現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械原理教學(xué)中應(yīng)用

張超

【中圖分類號(hào)】G642.0 ??????【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）09-0013-01

一、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法通常是與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較而言。現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法的理論和思路處于不斷的更新?lián)Q代中，所以暫且還沒完整的界定。然而根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，可以看出其日益與現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、微電子及其計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉發(fā)展。所以現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是以計(jì)算機(jī)為依托、以CAD/CAM/CAE應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)、運(yùn)用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一門多元交叉學(xué)科，目前廣泛應(yīng)用的軟件有UG、CATIA、Pro/E、ADAMS、ANSYS、ABQUS、matlab等。

二、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）靜態(tài)設(shè)計(jì)往動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。

（2）串行設(shè)計(jì)往并行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。

（3）離散設(shè)計(jì)往系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。

（4）真實(shí)設(shè)計(jì)往虛擬設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。

（5）個(gè)別設(shè)計(jì)往系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)的方法優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過推斷、思考、比較之后得出的最佳設(shè)計(jì)方案。

（2）大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，促使新產(chǎn)品盡早上市。

（3）通過部分參數(shù)的修改，便能達(dá)到系統(tǒng)的優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。

（4）虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用相關(guān)的科技知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)與構(gòu)思，設(shè)計(jì)出具有新穎的實(shí)用的機(jī)械裝置。

三、傳統(tǒng)機(jī)械原理教學(xué)中面臨的問題

《機(jī)械原理》是一門古老的學(xué)科，隨著時(shí)代的發(fā)展本課程的教學(xué)也出現(xiàn)一系列的問題，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式仍占主要地位課堂教學(xué)是傳授知識(shí)的主陣地和主渠道，《機(jī)械原理》課程內(nèi)容的廣泛性與授課方式及學(xué)時(shí)的有限性之間有矛盾，影響了學(xué)生掌握更多有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)，限制了學(xué)生分析、構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，阻礙了教學(xué)改革進(jìn)程。 （2）機(jī)械原理的教學(xué)過程中，有大量的知識(shí)點(diǎn)是采用基于理論力學(xué)的圖解法來解決的，對(duì)與一些機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)越多的機(jī)構(gòu)，如果采用此方法來解決，過程將是極其復(fù)雜晦澀。（3）實(shí)踐知識(shí)的匱乏。現(xiàn)在的大學(xué)生尤其是近機(jī)專業(yè)類的，他們?cè)谄綍r(shí)的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)課程中接觸機(jī)械方面的機(jī)會(huì)比較少，就是觀察到一些機(jī)械機(jī)構(gòu)與原理方面的現(xiàn)象，也不會(huì)刻意去留意。這樣的話，學(xué)習(xí)本課程，就更缺乏實(shí)踐方面的知識(shí)，甚至連感性認(rèn)識(shí)都沒有。（4）現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法的出現(xiàn)。近些年來，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法取得了飛速的發(fā)展，目前常用的有：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方法學(xué)設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)、相似系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、工程反求設(shè)計(jì)和分型設(shè)計(jì)等。一個(gè)新的機(jī)械設(shè)計(jì)體系正在發(fā)展和形成，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法將不斷得到推廣和應(yīng)用。這方面也是我們機(jī)械原理教學(xué)遇到的新的挑戰(zhàn)。（5）《機(jī)械原理》這門課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，尤其對(duì)于一些空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尤為突出，只憑教師口述無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。但實(shí)際上由于學(xué)時(shí)所限，加之一般院校缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)操作手段，很難達(dá)到上述要求。由于學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，所以教學(xué)效果不太理想。

四、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法融入機(jī)械原理教學(xué)中

1.課程教育與現(xiàn)代設(shè)計(jì)相結(jié)合注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，建模方面常用的軟件有AUTOCAD、Pro/E、UG、Solidworks等。這些軟件均具備零部件的裝配及運(yùn)動(dòng)模擬功能。進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)集成了信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及工程技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)制造業(yè)和新產(chǎn)品開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)，也提供了新的機(jī)遇。經(jīng)不斷完善、長(zhǎng)期的工業(yè)驗(yàn)證并加以商品化，成為面向中國(guó)制造業(yè)的高性能繪圖設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)目前在制造業(yè)中使用軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)汽車，電子，航空航天產(chǎn)業(yè)。在采用全局化系統(tǒng)理念的智能關(guān)系幾何建模技術(shù)，融合了高端三維CAD智能化的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。撇開了CAD軟件只是取代了圖板和丁字尺的功能，機(jī)械設(shè)計(jì)中所創(chuàng)建的對(duì)象，幾何圖形具備了表達(dá)和處理設(shè)計(jì)關(guān)系、約束與特征等非圖形信息的能力，用戶能方便地對(duì)圖形可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品圖形的后期修改提供更大的靈活性。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)傳統(tǒng)而現(xiàn)代的問題，制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)，創(chuàng)新是制造業(yè)煥發(fā)生機(jī)的唯一可選之路，創(chuàng)新能力不是與生俱來的，是靠教育和引導(dǎo)培養(yǎng)出來的。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。必須讓學(xué)生盡量多地接觸生產(chǎn)實(shí)踐，教學(xué)過程中應(yīng)理論聯(lián)系實(shí)際地分析一些具體機(jī)械中通用零部件的應(yīng)用，注意觀察具體機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)，一方面使學(xué)生熟悉機(jī)械的工作原理，一方面逐漸培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用各種機(jī)會(huì)通過事物的現(xiàn)象觀察其本質(zhì)。充分利用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)手段，將傳統(tǒng)的機(jī)械原理教學(xué)更富有生機(jī)。

2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)融入教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析和系統(tǒng)創(chuàng)造能力。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法就是按部就班，逐層推進(jìn)的設(shè)計(jì)模式。而現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法有并行設(shè)計(jì)以及逆向設(shè)計(jì)與嵌套式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。其中逆向設(shè)計(jì)也是常用的方法。

逆反設(shè)計(jì)是一種從現(xiàn)有事物的原理機(jī)制的反面、構(gòu)成要素的反面或功能結(jié)構(gòu)的反面去思考、去求索，以發(fā)明創(chuàng)造的方法。它突破常規(guī)模式和超越傳統(tǒng)理論框架，把思路指向新的領(lǐng)域和新的客體。逆反思維體現(xiàn)了創(chuàng)造者對(duì)自然規(guī)律的深入領(lǐng)悟、對(duì)思維方法的高度提煉以及對(duì)創(chuàng)造意識(shí)的有力凝聚。

例如在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，通常曲柄作為勻速圓周運(yùn)動(dòng)原動(dòng)件，搖桿作變速運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件。應(yīng)用急回特性原理，我們用的比較多的是，建筑工地的篩沙機(jī)構(gòu)和汽車的雨刮器。反之，如果以搖桿的來回?fù)u動(dòng)作為原動(dòng)件，曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)作為輸出件。典型的應(yīng)用就是家庭用的縫紉機(jī)。再比如，內(nèi)燃機(jī)中的核心機(jī)構(gòu)就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，它的原動(dòng)件是滑塊，曲柄是輸出件，而在沖床的沖壓機(jī)構(gòu)中曲柄是原動(dòng)件，滑塊即沖頭是輸出件，由于在沖破鋼板的瞬間的沖擊載荷比較大，故在設(shè)計(jì)曲柄的時(shí)候通常采用飛輪的結(jié)構(gòu)。

五、 總結(jié)

《機(jī)械原理》是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容多，課時(shí)少。研究如何解決當(dāng)前機(jī)械原理教學(xué)中面臨的問題，我們一方面要從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法不斷提高和改進(jìn)，另外還要培養(yǎng)在機(jī)械設(shè)計(jì)中融入現(xiàn)代的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性為今后進(jìn)行相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)工作打好良好的基礎(chǔ)。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)創(chuàng)新思維，從整體性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性和綜合性的角度出發(fā)，鍛煉學(xué)生的思維模式和方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 王素玲等.創(chuàng)新思維的機(jī)械原理課程教學(xué)模式的探索.黑龍江課程教學(xué)[J]，2010.