現代設計方法在機械學科本科畢業設計中的應用

張付祥 李文忠

河北科技大學機械電子工程學院 河北石家莊 050018

☆課程建設與實踐教學☆

現代設計方法在機械學科本科畢業設計中的應用

張付祥 李文忠

河北科技大學機械電子工程學院 河北石家莊 050018

分析了機械學科本科畢業設計中引入現代設計方法的必要性，指出了機械學科本科畢業設計中常用的現代設計方法及其應用范圍，舉例介紹了現代設計方法的實際應用情況及應用效果，教學改革實踐表明現代設計方法在機械學科本科畢業設計中應用可以極大地提高畢業設計的設計效率和設計水平。

現代設計方法；機械學科；畢業設計

Abstract: The necessity of introducing modern design methods into graduation designs of mechanical subject is analyzed, and the commonly used modern design methods and their application area were also pointed out. Examples showed the overall status of application and its level. The teaching innovation showed that the application of modern design methods in graduation designs of mechanical subject can widely improve the eff ciency and level of design.

Key words: Modern Design Method; Mechanical Subject; Graduation Design

畢業設計（論文）教學過程是實現本科培養目標要求的重要階段，是普通高等學校培養人才的最后一個教學環節。河北科技大學機械電子工程學院于2008年開始在機械本科專業開展了現代設計理論與方法的教學工作，幾年來該課程的主講教師在機械學科本科畢業設計環節中引導學生應用現代設計理論與方法進行設計，取得了可喜的效果，本文將結合指導機械學科本科畢業設計實際情況介紹現代設計方法的應用。

1 機械學科本科畢業設計中引入現代設計方法的必要性

機械學科傳統畢業設計方法存在諸多問題，包括設計過程復雜、設計質量不高、復雜曲線和曲面設計困難、設計結果短時間內無法檢驗、設計方法難以調動學生的積極性等。另外，傳統畢業設計缺乏創新的思想和方法，學生畢業的方案設計創新性普遍不高。

現代設計方法是在繼承傳統設計方法基礎上不斷吸收現代理論、方法、技術及相鄰學科最新成果后發展起來的，主要內容包括：設計方法學、計算機輔助設計、工業造型設計、有限元法、虛擬設計、價值工程、模塊化設計、反求工程、健壯性設計、優化設計、綠色設計、可靠性設計、相似性設計、疲勞設計、人機工程等。現代設計方法是以創新思維、動態分析、精確計算、優化設計和CAD為特征的設計新方法，與傳統設計方法相比發生了質的飛躍。目前，我國普通高等學校機械專業本科教育中正在推行此方法，對于當今機械學科大學生來說掌握現代設計方法并提高應用能力是創新型人才培養的關鍵。

在機械學科本科畢業設計中引入現代設計方法可以使學生從大量計算和繪圖工作中解放出來，將更多的精力投入到創新設計上，從而提高畢業設計（論文）的質量。機械學科本科畢業設計題目和生產實際密切相關，學生可以結合設計題目涉及的具體問題，針對性的學習相關現代設計方法并在設計的過程中加以應用。通過現代設計方法在畢業設計中的應用，學生可以增進現代設計的理論素養和技術水平，提高設計素質，成為未來社會的重要設計力量。“現代設計理論與方法”作為一門綜合性專業課程，具有理論難、設計方法復雜抽象的特征，對此課程而言，學生對知識的接受及教師的講授都具有一定的難度。機械學科本科學生在通過對現代設計理論與方法課程的學習后，在畢業設計環節中進行實踐，從而加深對現代設計方法的理解和掌握。同時，畢業設計指導老師通過指導學生在畢業設計環節中應用現代設計方法也極大地增強了對課程的把握，從而進一步促進課程建設。這樣教學互長、教與學互動，形成良性循環。

2 機械學科本科畢業設計中常用的現代設計方法

機械學科本科畢業設計課題要符合專業的培養目標和教學基本要求，能使學生綜合運用所學知識和技能，進行工程技術工作較全面的訓練，提高分析問題和解決問題的能力；課題應力爭結合生產、科研和實驗室建設實際且具有先進性；畢業設計(論文)的內容側重于工程設計、工程技術或實驗研究、設備調試等課題；課題應力求有益于學生綜合運用多學科的理論知識與技能，有利于培養學生的獨立工作能力和創新精神。綜合以上要求，機械專業本科畢業設計題目大量集中于機電一體化設備的創新型設計，其中機械結構設計又占有相當比重，下面對常用的現代設計方法進行介紹。

2.1 設計方法學

設計方法學（Design Methodology）是以系統的觀點來研究產品的設計程序、設計規律和設計中的思維與工作方法,研究內容包括：設計對象、設計過程及程序、設計思維、設計評價、設計信息管理及現代設計理論與方法的應用。設計方法學從系統觀點分析,把設計系統看作具有時間維、邏輯維和方法維組成的三維系統,主張用并行設計代替傳統的順序設計過程。方案的系統化設計是設計方法學的重要內容,其中功能分析法是探尋功能原理方案的主要方法,設計步驟可以分為分析、綜合和評價決策,主要內容在明確設計要求的基礎上采用黑箱模型、功能樹等工具進行功能分析,通過解法目錄等工具進行功能元求解并列出形態學矩陣,從而完成技術系統的方案設計。設計方法學還致力于創造性機理和創造技法的研究,主張在創新設計的基礎上實現優勢設計,使產品增強競爭力。TRIZ理論是設計方法學中的重要創新理論,主要利用沖突及其解決原理實現產品創新,總結出40個創新原理和39個技術特性并列出沖突解決矩陣,具有很強的操作性。目前已經有基于TRIZ理論的計算機輔助創新軟件產品,如Innovation Machine公司的TechOptimizeer,Ideation International公司的Innovation Workbench（IWB）,憶維訊集團（IWINT, Inc.）的計算機輔助創新平臺Pro/ Innovator和創新能力拓展平臺CBT/NOVA等。采用設計方法學可以使學生在方案設計過程中提出創新性的技術方案、更好的解決技術問題。

2.2 CAD技術

CAD（Computer Aided Design）技術是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。以智能CAD為代表的現代設計技術是由設計專家系統完成的。這種系統能夠模擬某一領域內專家的設計過程，采用單一知識領域的特定問題，把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多的是計算機參與方案的決策、性能分析等常規設計過程，從而大大地提高設計效率。CAD系統集成化是當前CAD技術發展的一個重要方向，可以把CAD，CAM，CAPP和CAT集成為CAE計算機輔助工程系統，使設計、制造、工藝、測試工作一體化。目前有很多成熟的CAD系統，如AutoCAD，SolidWorks，Pro/E，UG及國產軟件CAXA。這些軟件功能強大、各有特點，需要有選擇性的使用。目前，AutoCAD更多用于二維工程圖紙的繪制和二次開發；三維造型則采用SolidWorks，Pro/E和UG；國產軟件CAXA集成了國標的零件庫等內容，在二維工程圖紙繪制和二次開發中被廣泛采用。采用這些CAD軟件能夠直觀構思零件并形成裝配體，通過產品虛擬裝配及時發現設計中存在的問題。

2.3 優化設計

優化設計又稱最優化設計（Optimum Design），它是以數學規劃理論為基礎，以計算機為輔助工具的一種設計方法。這種方法首先確立優化目標，將設計問題按規定的格式建立數學模型，并選擇合適的優化算法、選擇或編制計算程序，通過計算機自動獲得最優設計方案。對于機械產品設計來說，常需要根據其設計要求合理確定各種參數，如重量、體積、運動速度、承載力、成本等，以期達到最佳設計指標。實踐表明，優化設計方法是保證產品具有優良性能、減輕自重或體積、降低工程造價的一種有效設計方法，可以極大地提高設計效率，同時可以使設計者從大量繁瑣、重復的計算工作中解脫出來。另外，通過優化設計可以得到技術條件限制下的優勢設計，從而得到實際最優技術方案。常用的優化算法包括黃金分割法、鮑威爾法、變尺度法、懲罰函數法等等，前人已經開發出相應的BASIC，C和Matlab程序，操作起來比較便利。在畢業設計過程中采用優化設計方法對學生提出了更高的要求，即要求學生得到的技術方案不僅僅是正確的，而且還是最優的。

2.4 有限元法

有限元法（Finite Element Method）是以計算機為工具的一種現代數值計算方法，不僅能用于工程中復雜的非線性問題、非穩態問題的求解，還可以用于工程設計中進行復雜結構的靜態和動力分析，并能準確計算形狀復雜零件的應力分布和變形，成為復雜零件強度和剛度計算的有利工具。有限元不但可以求結構體的位移和應力，還可以對結構體進行穩定性分析和動力分析，求出結構的自激振動頻率、振型等動力響應以及動變形和動應力等。目前，廣泛應用的有限元軟件有Ansys和Abaqus等，這些軟件有強大的前處理（自動生成單元格、形成輸入文件）和后處理（顯示計算結果、繪制變形圖、等直線圖、振型圖并可動態顯示結構的動力響應等）程序。在機械學科本科畢業設計中常遇到的是結構分析，即研究重要的工程零部件的應力和變形問題，采用有限元法進行結構分析將極大地簡化工程計算，其計算結果可以為實際的工程應用提供可靠的依據。

3 應用效果分析

河北科技大學機械電子工程學院于2008年開始在機械本科專業開展了“現代設計理論與方法”的教學工作，該課程的主講教師在機械學科本科畢業設計環節中引導學生應用現代設計理論與方法進行設計已經整整3年了。作為教學實踐改革的試點在本科畢業設計中普遍采用現代設計方法的同學共21人，其中設計獲得優秀的5人、良好10人、中等4人、及格2人，其中還有2人獲校級優秀畢業設計。學院推薦的成績格次比例為優秀15%、良好35%、中等35%、及格15%，校級優秀畢業設計的比例為3%，可見試驗組成績格次明顯高于推薦格次，說明在機械學科本科畢業設計中采用現代設計方法取得了較好的設計效果。

4 結束語

通過對河北科技大學機械電子工程學院本科畢業設計的教學實踐改革研究發現，現代設計方法作為先進的設計工具在機械學科本科畢業設計中具有廣泛應用前景，常用的有效工具包括設計方法學、CAD技術、優化設計和有限元法等，學生在畢業設計中普遍采用現代設計方法可以極大地提高設計效率和設計水平。

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Application of modern design methods in the graduation designs of mechanical subject

Zhang Fuxiang, Li Wenzhong
School of mechanical and electronic engineering, Hebei university of science & technology, Shijiazhuang,050018,China

2011-01-04 稿件編號：1101007

張付祥，博士，副教授。

河北省教育科學研究“十一五”規劃課題“機械專業基礎課實踐教學的研究”（編號：O8020382）；“河北科技大學博士科研啟動基金項目”（編號：QD200936）。