳動裝置、變頻驅動裝置、應力、扭矩、位移、溫度測量裝置、雙通道電液伺服控制裝置、圖像采集裝置、PLC控制器、32通道動態應變儀、微位移發生裝置、工控機、數據采集裝置、側翻試驗臺和移動式碰撞試驗臺等 20多個獨立的試驗裝置組成。除此之外，研究生院不定期召開科研講座和研討會，組織參加國內外學術交流會議，開闊研究生的視野，使他們掌握各自研究領域最新科研動態。

2.2 課程中的法規標準

通常在課程的開始環節，先了解學生對汽車法規標準方面的認識情況。學生一般認為這些法規標準是企業從事標準工程師的工作范疇。所以，近幾屆，無論在本科生還是研究生的教學中都反復強調車輛設計中涉及到的法規標準的重要性和意義所在，要求學生到校圖書館或者實習期間到企業的標準化室學習有關的約定要求，強調法規標準在汽車產品設計中是第一要素，如果某一設計環節不滿足要求，就會造成此種車型無法公告走向市場[ 5 ]。教師由淺入深地引導學生查閱學習有關法規標準，如車身上部結構安全性、側翻法規、安全座椅法規、排放等方面的要求。而對于非車輛專業的研究生，可根據各自專業的課程特點進行相關約束標準學習，這樣后續進行設計可以有規可循、有據可查。

2.3 教學過程

1） 在課程教學過程中，教師精煉傳統設計方法的授課課時，預留部分自學內容。同時，還開設了《車輛試驗與檢測技術》課程，配合理論教學，通過試驗檢驗設計的可行程度，做到理論和試驗同樣重視。

2） 課外自學部分新方法，并通過查找文獻資料舉例說明此方法在車輛設計環節中的具體運用效果。

3） 針對不同研究方向的研究生，自選某種或幾種現代設計方法運用到所研究領域中。以大作業的模式，用現代設計方法完成研究方向課題。

4） 針對每位研究生的課程研究內容進行一一檢查、點評和互評，給出成績，同時，根據教師的經驗給出一些合理化建議。

2.4 教學方法改革

為保證各個章節的教學質量及其連貫性，由多個教師共同完成本課程。根據教師研究課題方向的不同，講授自己最擅長的內容、設計方法及流程，每位教師負責2～3章節的內容，再由一個經驗豐富的教師進行系統把握和貫穿。這樣既可保證整個教學環節的完整性和系統性，又減少由于教學內容寬廣，教師對不熟悉知識領域理解不深刻的問題。學院研究生院既定的車輛工程專業培養方向有5個，每個研究方向都有對應采用的現代設計理論與方法，具體如表1所示。

在實際運用中，一個研究方向的問題可用一種或多種現代設計方法與理論結合得到解決;而同一種設計方法與理論也可以解決多種不同問題。將現代設計方法與理論結合的傳統設計方法能解決企業的一些實際問題。在教學中，以科研案例為引導，強調、說明多種設計方法的綜合運用是解決科研課題的最佳途徑。

3 案例分析

學院機械與車輛工程學院有相當一部分的教師和研究生從事車輛輕量化設計、車輛被動安全設計和汽車電子控制等方面的課題研究，在這些方面積累了豐富的經驗。從車輛外部造型設計到內部的總布置設計，從零部件的安全設計到整車結構的安全設計等，都必須用到傳統的CAD軟件，而結構的強度校核分析、整車的碰撞、NVH、疲勞耐久性、流場分析和熱管理分析及各種性能預測分析等行業需求的研究內容，又需要用到計算機輔助分析的各類軟件幫助實施，因而要求研究生深入學習相關的理論知識和有關軟件的操作技巧。

3.1 聯合優化設計

現以車輛聯合優化設計方法為例，說明其設計的全過程。車輛優化設計的主要流程[ 6 ]如圖1所示。

車輛優化設計的主要流程依據研究對象的不同而有所差異。學院自主設計研發了一款電動觀光導覽車，從設計、分析、制造都由教師指導，本科生和研究生共同完成。圖2所示是電動車車架優化設計的過程截圖。通過優化設計后的電動車車架的變形和應力值都在材料強剛度允許的范圍內，達到優化設計的目的。同時利用學校試驗室儀器測試必要輸出數據，進行設計參數修改調整和優化。隨后兩屆的研究生繼續以此為研究對象，結合拓撲優化設計和參數靈敏度分析方法，達到更優的設計效果，并將設計方案應用到新一代電動觀光導覽車設計中。在企業實習的研究生用該聯合優化方法解決客車輕量化設計問題，并運用到客車企業的實際生產中。

通過具體案例的典型分析過程，結合小例題的運算和計算結果的后處理過程，使研究生對車輛優化設計的流程有了感性認識，再經過后期課題實戰的鍛煉，很快就可以成為利用CAE軟件與CAD設計結合進行車輛優化設計的能手。

3.2 電子器件的結構—熱耦合分析—動態分析

所有設計方法的正確運用均需要理論知識的充實，鑒于研究生生源不同，所學專業課和專業基礎課程存在差異，涉及到的車輛現代設計方法，不單單需要靜動態的設計，更需要進行多場耦合分析，機械壽命、電壽命等性能是企業更迫切追求的指標，企業更加關注這些指標的達成度。以純電動汽車中用到的汽車關鍵零部件的設計過程為例，該過程包括結構的有限元分析與熱場耦合分析電磁場與結構力的耦合分析。結合優化設計方法，使該型號電子產品質量輕、結構簡單，運動機構的驅動力和磁場力達到合理匹配，機械壽命和電壽命等指標均達到國外同類產品的設計標準，滿足企業的設計要求。車用電子產品的設計分析過程中變形、熱場和動態設計的結果如圖3所示。

3.3 穩健性設計與動態設計的結合

穩健性設計方法是由日本著名質量管理專家山口玄一博士創立的質量管理新技術，是最新穎、科學、有效的現代設計方法之一，依據對產品設定的某些優化目標，通過動態設計和方法達到對產品的低成本、高效益的質量管理。將穩健性（魯棒性）設計方法運用到車輛制動系統中制動器關鍵參數的匹配優化，并在優化前后通過試驗驗證了制動器動態設計的效果，解決了此型號制動器低速制動噪聲問題。表2是利用穩健性設計方法對有制動噪音的制動器參數的優化設計結果。

利用穩健性設計方法可以快速得到設計對象的性能參數值，通過排列組合獲得多組仿真試驗方案，經過對比仿真試驗結果，輔以可行的試驗測試技術和動態設計方法，可以達到理想的設計效果。

4 結束語

課程以案例式教學方式為主，集合多名有實際課題運作經驗的教師為主講，教學過程中避免“重理論、輕試驗、重課內、輕課外”現象[ 7，8 ]。針對每種現代設計方法，都有實際案例的運行結果演示給學生，加深理論知識的理解與運用，讓每位研究生結合自身研究方向（具體的研究課題），選擇合適的設計方法，或者綜合設計手段，解決實際問題，提高學生獨立思考問題、解決問題能力，使其盡快進入課題的研究階段。而研二階段的企業鍛煉，更加鞏固了現代設計理論與方法的實戰運用。該培養方式對實施研究生教育機制改革、提高研究生培養質量具有重要的示范意義。

參考文獻

[ 1 ] 于克強，楊松華，宋勝偉.基于創新能力培養的機械設計基礎教學設計改革與實踐[ J ].教學研究，2017，40（3）： 82-86.

[ 2 ] 姚靜，王佩.基于OBE 教學理念的項目驅動式專業課程教學設計[ J ].教學研究，2017，40（3）： 87-91.

[ 3 ] 郭棟，馮仁，李文禮.基于云平臺的汽車設計課程教學改革初探[ J ].科教導刊（電子版），2016（31）：74-75.

[ 4 ] 葉明.汽車設計課程教學改革初探[ J ].中國校外教育，2010（1）： 60-61.

[ 5 ] 付昌星.汽車課程設計的教學改革和實踐[ J ].經濟管理（全文版），2016（12）：83-84.

[ 6 ] 王彥杰，晏磊，高亞梅.基于校企共建工程中心的研究生課程教學改革初探[ J ].經濟管理（全文版），2016（12）：83-84.

[ 7 ] 姚莉，劉偉.研究生課程教學改革的幾點思考[ J ].高等教育研究學報，2010（4）：36-39.

[ 8 ] 張玉存，劉彬，林洪彬，等.基于復合載體的提高工程類研究生創新能力方法[ J ].教學研究，2016，39（2）：92-97.

Research ability of master degree training practical application based on modern design methods

—For modern design methods of vehicle course as an example

Yu Guo-fei1，2，Sheng Jing1，2，Wang Hai-bing1

（1. Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology School ，Xiamen， Fujian 361024， China; 2.Collaborative innovation Center for R&D Coach and Special Vehicle of

Xiamen Fujian Province， Xiamen， Fujian 361024， China）

Abstract Using Xiamen University of Technology school′s "modern design method of vehicle" in master′s degree course as an example， to discuss the scientific research ability of the professional master graduate student. For different degrees master student， choosing modern design methods of the vehicle to fit their research direction， to achieve efficiently and accurately design spare parts of vehicle， assemblies and the whole vehicle， and also be able to predict and analysis vehicle performance. To sum up a variety of modern vehicle design methods， using the conclusion of teaching model as the main part and adopt effective teaching methods and teaching approaches， improving graduate student scientific research ability of independently analyze and solving problems， also lead students to enter the scientific research attitude of their majoring research direction. To achieve the purpose of case analysis - project research integration， and lay a good foundation for their future case research.

Keywords modern design methods; master′s graduate student; case teaching; case-project integration