現(xiàn)代設(shè)計方法在工程機械專業(yè)教學中的應用

王利英,上官林建,紀占玲,韓林山

(華北水利水電學院,河南鄭州 450011)

現(xiàn)代設(shè)計方法在工程機械專業(yè)教學中的應用

王利英,上官林建,紀占玲,韓林山

(華北水利水電學院,河南鄭州 450011)

根據(jù)社會對工程機械專業(yè)人才的實際需求,建立“工程機械”專業(yè)方向的現(xiàn)代機械設(shè)計創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。該體系以現(xiàn)代設(shè)計方法為核心,改革工程圖學教學內(nèi)容,強化現(xiàn)代設(shè)計方法的教學和實踐,并在輔助課堂教學上應用現(xiàn)代設(shè)計方法來提高教學質(zhì)量。

工程機械;創(chuàng)新人才;現(xiàn)代設(shè)計方法;培養(yǎng)模式

華北水利水電學院是 20世紀 50年代末期在我國最早設(shè)置工程機械專業(yè)的 3所高校之一,在多次專業(yè)變遷過程中,學校始終保留工程機械專業(yè)方向,具有鮮明的專業(yè)特色。目前我國的工程機械已進入快速發(fā)展時期,由以前的仿制為主轉(zhuǎn)為自主創(chuàng)新、自主研發(fā)階段,但工程機械產(chǎn)品大都結(jié)構(gòu)復雜、龐大,由幾千個甚至幾十萬個零部件組成,有的重量高達上千噸,若采用傳統(tǒng)的設(shè)計計算方法和手段,設(shè)計周期長、設(shè)計成本高,無法滿足市場需求,而先進的三維數(shù)字化設(shè)計、虛擬仿真等現(xiàn)代設(shè)計方法以其準確、快捷和高質(zhì)量的特點被越來越多的企業(yè)所采用。因此,培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才是時代對高等學校工程機械專業(yè)提出的迫切要求,需要從培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案和教學組織管理等方面對工程機械專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式進行研究與實踐,加強計算機三維輔助設(shè)計、優(yōu)化技術(shù)、有限元分析技術(shù)、動態(tài)仿真模擬等技術(shù)理論和實踐能力培養(yǎng),滿足社會對應用型、復合型、創(chuàng)新型工程機械專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。為此,必須對“工程機械”專業(yè)方向的課程體系進行整體優(yōu)化,建立以現(xiàn)代設(shè)計方法為核心的課程群。

一、改革工程圖學教學內(nèi)容,強化空間構(gòu)思和三維設(shè)計能力

在完成工程圖學教學目標,讓學生掌握基本的手工繪圖、二維繪圖技能和方法的前提下,一方面加強學生實際動手繪圖能力的培養(yǎng),另一方面培養(yǎng)學生空間構(gòu)思能力和創(chuàng)新能力。將畫法幾何、工程圖學、AutoCAD、SolidWorks等內(nèi)容融為一體,增加計算機三維幾何造型理論及表示方法,強化三維思維方式,通過先進行三維造型,再生成二維工程圖紙來強化現(xiàn)代設(shè)計與表達意識。在后續(xù)的教學中以設(shè)計為主線,按設(shè)計表達所需的理論、規(guī)律及方法集成組織教學,使學生掌握現(xiàn)代工程設(shè)計概念。

二、增設(shè)現(xiàn)代設(shè)計方法的課程

現(xiàn)代設(shè)計方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,融匯新的科學理論和科技成果而形成的一個知識群體,經(jīng)過 30多年的發(fā)展到現(xiàn)在已有幾十種設(shè)計方法,而教學大綱計劃的授課學時是有限的,為此,需要精心策劃和組織教學內(nèi)容,精心選擇教材和教學內(nèi)容,最終確定以學科基礎(chǔ)課《現(xiàn)代設(shè)計方法》為基礎(chǔ),以《有限單元法》、《優(yōu)化設(shè)計》、《可靠性設(shè)計 》、《機械創(chuàng)新設(shè)計 》、《虛擬設(shè)計 》、《SolidWorks三維實體設(shè)計》、《Ansys工程數(shù)值模擬技術(shù)》、《機械運動仿真模擬技術(shù)》、《人機工程學》、《并行工程設(shè)計》為專業(yè)任選課的核心課程群。充分利用三維設(shè)計軟件的集成性,開設(shè) CAD/CAM/PDM課程,使學生了解和掌握現(xiàn)代工程設(shè)計、分析、仿真、制造的全過程,培養(yǎng)學生現(xiàn)代工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

三、將有限元、優(yōu)化技術(shù)、仿真技術(shù)引入到相關(guān)課程教學當中

將已完成的 DF50/160架橋機、DF900架橋機、DPG500鋪軌機、動力平板車等科研課題的三維建模、優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、動態(tài)仿真模擬技術(shù)以淺顯易懂的形式貫穿到《起重機械》課程案例教學當中,將深奧的理論融入到具體的工程實例當中,簡單明了,啟發(fā)學生舉一反三,提高學生就業(yè)的實際技能。

四、利用現(xiàn)代設(shè)計方法進行畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與技能,獨立分析和解決問題的能力,使學生受到科學研究和工程設(shè)計的基本訓練,達到專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)目標的重要實踐環(huán)節(jié)[1]。在 2004～2009屆畢業(yè)設(shè)計當中,指導教師精選設(shè)計對象讓學生利用現(xiàn)代設(shè)計方法完成相應的產(chǎn)品設(shè)計。因為畢業(yè)設(shè)計時間有限,為了讓學生能圓滿完成畢業(yè)設(shè)計任務,所給的命題一般都是以前完成的科研項目,如剪板機、架橋機、起重機等。首先將以前設(shè)計的產(chǎn)品演示給學生,讓學生對該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及運動過程有初步的認識,了解其設(shè)計計算流程;然后更改設(shè)計參數(shù),確定學生設(shè)計的具體對象。學生首先進行機械結(jié)構(gòu)的功能分析、概念設(shè)計、設(shè)計方案的對比論證,然后應用 SolidWorks、Pro/E、UG等三維設(shè)計軟件進行零部件的建模,建立裝配結(jié)構(gòu)的實體模型;再對虛擬樣機進行分析評價,應用 Ansys有限元分析軟件對關(guān)鍵零件和主體結(jié)構(gòu)進行邊界處理、設(shè)置約束條件、輸入載荷數(shù)據(jù),建立求解模型,對其進行力學性能分析、疲勞分析、模態(tài)分析,最后進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算,獲得最優(yōu)解。通過這樣一個綜合性的工程設(shè)計訓練,使學生對工程機械產(chǎn)品的設(shè)計過程有了全面的了解,并領(lǐng)會到現(xiàn)代設(shè)計方法的先進性。

五、現(xiàn)代設(shè)計方法在輔助課堂教學上的應用

借助三維設(shè)計軟件,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),開發(fā)數(shù)控機床及其編程仿真系統(tǒng),在計算機上模擬數(shù)控機床的控制系統(tǒng)、操作、編程和加工過程、故障檢測;利用三維建模技術(shù),建立復雜機械產(chǎn)品的三維模型,動畫模擬其拆裝過程、機構(gòu)運動過程;利用MATLAB、LABV IEW軟件開發(fā)虛擬儀器、虛擬仿真系統(tǒng),實現(xiàn)對難以用語言描述的結(jié)構(gòu)變化、形成過程等以動畫形式直觀體現(xiàn)出來,以提高教學的起點和授課信息量,提高教學的質(zhì)量[2]。

以《機械原理》連桿機構(gòu)課堂教學內(nèi)容為例,以前老師講課只能在黑板上畫機構(gòu)的一兩個位置,急回、慢進、偏置等運動狀態(tài)完全依靠老師的講解和學生的想象,空間思維差的學生只能死記硬背,很難根本理解。借助三維設(shè)計軟件,建立四連桿機構(gòu)的裝配體模型,動畫模擬各個運動情況,讓學生生動、形象地了解運動情況及產(chǎn)生的原因,學生既容易理解,還記得牢,深受學生的歡迎。

我校工程機械專業(yè)獨具特色的“工程機械駕駛實習”和“工程機械拆裝實驗”因招生規(guī)模的擴大學校投入的減少等多方面原因也面臨困境。利用三維設(shè)計軟件建立裝載機、挖掘機等工程機械模型,在電腦上完成這些機械產(chǎn)品的拆裝和模擬駕駛操作,既能減少設(shè)備投資,避免一人操作,別的學生無法動手的現(xiàn)狀,還能減少拆裝困難,減少學生磕碰工傷事故的發(fā)生,達到生動、形象地了解其結(jié)構(gòu)組成、運動方式和動手操作的教學目的。

經(jīng)過近 5年的實踐,并通過對到鄭州大方橋梁機械有限公司、國電鄭州機械設(shè)計研究所的畢業(yè)生跟蹤調(diào)查表明,加強現(xiàn)代設(shè)計方法在工程機械專業(yè)上的教學和實踐比重,使學生能夠更好地滿足社會需求,更能突出我校工程機械專業(yè)學生“用得上”的辦學特色。

[1]白曉虎,張祖立,辛明金.現(xiàn)代設(shè)計方法在機械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008,(9).

[2]黃長浩.淺探機械專業(yè)實踐教學改革 [J].職業(yè)教育,2009,(10).

Abstract:According to the times and communities’actual needs of the mechanical engineering professionals,the modern mechanical design innovative personnel training system in"mechanical engineering"professional direction is established.This system is in modern design method for the core,refor ming of the engineering graphics teaching content,strengthening the teaching methods of modern design and practice,and improving the teaching quality by the application ofmodem design methods in the auxiliary teaching.

Key words:Engineeringmachinery;Innovative talents;Modern design methods;Trainingmode

(責任編輯:宋孝忠)

The exploration and practice of tra in ing mode in mechan ical engineering innovation talents

WANGLi-ying,SHANG GUAN Lin-jian,J I Zhan-ling,HAN Lin-shan
(North China Institute of W ater Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou450011,China)

G642.0

A

1008—4444(2010)04—0161—02

2010-06-25

華北水利水電學院教改項目 (20090023)。

王利英 (1962—),女,河南鄭州人,華北水利水電學院機械學院高級工程師。