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摘要：現代設計方法已成為當前機械設計的常用方法，高校畢業生需具有一定的現代設計方法應用能力。作為機械專業關鍵的實踐課程，《機械設計》課程設計仍采用傳統的設計方法已難以滿足人才培養的需要。本文結合課程設計特點、學生基礎和社會需求優選出3種常用的現代設計方法應用于課程設計中，并提出了具體實施措施，同時給出了相應的考核改革建議，最終達到提高學生設計能力的目的。

關鍵詞：現代設計方法；機械設計；課程設計；實施措施；考核改革

《機械設計》課程設計是機械專業關鍵的一門實踐課程，是學生除畢業設計外唯一一次專業基礎知識的集中應用，是首次系統地使學生熟悉機器設計流程，鍛煉并提高設計能力的一次練兵，同時為后續畢業設計及工作期間的研究工作打下堅實的基礎。當前許多高校《機械設計》課程設計仍采用傳統設計方法，其考核資料主要通過手工完成。隨著計算機技術快速發展，現代設計方法已成為當前機械設計的常用方法。無論是學生畢業后從事機械設計工作還是進一步深造都需要至少掌握2~3種現代設計方法。機械類教學質量國標中規定人才培養基本要求在業務方面要求“具有在機械工程實踐中選擇、運用相應技術、資源、現代工程工具和信息技術工具的能力。”同時，提出機械工程專業核心知識領域要求包括“計算機應用技術”[1]。部分高校業已開展現代設計方法在《機械設計》課程設計中的應用研究，提出利用計算機技術進行二維繪圖、三維建模、運動仿真及有限元仿真等改革思路[2-4]。但現代設計方法在課程設計中的具體實施措施及相應的考核改革措施，還需深入研究。本文以機械工程專業學生為研究對象，結合本校教學實際和當前社會需求研究現代設計方法在課程設計中的具體應用，同時研究相應的考核改革，從而達到提高學生設計能力的目的。

一現代設計方法的選用

現代設計方法有很多，在學生時間有限及精力有限的情況下，應結合學生實際和今后工作需要優選出常用的幾種現代設計方法。

(一)現代設計方法特點

當前，設計已經從傳統設計邁向了現代設計。傳統設計是以經驗總結為基礎，運用力學和數學而形成的經驗、公式、圖表、手冊等作為設計的依據，通過經驗公式、近似系數或類比等方法進行的設計。學生主要借助《理論力學》、《材料力學》、《機械原理》和《機械設計》等課程知識和《機械設計手冊》進行設計。主要采用手工計算，為經驗分析、近似計算，且設計速度慢、設計質量不高，僅能進行簡單結構的宏觀計算。而現代設計則在繼承傳統設計精華的基礎上，吸收了當代科技成果和計算機技術，可實現定量化、最優化、動態化、可靠性化等設計，設計速度快、質量高，特別是對于結構不規則的復雜零件及動態工況下的零部件設計具有更大優勢。目前現代設計方法主要有計算機輔助設計、有限元法、優化設計、可靠性設計、工業造型設計、綠色設計、動態設計、反求工程設計、人機工程、人工神經元計算方法等等[5]。每種現代設計方法側重點及應用領域不同，并不是每臺設備及其零部件的設計都需要應用上所有的現代設計方法。計算機輔助設計、有限元法、優化設計是當前機械設計最常用的現代設計方法。

（二）前期現代設計方法學習基礎

作為培養高層次機械設計人員的高校需要緊跟時展，培養出滿足社會需要的人才。現代設計方法已經成為當前主流設計方法，不僅企業、研究機構、高校設計人員需要掌握現代設計方法；當前本科畢業設計和研究生畢業設計也通常離不開現代設計方法；同時一些重要的學科競賽也通常需要利用現代設計方法完成，如“全國大學生機械創新設計大賽”、“全國三維數字化創新設計大賽”、“全國大學生機械產品數字化設計大賽”等等。也因此，各高校不斷地修改培養計劃、調整課程體系來滿足人才培養需要，以提高人才培養質量。以本校為例，當前要求機械專業學生在專業基礎類課程《機械制圖》、《機械原理》中學習計算機輔助設計技術。計算機輔助設計技術主要是指CAD二維繪圖及三維建模技術，是現代設計技術在機械設計行業中最早也是最基礎的應用。目前學生在學習《機械設計》理論課之前，基本掌握了CAD二維制圖及三維建模方法；同時，在學習《機械原理》課程時，同學們對三維運動仿真有了初步入門。除此之外，學生已完成了一門計算機編程語言，如VC、VB或PYTHON等語言的學習。

（三）現代設計方法選用

《機械設計》課程設計只有短短的3周時間，不能應用大量的現代設計方法。需結合課程設計特點、學生基礎和社會需求選擇現代設計方法。《機械設計》課程設計通常是進行二級減速器設計。減速器主要由傳動系統（通常為齒輪或蝸桿傳動系統）、軸系（包含有軸及軸承）、箱體及減速器附件等組成。傳統的課程設計方法是：學生運用前期課堂所學知識，按照經典理論、經驗公式和經驗數據進行各零部件的設計和選型。在二維設計中，一些同學投影知識薄弱且空間意識不強，圖中經常缺線，甚至出現零件與箱體干涉、箱內齒輪外徑超過箱體外壁等嚴重問題；由于學生工程知識薄弱，齒輪軸的結構設計常常不合理，要么無法定位，要么裝配困難或無法裝配；同時，大多數同學們僅從功能實現角度進行基本設計，未從整臺設備的輕量化、小型化、經濟性角度進行深入設計；此外，對于受力復雜的齒輪階梯軸僅從理論上宏觀地進行了危險截面的疲勞校核，而未深入分析局部結構、特別是具有應力集中部位的應力應變情況。鑒于學生在課程設計之前初步掌握了計算機輔助設計方法，同時為了讓學生能直觀地了解所設計零件的結構、裝配情況及運動情況，因此，要求學生在課程設計中利用計算機輔助設計方法完成減速器的CAD二維制圖、三維建模及三維運動仿真。通過本課程設計的實例練習，有利于學生熟練掌握計算機輔助設計方法。現代化產品通常對產品的輕量化、經濟性都有較高要求，有必要培養學生相關的設計思想及設計技能。學生可在老師指導下利用現代設計方法中的有限元法和優化設計進行設計。這也可為學生下一步選修《機械CAD與CAE應用技術》和《現代設計理論及方法》課程打下基礎；或為未選修這兩門課程的同學提供入門教學，有利于學生在后續畢業設計及走上工作崗位后快速掌握這兩種現代設計方法。通過上述分析，擬選計算機輔助設計、有限元法和優化設計三種現代設計方法應用于《機械設計》課程設計中。

二現代化設計方法的具體實施措施

結合學生軟件學習情況、學生自身能力，并考慮課程設計時間因素，提出3種現代設計方法具體的實施措施。

（一）計算機輔助設計的應用實施措施

因學生基本掌握了CAD二維制圖及三維建模，并對三維運動仿真有了初步入門。要求學生在理論課結束前利用三維軟件完成整個減速器建模及組裝（圖1[6]），并在指導老師的指導下及查閱相關文獻[7-9]進行運動仿真的設置。具體方法見本人論文《穿插式教學在《機械設計》理論課及其課程設計中的應用研究》[10]。計算機輔助設計軟件可根據學生已掌握的軟件自行選擇，如AutoCAD、Pro/E、Creo、UG、CAXA等常用軟件。預計2天時間完成減速器運動仿真分析。要求所有同學都必須完成減速器三維建模及其運動仿真分析。

（二）有限元仿真設計的應用實施措施

常規的課程設計時，學生是按照理論公式得到各零部件的尺寸，對于復雜結構處的局部應力強度難以進行精確校核。可通過有限元仿真對零部件，特別是應力集中處的應力強度進行精確校核。但在課程設計時學生未接觸有限元仿真方法，在短時間內很難讓學生熟練運用。基于此，可只分析復雜受力件析，比如僅對齒輪軸進行有限元分析。先將事先錄制好的傻瓜式減速器齒輪軸有限元仿真教學視頻發給學生，要求學生參照教學視頻進行有限元仿真計算；考慮時間因素，要求學生只需在所設計的齒輪軸中選取一根軸進行仿真分析。預計3天時間完成減速器齒輪軸的限元仿真分析。要求所有同學都必須完成此任務。

（三）優化設計的應用實施措施

能進行機械優化設計的軟件很多，如可通過ANSYS、MATALAB等具有優化模塊的軟件直接優化實現。然而，大部分學生前期未進行相關軟件的學習，在課程設計期間也難以深入學習新的軟件。此外，優化設計涉及的領域很多，可進行成本、壽命、體積、重量等多目標的優化。鑒于學生前期已進行了VC、VB、PYTHON等編程語言的學習，可建議優秀的學生利用編程軟件進行重量優化，可參考《現代設計理論與方法》[3]中單級齒輪的優化實例或相關文獻進行；對已掌握優化設計專用軟件或自學能力強的優秀學生，可指導其利用優化軟件直接進行優化。此次優化設計可以為后續《現代設計理論與方法》課程的學習進行鋪墊。由于優化設計存在一定難度，只作為選做任務。

三考核改革建議

新的課程設計增加了計算機輔助設計、有限元法、優化設計（選做），則需在傳統考核基礎上進行改革，以體現并進而提升學生應用現代設計方法的能力。本校傳統的考核方式：平時成績占40%，期末成績占60%。其中平時成績主要由出勤、階段成果檢查和平時表現成績組成。期末成績主要由手繪圖紙（一張0＃裝配圖和3張零件圖）、手寫說明書和現場答辯三部分成績組成，依次占比30%、30%和40%。主要通過改革期末成績考核方式來考核學生運用現代設計方法的能力。圖紙資料中，考慮既要考核傳統的手工繪圖能力，又要考核計算機繪圖能力，同時，也便于指導老師指導修改，則建議考核的圖紙資料由手工圖和計算機繪制圖兩種組成。建議草圖和軸零件圖保留手工繪制要求，其他圖則可由計算機繪制。說明書資料可采用電子版本，內容不僅包括傳統的撰寫內容，還需增加三維建模、運動仿真和有限元仿真相關內容。現場答辯中，除了考查傳統的設計知識外，還要求學生現場進行減速器運動仿真演示，并問詢有關有限元仿真內容。改革后的期末成績由圖紙、報告、現場答辯、現代設計方法應用四部分成績組成，依次占比30%、30%、30%和10%。此外，對于進行了優化設計分析的同學，可酌情在總分上加2~5分。

四結論

現代設計方法將是今后機械設計人員的常用設計方法，是現代設計人員必備的設計能力。作為高校，需采用多種方式培養學生的這種能力，從而滿足社會對人才培養的要求。本文結合課程設計特點、學生基礎和社會需求優選出計算機輔助設計、有限元法和優化設計三種現代設計方法應用于《機械設計》課程設計中，并提出了具體的實施措施，最后給出了相應的考核改革建議。本文研究的成果也可以作為其他高校《機械設計》課程設計改革的參考。

作者:肖仕紅 黎偉 蔣發光 李成兵 馬海峰 葉哲偉 單位:西南石油大學