“多位一體”模式下機械設計課程教學方法研究

邱 睿，俞成濤，謝文濤

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

隨著工業科技水平的不斷提升，企業對科技創新性人才的需求也日益增加。相對傳統教學模式而言，僅僅依靠課堂理論教學的模式無法滿足培養學生多學科交叉綜合能力的培養[1-2]。機械設計是工科專業的核心課程，既是專業人才培養的基礎課程，又是相關專業課程學習的前期保障，其課程重要性不言而喻[3-4]。如何使學生理解、掌握機械設計的核心思想，并根據實際工程問題提出設計目標和改進方案，是機械設計課程教學目標之一。因此，建立“多位一體”教學模式對機械設計課程的建設具有重要的實踐教學意義。

國內外相關學者針對新工科背景下機械類專業人才培養教學模式進行了研究與探索。顏秋艷[5]針對機械設計課程教學模式進行了優化與改進，將先進結構分析方法引入到機械設計課程中，并進行了教學案例設計。潘承怡[6]基于工程認證標準，提出了機械設計課程的教學質量評價方法，對學生能力及課程掌握情況進行合理統計。關躍齊[7]將OBE理念引入到機械類學生培養體系中，通過課程環節的設計與布局有效提高了學生的學習自主性和積極性。陳宇[8]考慮了運動副間隙微觀幾何特征，以機械設計課程中曲柄滑塊機構為例，分析了運動副間隙對機構動力學特性的影響關系，為機械典型機構設計提供了理論依據。Lin[9]以滑動軸承設計為了，開展了溝槽結構特征對軸承潤滑特性的影響研究，為機械設計課程中軸承設計內容提供了較好的案例。由上述分析可見，目前針對“多位一體”模式的機械設計課程建設研究較少。

本文針對上述內容，綜合傳統機械課程教學方法，以提升學生綜合實踐能力為教學目標，開展“多位一體”模式下機械設計課程教學方法研究，以求優化課程內容的基礎上增加學生自主學習的能動性，提高教學質量。

1 “多位一體”模式教學方法設計

將機械類相關課程內容和先進設計技術引入到機械設計教學中，建立“多位一體”模式的機械設計課程教學方法，其流程圖如圖1所示。在課前準備過程中，根據教學背景、教學目標、教學重點與難點對教學內容進行知識點分解，根據教學內容制定學生能力培養目標，并結合教學內容進行合適的教學方法設計。在教學過程中，將實驗教學內容設計、工程實例仿真分析設計、課程設計等方式引入到理論知識講解中，使學生在知識點學習的過程中增加綜合能力素質的培養，完善工程認證人才培養體系目標。課后組織學生開展拓展訓練，其模式可包含理論計算、實驗數據分析、實踐訓練等，該過程在鞏固學生對課程知識點的掌握，并能挖掘學生潛力。同時，圍繞機械設計課程教學大綱，提出“N+1”課程考核體系，全面掌握學生各方面學習程度，為課程教學設計改進提供基礎。

圖1 “多位一體”教學方法

2 教學實例設計

本文以機械設計課程中機械零件設計方法內容為例，具體說明“多位一體”模式下機械設計課程教學方法設計過程。

2.1 理論知識講解

機械零件作為機器重要的組成部分，其設計合理性與結構特征對機器性能會產生決定性影響。如何將傳統機械設計方法與現代機械設計方法有效結合，實現機械零件性能最優化是機械零件設計方法中需要考慮的重要問題。

對于機械零件來說，首先需要考慮的是失效問題，常見的失效形式包括：整體斷裂、過大的殘余變形、零件表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效。為了保證設計的機械零件具有安全性和可靠性，在機械零件設計過程中制定了相關設計準則，其中最為重要的就是強度準則，其表達式為：

其中，應力表達式可寫成：

為了保證所設計的零件具有一定的可靠性和安全性，零件所受應力應當小于材料許用應力值，可以引入安全系數計算值的概念對其安全性進行評估，故其關系式可寫為：

根據工業技術的提升和現代設計方法的要求，輕量化設計已經成為機械零件設計過程中不可或缺的一部分[10]。根據輕量化設計目標及要求，在機械零件設計時需要提出相應的目標函數及約束條件，其表達式為：

2.2 工程案例設計與分析

為了加深學生對機械零件設計方法的認知，本文選擇四旋翼無人機機身為研究對象，對其輕量化設計流程及其力學特征進行分析。四旋翼無人機初始設計模型如圖2（a）所示，4個機翼支承座產生向上拉力，而承載物體會對機身產生向下拉力，故四旋翼無人機受載模型如圖2（b）所示。

圖2 四旋翼無人機設計模型和承載情況

針對上述仿真計算邊界條件，對四旋翼無人機進行靜力學計算，獲得機身米塞斯等效應力分布特征、位移分布特征及安全系數等特征計算結果。其中，四旋翼無人機最大變形出現在機翼支架處，最大值為0.2313mm，最小安全系數為14.7出現在機身行架連接處，最大米塞斯等效應力為3.064MPa，出現在機身行架焊接處，這是由于負載質量點在中心位置所引起，該點位置距離負載質量點較近。模型質量為66.16g，原結構性能有較大冗余，可進行輕量化設計。

根據上述計算結果，以減輕機身重量為設計目標，基于拓r優化法對及機身進行輕量化設計。在機身模型輕量化設計時，以最大化剛度為前提，要求四旋翼無人機最大變形位移小于0.8mm，且最小安全系數大于2.5。基于PolyNURBS擬合法對模型微觀幾何特征進行優化建模，完成四旋翼無人機輕量化設計模型，如圖3（a）所示。

圖3 輕量化模型

在此基礎上，對四旋翼無人機輕量化模型進行力學性能分析，仿真參數設置與前文保持一致，其計算結果如圖4所示。由計算結果可知，四旋翼無人機的輕量化設計模型最大位移為0.7991mm，出現在螺旋槳支承座上，最大米塞斯等效應力為15.21MPa，出現在機身桁架連接處，最小安全系數為3.0，出現在機身桁架連接處，質量為29.776g，輕量化模型完全滿足設計要求，實現減重54.99%，設計方案可行。

圖4 輕量化模型仿真分析結果

利用3D打印機完成初始模型和輕量化模型的打印制作，讓學生熟悉打印過程和模型參數設置，初始模型和輕量化模型打印件如圖5所示。

圖5 模型3D打印制作

基于本課程學習，學生較好地掌握了機械零件的常規設計方法及現代設計方法，并能將其運用到實際工程模型設計中，結合最新的3D打印成形技術，提升了工程實踐綜合能力。

3 結論

本文以機械設計課程為例，提出了“多位一體”模式的課程教學方法，增加了課程教學的多樣化模式，并以機械零件設計方法為例說明了該方法的具體設計流程。研究結果表明，“多位一體”模式的教學方法可以增加學生課程學習興趣，在實踐過程學習中挖掘學生潛力，培養學生“看，做，想”的綜合能力素質，并改善傳統教學方法中的不足。