機械設計教學中的工程案例應用實踐探討

汪昌盛

摘要：機械設計作為機械學科本科專業基礎課，在教學過程中結合工程實際案例進行講解，不僅可以明顯地提高學生理論聯系工程實踐的能力，而且可以增強學生分析和解決實際工程實踐問題的能力，從而提高學生對機械學科的熱情和對機械創新設計的探索。本文從機械設計行業面臨的新機遇和新挑戰，提出在機械設計課程教學中，需要重點關注的領域和案例，從而提升機械設計課程的實時性和專業性，增加學生對該課程的認可和學習熱情。

關鍵詞：機械設計；工程案例；應用教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0199-02

作為高等工科學校機械類本科專業的一門主干技術基礎課，機械設計課程是學習專業課程和從事機械產品設計的必備基礎。它對后續相關機械工程的專業課程學習起到了承上啟下的作用。本課程的培養目標是通過課程的學習使學生具有較強的機械創新設計能力、工程實踐能力。和其他先修課程相對比，機械設計課程最顯著的區別是實踐性非常強，絕大多數內容與生產實踐、生活實際密切相關，因此很多內容只有結合工程實踐案例的講解才能達到好的教學效果。

一、工程案例教學中的現狀

然而目前機械設計類課程教學中，重理論原理，輕實踐應用，重傳授教學，輕學生參與。導致很多學生對于機械設計類課程，停留在書本理論和案例表面，無法參與實踐。

案例教學比例不合理。與國外著名工學院相對比，國內高校工程案例教學在機械設計教育中所占比例還很少，不能滿足專業人才培養的需求。以美國密歇根大學機械學院為例，機械設計類教學中，從工程案例出發進行教學實踐，比例高達80%多，30個學時的課程，理論講述只有2—6學時，剩余全是工程案例講解和實踐。

工程案例供應不足，質量不高，落后于現實發展。很多高校盡管重視工程實踐案例教學的應用，但在案例的搜集、整理和分析等方面比較滯后。例如，在皮帶輪傳動部分，依然應用80年代的手動縫紉機，而目前此類產品已從市場消失，學生無法實現感官認識和切實理解。如果應用掃地機器人等現代產品，則受到關注，將大大提升。

二、機械設計行業面臨的新形式

隨著“工業4.0”和《中國制造2025》的推廣，目前機械設計行業面臨新的問題和挑戰，包括以下幾方面。

（一）機械設計手段的提升

在傳統機械設計工程實踐中，設計流程都是先對機械產品的性能和設計要求進行分解，然后進行模塊設計和裝配，最后進行樣件試制和物理性能驗證。在物理實驗驗證過程中，如果發現問題或者性能達不到設計要求，再返回進行設計更新，包括應用材料提升強度，增強結構設計剛度，改善傳動方式，增加潤滑等方式。這樣一個周期下來，產品開發效率很難提升，產品性能也不容易達到最優。隨著計算機技術和軟件工程的發展，目前現代機械產品的開發設計流程中，大量采用有限元仿真分析和整體性能優化技術。其中，有限元仿真技術是將設計產品模型進行離散網格化，對網格化的模型參考實際條件，進行加載和邊界約束，提交計算機通過數值計算，獲得設計產品預期的變形、承載和應力狀態等結構性能。如果達不到設計要求，也可以返回設計模型，進行設計參數調整，再進行產品性能的迭代虛擬驗證，從而大大提升設計效率和機械產品的精確性。也實現了機械產品設計合理性、性能的預測以及使用方法等的虛擬評估與驗證。而近年來發展的優化設計技術，則是在有限元仿真技術基礎上發展起來的，將機械設計的主要尺寸進行參數化處理，通過實驗設計等數值算法，進行尋優處理，實現產品設計過程中的優化處理，獲得既滿足產品設計要求，又能達到使用材料最少、重量最輕等輕量化和成本要求，從而實現通過優化設計技術來設計出最優化產品性能和要求的實際產品。

（二）網絡化的運用

在網絡不發達年代，對于企業特別是集團化的大型企業，每個工廠的設計部門都需要完整的設計團隊，團隊成員角色分工明確。而各部門之間的設計方案和流程，很難進行共享和交流。也就是說，機械設計同網絡技術沒有任何關系，這導致各設計團隊之間無法實現共享和資源相互支持。而隨著國際化進一步發展，各國各地區之間需要更多的協同設計和資源共享，包括模型更新、設計材料信息、設計規范統一等。在網絡技術與信息技術不斷發展的推動下，機械設計技術中不斷應用新的網絡技術，主要包括協同設計、遠程設計和共享設計等。其中，協同設計主要功能是實現了團隊各成員在網格上共同設計某一機械產品，實現不同國家地區的工程師可以共同完成某一設計任務。在協同設計中，遠程設計則是針對某設計工程師，可以應用先進高速網絡，遠程操作設計工作站，實現家庭辦公或出差遠程操作。而共享設計，則將通用的設計部件包括標準件等，通過高速網格，分享給設計團隊每個成員，從而減少設計工作量和重復設計。高速網絡技術在機械設計中的深入應用，有利于設計開發過程中的遠程控制與共享，有效提升設計效率，避免人工設計的失誤，降低機械設計成本，提升機械設計的創新性。

（三）智能化技術的推廣

隨著“智能家居”“智能工廠”等智能化技術的逐漸推廣，在機械設計制造中逐漸開始出現智能設計理念，從而實現機械設計過程的智能化。具體來說，對于一個機械產品，首先實現產品架構的分解，形成若干模塊，每個模塊可以定義一個關鍵特征和主要功能，這樣一個復雜的機械產品，就由定義了關鍵特征和功能的模塊組成，又可以稱為智能模塊庫。形成智能模塊庫后，設計團隊面對一個新的機械產品設計開發，首先從架構上分解成若干個功能模塊，每個模塊可以定義功能需求，設計系統和前期定義的智能模塊庫進行搜索匹配，快速地搜索到可以匹配的若干種模塊設計，設計工程師可以從智能系統推薦的設計方案中進行人工對比，并確定最終設計方案。智能設計開發系統的推廣和應用，從開發效率上解決了眾多設計方案的建模和裝配，節約了大量的工作時間，也給初級中級設計工程師提供了很多設計方案的選擇，有助于提升設計工程師的設計水平和能力，實現設計工程師、設計軟件系統和設計目標性能的三位一體的協調一致，明顯地提升了產品開發過程的效率和設計方案種類，使得機械設計過程成了一個系統智能工程。

（四）綠色化的應用

目前環保要求越來越高，對產品的回收再利用的要求也越來越高。傳統的機械設計對于報廢部件或者易損部件的回收再利用，基本上考慮很少，導致很多報廢的機械產品無法再次修復或者回收再利用，造成了資源的嚴重浪費。近年來，綠色設計的概念開始在機械設計行業逐漸推廣開來，傳統的機械設計領域逐漸開始并接受綠色設計的理念。綠色設計實質上是對設計過程進行優化計算，為了避免材料的浪費和污染，雖然部分機械產品模塊在技術、原理、產品功能上沒有發生任何變化，但在資源節約方針和綠色環保理念的指導下，深入理解材料的關鍵特征、主要性能和回收成本，在應用材料時考察材料的可回收性和重復利用性，從而避免出現材料浪費和污染，達到節約資源和綠色環保的作用。

三、工程案例教學的建議

根據目前機械設計教學的現狀和機械設計行業發展新形式，對機械設計課程的工程實踐教學，提出以下建議：第一，教師在工程實踐案例教學前，需要了解該案例提出的背景和應用領域，查閱文獻和目前應用領域，引導學生的學習積極性和主動創造性。第二，在教學過程中，需要對教學內容和教學方法和考核等方面進行科學性的優化和改革，對設計課堂問題和課后案例總結，融入創新性和趣味性，引導學生更多參與和理解該課程。第三，教師和教研組需要更多了解機械設計行業發展現狀，針對目前行業發展和未來趨勢，不斷更新工程實踐案例，與時俱進。

總之，針對機械設計課程工程案例教學的現狀，需要任課教師、教研組和學校全體人員共同努力，不僅能通過案例教學進行理論講授，更能讓學生了解到機械行業的發展和機遇，讓學生在案例實踐中提升和感知，認可機械行業，增強對行業的投入和興趣，從而為國家的機械工業發展培養更多專業人才。

參考文獻：

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