SolidWorks在機械設計基礎教學中的應用與實踐

許競翔 盧康 王斌 田卡

[摘 要] 文章以高速潛航器中舵面結構的優化設計為例，討論了在機械設計基礎課堂中引入SolidWorks三維建模的教學新方法。該方法以直觀的理論模型為手段，注重提高學生的學習興趣，有助于培養學生的設計建模和在解決實際工程問題過程中的創新能力。

[關鍵詞] 機械設計;三維建模;教學改革;創新能力

[作者簡介] 許競翔（1985—），男，云南昆明人，上海海洋大學工程學院副教授，博士，碩士生導師，研究方向為原子與近原子尺度制造。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0198-02? ? [收稿日期] 2020-01-09

引言：機械設計基礎是一門培養學生機械設計能力的專業基礎課，也是高等院校工科教育的重要組成部分，做好機械設計類課程的教學是人才培養的關鍵，其重要的教學意義在于——培養學生的創新設計能力，為國家工程領域培養創新型高水平人才[1]。但是，目前的機械設計基礎教學中尚還存在許多的問題[2]，因此，為了使學生的學習能力、創新能力以及解決實際工程問題能力得到提高，應試教育的現狀也應該得到改善。

在機械設計課程的教學中，使用直觀易懂的三維模型能很清晰地表達出機構與機構之間的運動關系，學生通過三維模型能夠很容易地理解復雜機構的工作原理。同時，三維建模技術還為學生搭建了一個自由創新的平臺，學生通過SolidWorks、UG、Pro/E等機械設計類三維建模軟件，可以充分地發揮自己的創新能動性。因此，如何將計算機仿真技術與基礎課程的教學體系、內容和方法有機地結合起來，是我國高等教育教學現代化的一項重要內容。

本文提出以超級獵鷹3高速潛航器結構設計為例，探討了在機械設計基礎教學中引入SolidWorks三維建模的教學方法，倡導學生在機械設計基礎課程的學習中，應用SolidWorks對實際工程中復雜問題的建模以及簡化，使學生更全面地理解在解決實際工程問題的設計環節應該著重注意的問題，并在設計建模的過程中對基礎理論知識的進一步鞏固和對自身創新能力的進一步鍛煉。

一、機械設計基礎教學中的現狀

目前，我國高校對于機械設計基礎課程的教學改革和創新仍在進行，且取得了一定的成果。比如，上海理工大學汪昌盛為了改善目前機械設計類課程教學中，重理論原理，輕實踐應用，重傳授教學，輕學生參與的問題，提出教師在工程實踐案例教學前，需要了解該案例提出的背景和應用領域，查閱文獻和目前應用領域，以引導學生的學習積極性和主動創造性[3];佳木斯大學李憲芝等人提出在實驗教學內容上注意與相關課程關聯，及時更新實驗內容，減少驗證性與演示性實驗，增加與工程實際聯系密切的綜合性、設計性及創新性實驗，吸收科研新成果，研究并開發實踐性強的工程實驗項目，增加學生對機械的感性認知，提高對基礎理論實際運用能力。

但是，目前的機械設計基礎教學仍然存在許多的問題，需要繼續加大力度進行教學改革和優化。主要存在的問題有：

1.傳統上的灌輸式的教育方式。灌輸式的教育方式多年來一直都是我國理論教學中存在的一個問題。且因為灌輸式的教育方式固有的弊端，使得學生在臨考前采取突襲的方法求得考試的通過，短時間的大量記憶具有瞬時性，死記硬背不加理解也導致在考試以后不久專業知識就忘得一干二凈，形成了應試教育的不良風氣。

2.缺乏實踐和案例來支撐理論知識。以美國密歇根大學為例，在30課時的機械設計類課程中，有高達80%的課時都是案例分析與實踐操作，只有少數幾個課時的理論知識講解。

3.案例太老舊，沒有與現代化機械行業緊密聯系起來。許多教師在備課時都沒有準備充分，使用的PPT還是很久之前的，其中一些案例跟不上工業的現代化進程，這也不能達到培養專業人才的要求。

基于此，必須要將教學改革重新放到高校高等教育發展和建設的重要位置上，優化教學方案，提高教學質量，最大限度地調動學生的學習積極性。

二、SolidWorks在機械設計基礎教學中的應用

SolidWorks軟件具有界面友好、功能強大、操作靈活、易學易用等優點。其在復雜產品外觀設計、曲面建模、裝配體干涉檢查、二維輸出、動畫仿真、有限元建模分析計算和流體仿真等各方面都具備良好的性能，是二維CAD繪圖軟件難以實現的。基于三維參數化設計的SolidWorks軟件采用全相關技術，并在設計思路上支持自下而上和自上而下的設計方式。

在機械設計基礎教學中引入SolidWorks軟件，使得課堂教學變得簡單易懂，尤其是在機械設計基礎課程設計中，學生通過設計方案的要求自行設計出零件的三維圖紙，再進行裝配，最后對于需要進行機械校核的零件還可以通過SolidWorks Simulation插件進行有限元分析和校核。在反復的修改零件參數、調試裝配方案的過程中，使得學生對理論知識掌握得更牢固，同時也提高了設計效率。

三、算例分析

問題描述：水下潛航器作為一種功能強大的海洋探索工具，但是潛航器在水下高速行駛時，其受到的阻力等問題造成實際航行速度低于理論航行速度，因此需要對其進行結構優化，解決上述問題。本文基于SolidWorks，以超級獵鷹3（Super falcon 3， SF3）潛航器的舵面結構的設計為例，介紹了對機械設計基礎教學中SolidWorks的引入方法。

由于SF3的舵面結構相對復雜，學生對其結構的空間理解較為困難。如水平舵控制模型的沉浮，方向舵控制模型的轉向，其安裝定位精度涉及測試時的航行精度還有航行安全，因此，對于其安裝專門設計有安裝方法。安裝結果如圖1（a）所示。

安裝定位：為例控制多面與內部拉桿形成特定的角度，在機身外部畫有角度刻度，在機身內側有便于安裝的拉桿初始位定位孔。如圖1（b）所示。舵安裝的時候整體需要拆開，貫穿第四段機身旋轉孔，之后在進行校正。以左側的水平舵的安裝為例，首先將舵桿穿過旋轉孔，將拉桿的舵角固定于定位孔，定位孔相對于安裝平面下偏60°，將機身外部的多面也靜止于對應位置，然后進行擰緊便可固定。其他舵的安裝方法相同。

舵面：采用模型船的現成舵進行安裝，后專門設計一舵面安裝與原舵面上，形成SF3模型舵面經濟高效，如圖1（c）所示。

拉桿的干涉保護：如圖1（d）所示，同一側的水平舵舵角與方向舵舵角在特殊情況下會相互碰撞，但是當舵角相撞時，外部的舵面還有一定角度，這樣就避免掉舵面相撞，由此在內側舵角之間形成干涉保護。以上分析為特殊情況，一般情況下，控制部分將會避免兩相鄰舵角相撞。

通過對SF3舵面結構進行三維優化設計，可以大大提高學生在課堂及課后自主學習的能力以及創新設計能力，增強了學生的空間想象和空間理解能力。學生借助SolidWorks軟件，熟悉了對機械設計領域中的現代化建模方法，并且通過借助3D打印技術，與生產實際也緊密了結合起來。

四、結語

機械設計基礎是一門培養學生機械設計能力的專業基礎課，它是從事機械行業的專業基礎，也是學習專業知識的必修課程。而SolidWorks軟件對這門課程的教學起到了極大的輔助作用，不僅體現在教師可以通過建立三維模型和動畫解釋機構原理，還體現在可以作為一個學生自由發揮的平臺，充分鍛煉學生的創新思維、設計能力和解決實際工程中問題的能力。因此在機械設計基礎教學過程中引入SolidWorks軟件是一種非常有效的教學方法，達到了更好的教學效果。

參考文獻

[1]朱繼華.創新能力培養目標下高校機械設計類課程教學改革探討[J].內燃機與配件，2019（21）：265-266.

[2]謝長雄，韓斌，王建臣，鄧小雷，陳艷.計算機輔助機械設計教學改革研究[J].教育現代化，2019（39）：48-49.

[3]汪昌盛.機械設計教學中的工程案例應用實踐探討[J].教育教學論壇，2019（33）：199-200.