機械類專業學生產品三維開發創新能力培養的探索與實踐

朱 昱王建萍

1.南通大學機械工程學院 江蘇南通 226019 2.南通紡織職業技術學院機電系 江蘇南通 226007

機械類專業學生產品三維開發創新能力培養的探索與實踐

朱 昱1王建萍2

1.南通大學機械工程學院 江蘇南通 226019 2.南通紡織職業技術學院機電系 江蘇南通 226007

簡要介紹了產品三維開發的范疇，論述了機械類專業學生三維開發創新能力培養體系的構成及其課程體系的主要內容，分析了培養體系在人才培養中取得的效果并探討了實施過程中需注意的問題。

三維開發；創新能力；培養；實踐

Abstract: It briefly introduced the scope of three-dimensional product development, brought out the structure and main content of cultivational system of mechanica talents’ three-dimensional product development innovationability, and analysed the effects of the construction, the focuses which should be paid attention to during the construction implementation was also discussed.

Key words: three-dimensional product development; innovationability cultivation; practice

21世紀是創新的世紀，而教育創新的核心在于培養學生的開拓意識和創新能力。創新能力的培養，并非是一二門課程就能解決的問題，它是一種觀念、一個目標，也是一個過程。教學改革應在更高的層面上考慮人才培養模式，營造更加柔性、充滿活力的氛圍。在課程體系與教學內容及整個實踐教學環節中，應注重學生的能力培養，從工程實際應用著眼，著重培養學生的創新設計能力 。

目前，基于數字化的產品開發技術越來越得到廣泛應用，三維設計技術和制造方式已迅速全面地占據了傳統的二維設計和制造方式領域，成為產品開發的核心。這些發展既為我國的制造業帶來了革命性的變化，也給高校機械類專業人才培養工作提出了更高的要求。因此，為提高人才的適應性，加強產品三維開發創新能力培養已成為機械類專業學生培養的重要任務。

1 產品三維開發的范疇

1.1 產品的三維造型

包括三維造型理念的建立及零件造型方法的選擇、裝配約束方案的確定等具體建模手段的運用，充分利用參數化設計技術，完成產品的三維造型。

1.2 基于三維造型的優化設計

傳統產品設計流程，各項產品的測試皆在設計流程后期進行，一旦發生問題，除了必須付出設計成本，相關前置作業也需改動，而且發現問題越晚，重新設計所付出的成本就會越高，若影響交貨期或產品形象，損失更是難以估計。為了避免此類情形的發生，預期評估產品的特質便成為設計人員的重要課題。

1.2.1 行為建模

“行為建模”是軟件提供的一組包含執行模型的多種分析并將分析結果合并到模型中的工具，能夠實現按所需解決方案來修改模型的設計，便捷地進行優化設計。使用“行為建模”工具可以完成下列工作：

（1）創建基于模型測量和分析的特征參數；

（2）創建基于模型測量和分析的幾何圖元；

（3）創建符合特殊要求的測量新類型；

（4）分析變量尺寸和參數改變時測量參數的行為；

（5）自動查找滿足所需模型行為的尺寸和參數值；

（6）分析指定設計空間內測量參數的行為。

通過行為建模，能夠自動實現滿足約束條件下經過優化設計的產品三維建模。

1.2.2 有限元分析

在三維造型的基礎上，采用有限元法進行材料、約束、載荷的設置，網格的劃分，求解器的選擇，完成結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場分析等，實現模態分析、跌落測試、沖壓回彈、軋制成形、沖擊分析、侵徹分析、相變分析等具體工程運用，以模擬結果作為產品改進和定型的依據。

1.2.3 運動仿真

基于三維造型，將裝配件創建為運動機構并分析其運動過程。它提供的信息涉及創建和使用機構模型，測量、觀察與分析機構在受力和不受力情況下的運動，進行裝配檢驗，并進行運動學、動力學仿真，將其分析結果進行工程實際應用的可行性分析，通過快速修改設計方案，最終獲得滿意的設計結果。

1.3 基于三維造型的數控加工

對于異形曲面的加工，通常無法由手工編制數控程序，而是借助圖形交互編程技術，使用數控語言，從零件圖樣或三維造型獲得零件特征數據，由計算機自動地進行數值計算及后置處理，編寫出零件加工程序單，加工程序通過直接通信的方式送入數控機床，指揮機床工作。自動編程使得一些計算繁瑣、手工編程困難或無法編出的程序能夠順利地完成。

基于三維造型的數控加工包括加工方案與加工參數的選擇、刀具軌跡的生成、數控加工仿真、后置處理等內容。

2 機械類專業三維開發創新能力培養體系的構建

2.1 三維開發能力培養體系

機械類專業學生三維開發能力的培養，不能僅靠簡單地增加幾門軟件使用操作課程，或僅僅在原來的培養體系中增加各自獨立的數字化設計類課程，而是必須在明確三維產品開發能力培養的內涵和目標前提下，從師資、教學內容、教學模式和實踐環節等多個方面統一部署、系統構建并落到實處。

三維開發創新能力培養體系主干部分（如圖1所示）。該體系堅持知識、能力、素質協調發展，著力加強學生的基礎知識、基本理論、基本技能的培養，切實增強學生的社會適應能力、市場競爭力和后續發展力。該體系建立在“平臺＋模塊”基本框架的基礎上，把拓寬專業口徑與靈活設置專業方向有機地結合起來，包含了機械工程及自動化專業內設的設計、制造、模具、機電等方向。學生可根據自身興趣愛好及行業需求，自主選擇相關課程，完成相應專業方向的修讀。

圖1 三維開發創新能力培養體系主干部分

2.2 三維開發創新能力培養的課程設置

三維開發創新能力培養體系的實現依賴于以代表現有生產實踐中領先應用技術的相關軟件為背景的課程體系建設，部分主干課程見表1。在具體實施過程中，針對同一課程內容可開設不同軟件環境下的不同課程，如參數化設計技術應用基礎，可開設Pro/ ENGINEER參數化設計基礎、UG參數化設計基礎、Solidworks參數化設計基礎等課程，學生根據興趣可自主選擇。

表1 三維開發創新能力培養體系部分主干課程

課程體系中各課程既相互獨立又相互關聯，表現為：橫向—不同軟件環境下實施的同一課程要求；縱向—以同一軟件的應用為主線，串起不同要求的相應課程，實施課程群建設，如以Pro/ENGINEER、UG等軟件為授課環境，整合工程圖學、工程力學、機械原理、機械設計、機械制造裝備及設計、模具設計、數控加工技術等課程內容，使學生在掌握相關知識的理論背景同時循序漸進，逐漸掌握零件三維造型、裝配能力；受力分析、動態仿真并執行機構分析和優化設計的能力；裝備設計及數控加工能力等。

課程體系突出實踐教學環節，強調推進實踐教學內容和方法改革，增強實踐教學的系統性、整體性、綜合性。各課程均包含足量的上機環節，在各階段相關的課程設計、工程訓練、創新實踐、畢業設計等環節，均以若干具體項目為對象，在三維基礎上完成項目。

課程體系改變了課程內容陳舊、分割過細和簡單拼湊的狀況，避免了課程內容重復和脫節，實現了錘煉課程、優化體系的目的，為機械類學生三維開發創新能力的培養提供了強有力的保證。

3 實踐效果與探討

在機械類專業三維開發能力培養體系的逐步實施過程中，需注重講解理論公式與軟件中相關參數設置的關系，同時需合理分配理論授課學時與上機實訓學時。

將三維軟件的應用作為人才培養環節的主線，將深厚的理論與具體的軟件應用相結合，不但使枯燥的理論以顯式的結果吸引學生的學習興趣，更培養了學生利用先進軟件工具解決具體工程問題的能力。通過近5年來三維開發能力培養體系的逐步實施，學生開拓了視野、拓寬了思路，進一步提高了創新意識及創新能力，就業競爭能力和綜合應用能力得到了進一步加強。

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Research in the cultivation of mechanical talents’ three-dimensional product development innovationability

Zhu Yu1,Wang Jianping2
1.School of mechanical engineering, Nantong university, Nantong, 226019, China 2.Nantong textile vocational technology college, Nantong, 226007, China

2011-01-10 稿件編號：1101033

朱昱，碩士，副教授。