機械設計課程引入衍生式設計方法的探索與實踐

李一浩 吳昊 張琦

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以機械設計基礎課程大綱為出發(fā)點，分析傳統(tǒng)教學中對學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)存在的問題。為加深學生對機構創(chuàng)新設計及優(yōu)化的理解和拓展應用，將衍生式設計教學融入傳統(tǒng)課程教學中，引導學生發(fā)揮想象，對一些常用的機械機構進行衍生式設計，使其更加富有創(chuàng)意和個性化。通過此類教學方法，使學生可以更直觀地掌握和鞏固所學知識、拓展設計出創(chuàng)新機構，為學生在將來的產(chǎn)品設計中可以解決實際工程問題打下堅實基礎。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?機械設計;衍生式設計;教學改革;創(chuàng)新意識

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）36-0076-02

一、課程教學中存在的問題

機械設計基礎作為一門兼顧理論知識和實踐設計的綜合性課程，兼具理論性、實踐性和知識綜合性的特點。目前課程教學中，通常強調(diào)的是理論知識部分的學習，對實踐設計強調(diào)的力度不夠及課程實驗學時過少，導致學生在機構創(chuàng)新設計和應用方面思考較少，不能夠獨自設計一些非標件或是考慮已有機構的應用場景，這是學生學習的薄弱點。因此，本文將“衍生式設計方法”穿插引入在當下的課堂理論教學與實驗實踐設計中，使學生在學到書本理論知識外，也能積極地思考機構應用和創(chuàng)新設計的全局問題，從而提高教學質(zhì)量。

二、采用衍生式設計以培養(yǎng)學生創(chuàng)新素質(zhì)和解決實際工程問題的能力

衍生式設計（Generative Design），不同于傳統(tǒng)的設計方法，這是一種在設計過程中模仿自然進化的設計方法。衍生式設計的概念和想法最早由Frazer在20世紀70年代提出，F(xiàn)racalanza等人使用了衍生式設計方法設計了機器人手臂并且對其進行了優(yōu)化。它采用深度迭代遺傳算法，將功能強大的分析工具引入前期設計流程，根據(jù)零部件的承載進行應力分析和拓撲優(yōu)化，通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，同時利用已給定的設計規(guī)則計算出多種設計變體，設計者可從中找到功能和性能符合要求的解決方案。

衍生式設計方法的三大優(yōu)勢：（1）減重，衍生式設計以最小化質(zhì)量為目標，使用保證高性能標準的材料，可滿足工程和制造的限制;（2）改善性能，可以改善或優(yōu)化產(chǎn)品機構的耐用性，消除脆弱點;（3）減少零件數(shù)，衍生式設計可以把多個零部件合并成一個零件。將這三個特點融入機械設計基礎課程的理論知識結構，同時也為大學生學習有限元分析、工程材料及數(shù)控加工等知識提供了一定的幫助。

三、衍生式設計在課程教學中的應用實例

衍生式設計方法依托于Fusion 360軟件。Fusion 360是美國Autodesk公司開發(fā)的一款集設計、制造及使用為一體的云設計平臺。該軟件廣泛應用于工程機械、航天航空、汽車工程等領域。衍生式設計模塊通過定義設計目標的結構載荷和應力、體積和尺寸要求、安裝方式和位置限制、材料選用、制造方法和安全系數(shù)等參數(shù)，利用基于遺傳算法和云計算能力，同時生成多個滿足產(chǎn)品性能要求的結構模型，并通過提供多種方式對不同的設計結果進行對比分析，過濾和選擇滿足需求的結果。本文以生活中常見的摩托車三角軋頭為例，探討分析衍生式設計在該課程教學中的具體應用。圖1是三角軋頭在摩托車前叉的位置，使用衍生式設計的目的是重新設計摩托車三角軋頭。在保障性能要求的同時，以達到大幅減輕重量并選擇最佳制造方法的目標。

（一）創(chuàng)建基本單元模型

建立前叉支桿的基本模型，為制作軋頭做定位作用;建立軋頭的必備單元，以確保衍生后的軋頭能與前叉保持準確的配合關系;同時還要建立空間限制隔板，以保障衍生后的軋頭能在預定設計范圍內(nèi)。將建模中的倒角等細節(jié)簡化，使模型達到合理的最簡狀態(tài)。

（二）劃分設計空間

衍生式設計需要劃分保留幾何圖元和障礙物幾何圖元，保留幾何圖元是指新設計的部件中必要的組成元素，障礙物幾何圖元是指現(xiàn)已存在的區(qū)域或需要限制新設計部件幾何尺寸的區(qū)域。在本案例中，前叉支桿屬于已經(jīng)存在的物體，為障礙物幾何圖元;軋頭必備單元是新設計的軋頭中所必需的一部分，為保留幾何圖元;兩塊方隔板用來限制新軋頭的生成空間，為障礙物幾何圖元。

（三）添加設計條件

添加結構約束和結構載荷，計算機會根據(jù)約束和載荷生成相應的符合條件的計算結果。將軋頭必備單元中間部件的內(nèi)壁面分別在x、y、z軸方向上完全固定。所施加的結構載荷分別有系統(tǒng)內(nèi)部所有構件的自重及受到沿前叉支桿方向上的壓力。

（四）設定設計標準

設計標準包括設計目標、制造方法和選定材料。設計目標分為最小化質(zhì)量和最大化剛度兩種選擇，這里我們要求的是減輕軋頭的質(zhì)量，所以選擇最小化質(zhì)量為目標并取其安全系數(shù)為2。制造方法是衍生后的新軋頭的制造方法，有無限制、增材、銑削、兩軸切削和鑄造共5種加工方式，選用這5種加工方式進行設計。在制造方法選擇的同時，也可以設置產(chǎn)量，擬定產(chǎn)量為500件，以便預估加工成本。選擇材料是為新設計的軋頭選擇加工材質(zhì)，材料可以在材料庫中選擇，本次選擇鋁6061、鋁7075、不銹鋼316L和鈦6AL-4V等材料，這些材料都是平時常用的材料。

（五）生成及查看結果

在完成以上步驟后，通過預檢查確保各種設置滿足要求，檢查無誤后，可以提交衍生式設計的計算，計算機在云端處理完畢后，經(jīng)過多次衍生迭代，會自動生成結果。整個衍生過程處于監(jiān)視狀態(tài)，可以實時查看衍生的情況。計算完畢后，瀏覽生成結果，（見圖2）。在縮略圖顯示中可以按照處理狀態(tài)、分析、視覺相似性、制造方法、材料、價格、質(zhì)量和體積等多種排列依據(jù)來自由組合瀏覽視圖。

除縮略圖顯示外，還有特性視圖、散布圖視圖和表視圖等顯示方案。特性視圖即是在縮略圖視圖的下方增添衍生的信息方案，顯示出模型和具體參數(shù)（見圖3）。

通過不同的視圖，使用者可以從不同的衍生方案中挑選滿足實際情況的模型，將合適的方案導出，再配合相應的加工方法即可生產(chǎn)制造。

在整個設計過程中，設計者將部分設計工作交給了計算機和云端服務器，依托人工智能的幫助，減輕設計者的工作量，這就大大降低了本科院校學生在學習使用計算機三維輔助設計軟件過程中的門檻。對一些剛剛接觸三維設計軟件的學生來說，這種全新的設計模式和方法能讓他們在了解機械零部件設計本身的同時，保持對機械零部件設計的探索欲望，能使學生更好地融入機械設計課程中。

四、結語

本文旨在探索在傳統(tǒng)機械設計課程中引入衍生式設計技術，使課程的理論教學與實踐設計環(huán)節(jié)相結合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造思維和工程實踐能力，達到在課堂中學知識、在課后實踐應用知識的目的，促進機械學科教學模式的發(fā)展。建議在機械設計基礎課程中引入衍生式設計技術，以適應時代的要求，全面提高學生的創(chuàng)新素質(zhì)和工程實踐能力，培養(yǎng)出掌握現(xiàn)代設計方法的新型機械類人才。

衍生式設計技術是當下機械產(chǎn)品設計的先進技術，為設計者提供了多元的設計方案與創(chuàng)新思路，使設計不再拘泥于單一種類的數(shù)字建模。衍生式設計正迅速改變設計者創(chuàng)造下一代產(chǎn)品的方式，可以利用新的生產(chǎn)方式，為新產(chǎn)品提供性能更好、重量更輕以及滿足客戶獨特性定制的創(chuàng)新設計方案。

學校引入衍生式設計技術，可與其他課程相互配合，強化學生對機械設計的認識。衍生式設計中，可利用其制圖建模、應力分析、加工制造、干涉檢查、動畫渲染等功能，為學生學習機械制圖、工程材料、數(shù)控技術和機械制造技術等課程奠定基礎，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力，全面提高學生的工程素質(zhì)。

參考文獻：

[1]孫富建，蘇飛.面向機械機構實例溯源的機械創(chuàng)新設計教學方法研究[J].當代教育理論與實踐，2018，10（5）：47-50.

[2]Sivam Krish. A practical generative design method[J]. Computer-Aided Design，2011，43（1）：88-100.

[3]Francalanza E，F(xiàn)rench A，cutajar P .Generative Design in the

Develop in the Development of a Robotic Manipulator[J].CIRP，2018（67）：244-249.

[4]張越.衍生式設計：未來設計制造的中級嘗試[J].中國信息化，2016（9）：71-73.

編輯 趙瑞峰