前言：尋找寫(xiě)作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來(lái)靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法，高校畢業(yè)生需具有一定的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用能力。作為機(jī)械專業(yè)關(guān)鍵的實(shí)踐課程，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已難以滿足人才培養(yǎng)的需要。本文結(jié)合課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)、學(xué)生基礎(chǔ)和社會(huì)需求優(yōu)選出3種常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)中，并提出了具體實(shí)施措施，同時(shí)給出了相應(yīng)的考核改革建議，最終達(dá)到提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；機(jī)械設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)；實(shí)施措施；考核改革

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是機(jī)械專業(yè)關(guān)鍵的一門實(shí)踐課程，是學(xué)生除畢業(yè)設(shè)計(jì)外唯一一次專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的集中應(yīng)用，是首次系統(tǒng)地使學(xué)生熟悉機(jī)器設(shè)計(jì)流程，鍛煉并提高設(shè)計(jì)能力的一次練兵，同時(shí)為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作期間的研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前許多高?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)仍采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其考核資料主要通過(guò)手工完成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法。無(wú)論是學(xué)生畢業(yè)后從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作還是進(jìn)一步深造都需要至少掌握2~3種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。機(jī)械類教學(xué)質(zhì)量國(guó)標(biāo)中規(guī)定人才培養(yǎng)基本要求在業(yè)務(wù)方面要求“具有在機(jī)械工程實(shí)踐中選擇、運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具的能力。”同時(shí)，提出機(jī)械工程專業(yè)核心知識(shí)領(lǐng)域要求包括“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”[1]。部分高校業(yè)已開(kāi)展現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，提出利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行二維繪圖、三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真及有限元仿真等改革思路[2-4]。但現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在課程設(shè)計(jì)中的具體實(shí)施措施及相應(yīng)的考核改革措施，還需深入研究。本文以機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生為研究對(duì)象，結(jié)合本校教學(xué)實(shí)際和當(dāng)前社會(huì)需求研究現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在課程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，同時(shí)研究相應(yīng)的考核改革，從而達(dá)到提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。

一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的選用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有很多，在學(xué)生時(shí)間有限及精力有限的情況下，應(yīng)結(jié)合學(xué)生實(shí)際和今后工作需要優(yōu)選出常用的幾種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

(一)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)

當(dāng)前，設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)邁向了現(xiàn)代設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為基礎(chǔ)，運(yùn)用力學(xué)和數(shù)學(xué)而形成的經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表、手冊(cè)等作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)。學(xué)生主要借助《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》等課程知識(shí)和《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要采用手工計(jì)算，為經(jīng)驗(yàn)分析、近似計(jì)算，且設(shè)計(jì)速度慢、設(shè)計(jì)質(zhì)量不高，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的宏觀計(jì)算。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)則在繼承傳統(tǒng)設(shè)計(jì)精華的基礎(chǔ)上，吸收了當(dāng)代科技成果和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)定量化、最優(yōu)化、動(dòng)態(tài)化、可靠性化等設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度快、質(zhì)量高，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜零件及動(dòng)態(tài)工況下的零部件設(shè)計(jì)具有更大優(yōu)勢(shì)。目前現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)、人機(jī)工程、人工神經(jīng)元計(jì)算方法等等[5]。每種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法側(cè)重點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域不同，并不是每臺(tái)設(shè)備及其零部件的設(shè)計(jì)都需要應(yīng)用上所有的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)最常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

（二）前期現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)基礎(chǔ)

作為培養(yǎng)高層次機(jī)械設(shè)計(jì)人員的高校需要緊跟時(shí)展，培養(yǎng)出滿足社會(huì)需要的人才?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為當(dāng)前主流設(shè)計(jì)方法，不僅企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、高校設(shè)計(jì)人員需要掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；當(dāng)前本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)也通常離不開(kāi)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；同時(shí)一些重要的學(xué)科競(jìng)賽也通常需要利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成，如“全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”、“全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”、“全國(guó)大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽”等等。也因此，各高校不斷地修改培養(yǎng)計(jì)劃、調(diào)整課程體系來(lái)滿足人才培養(yǎng)需要，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。以本校為例，當(dāng)前要求機(jī)械專業(yè)學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)類課程《機(jī)械制圖》、《機(jī)械原理》中學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)主要是指CAD二維繪圖及三維建模技術(shù)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中最早也是最基礎(chǔ)的應(yīng)用。目前學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計(jì)》理論課之前，基本掌握了CAD二維制圖及三維建模方法；同時(shí)，在學(xué)習(xí)《機(jī)械原理》課程時(shí)，同學(xué)們對(duì)三維運(yùn)動(dòng)仿真有了初步入門。除此之外，學(xué)生已完成了一門計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，如VC、VB或PYTHON等語(yǔ)言的學(xué)習(xí)。

（三）現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法選用

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)只有短短的3周時(shí)間，不能應(yīng)用大量的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。需結(jié)合課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)、學(xué)生基礎(chǔ)和社會(huì)需求選擇現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)通常是進(jìn)行二級(jí)減速器設(shè)計(jì)。減速器主要由傳動(dòng)系統(tǒng)（通常為齒輪或蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)）、軸系（包含有軸及軸承）、箱體及減速器附件等組成。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)方法是：學(xué)生運(yùn)用前期課堂所學(xué)知識(shí)，按照經(jīng)典理論、經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各零部件的設(shè)計(jì)和選型。在二維設(shè)計(jì)中，一些同學(xué)投影知識(shí)薄弱且空間意識(shí)不強(qiáng)，圖中經(jīng)常缺線，甚至出現(xiàn)零件與箱體干涉、箱內(nèi)齒輪外徑超過(guò)箱體外壁等嚴(yán)重問(wèn)題；由于學(xué)生工程知識(shí)薄弱，齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常常不合理，要么無(wú)法定位，要么裝配困難或無(wú)法裝配；同時(shí)，大多數(shù)同學(xué)們僅從功能實(shí)現(xiàn)角度進(jìn)行基本設(shè)計(jì)，未從整臺(tái)設(shè)備的輕量化、小型化、經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行深入設(shè)計(jì)；此外，對(duì)于受力復(fù)雜的齒輪階梯軸僅從理論上宏觀地進(jìn)行了危險(xiǎn)截面的疲勞校核，而未深入分析局部結(jié)構(gòu)、特別是具有應(yīng)力集中部位的應(yīng)力應(yīng)變情況。鑒于學(xué)生在課程設(shè)計(jì)之前初步掌握了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為了讓學(xué)生能直觀地了解所設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)、裝配情況及運(yùn)動(dòng)情況，因此，要求學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法完成減速器的CAD二維制圖、三維建模及三維運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的實(shí)例練習(xí)，有利于學(xué)生熟練掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)代化產(chǎn)品通常對(duì)產(chǎn)品的輕量化、經(jīng)濟(jì)性都有較高要求，有必要培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)技能。學(xué)生可在老師指導(dǎo)下利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這也可為學(xué)生下一步選修《機(jī)械CAD與CAE應(yīng)用技術(shù)》和《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法》課程打下基礎(chǔ)；或?yàn)槲催x修這兩門課程的同學(xué)提供入門教學(xué)，有利于學(xué)生在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)及走上工作崗位后快速掌握這兩種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。通過(guò)上述分析，擬選計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)三種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)中。

二現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)施措施

結(jié)合學(xué)生軟件學(xué)習(xí)情況、學(xué)生自身能力，并考慮課程設(shè)計(jì)時(shí)間因素，提出3種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法具體的實(shí)施措施。

（一）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)施措施

因?qū)W生基本掌握了CAD二維制圖及三維建模，并對(duì)三維運(yùn)動(dòng)仿真有了初步入門。要求學(xué)生在理論課結(jié)束前利用三維軟件完成整個(gè)減速器建模及組裝（圖1[6]），并在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下及查閱相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)置。具體方法見(jiàn)本人論文《穿插式教學(xué)在《機(jī)械設(shè)計(jì)》理論課及其課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究》[10]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可根據(jù)學(xué)生已掌握的軟件自行選擇，如AutoCAD、Pro/E、Creo、UG、CAXA等常用軟件。預(yù)計(jì)2天時(shí)間完成減速器運(yùn)動(dòng)仿真分析。要求所有同學(xué)都必須完成減速器三維建模及其運(yùn)動(dòng)仿真分析。

（二）有限元仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)施措施

常規(guī)的課程設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生是按照理論公式得到各零部件的尺寸，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的局部應(yīng)力強(qiáng)度難以進(jìn)行精確校核?？赏ㄟ^(guò)有限元仿真對(duì)零部件，特別是應(yīng)力集中處的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行精確校核。但在課程設(shè)計(jì)時(shí)學(xué)生未接觸有限元仿真方法，在短時(shí)間內(nèi)很難讓學(xué)生熟練運(yùn)用?；诖?，可只分析復(fù)雜受力件析，比如僅對(duì)齒輪軸進(jìn)行有限元分析。先將事先錄制好的傻瓜式減速器齒輪軸有限元仿真教學(xué)視頻發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生參照教學(xué)視頻進(jìn)行有限元仿真計(jì)算；考慮時(shí)間因素，要求學(xué)生只需在所設(shè)計(jì)的齒輪軸中選取一根軸進(jìn)行仿真分析。預(yù)計(jì)3天時(shí)間完成減速器齒輪軸的限元仿真分析。要求所有同學(xué)都必須完成此任務(wù)。

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)施措施

能進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件很多，如可通過(guò)ANSYS、MATALAB等具有優(yōu)化模塊的軟件直接優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。然而，大部分學(xué)生前期未進(jìn)行相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)，在課程設(shè)計(jì)期間也難以深入學(xué)習(xí)新的軟件。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及的領(lǐng)域很多，可進(jìn)行成本、壽命、體積、重量等多目標(biāo)的優(yōu)化。鑒于學(xué)生前期已進(jìn)行了VC、VB、PYTHON等編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，可建議優(yōu)秀的學(xué)生利用編程軟件進(jìn)行重量?jī)?yōu)化，可參考《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》[3]中單級(jí)齒輪的優(yōu)化實(shí)例或相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行；對(duì)已掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)專用軟件或自學(xué)能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生，可指導(dǎo)其利用優(yōu)化軟件直接進(jìn)行優(yōu)化。此次優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為后續(xù)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程的學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)存在一定難度，只作為選做任務(wù)。

三考核改革建議

新的課程設(shè)計(jì)增加了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)（選做），則需在傳統(tǒng)考核基礎(chǔ)上進(jìn)行改革，以體現(xiàn)并進(jìn)而提升學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的能力。本校傳統(tǒng)的考核方式：平時(shí)成績(jī)占40%，期末成績(jī)占60%。其中平時(shí)成績(jī)主要由出勤、階段成果檢查和平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)組成。期末成績(jī)主要由手繪圖紙（一張0＃裝配圖和3張零件圖）、手寫(xiě)說(shuō)明書(shū)和現(xiàn)場(chǎng)答辯三部分成績(jī)組成，依次占比30%、30%和40%。主要通過(guò)改革期末成績(jī)考核方式來(lái)考核學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的能力。圖紙資料中，考慮既要考核傳統(tǒng)的手工繪圖能力，又要考核計(jì)算機(jī)繪圖能力，同時(shí)，也便于指導(dǎo)老師指導(dǎo)修改，則建議考核的圖紙資料由手工圖和計(jì)算機(jī)繪制圖兩種組成。建議草圖和軸零件圖保留手工繪制要求，其他圖則可由計(jì)算機(jī)繪制。說(shuō)明書(shū)資料可采用電子版本，內(nèi)容不僅包括傳統(tǒng)的撰寫(xiě)內(nèi)容，還需增加三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元仿真相關(guān)內(nèi)容。現(xiàn)場(chǎng)答辯中，除了考查傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí)外，還要求學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行減速器運(yùn)動(dòng)仿真演示，并問(wèn)詢有關(guān)有限元仿真內(nèi)容。改革后的期末成績(jī)由圖紙、報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)答辯、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用四部分成績(jī)組成，依次占比30%、30%、30%和10%。此外，對(duì)于進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的同學(xué)，可酌情在總分上加2~5分。

四結(jié)論

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法將是今后機(jī)械設(shè)計(jì)人員的常用設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員必備的設(shè)計(jì)能力。作為高校，需采用多種方式培養(yǎng)學(xué)生的這種能力，從而滿足社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求。本文結(jié)合課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)、學(xué)生基礎(chǔ)和社會(huì)需求優(yōu)選出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)三種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)中，并提出了具體的實(shí)施措施，最后給出了相應(yīng)的考核改革建議。本文研究的成果也可以作為其他高?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)改革的參考。

作者:肖仕紅 黎偉 蔣發(fā)光 李成兵 馬海峰 葉哲偉 單位:西南石油大學(xué)