“多位一體”模式下機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法研究

邱 睿，俞成濤，謝文濤

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

隨著工業(yè)科技水平的不斷提升，企業(yè)對科技創(chuàng)新性人才的需求也日益增加。相對傳統(tǒng)教學(xué)模式而言，僅僅依靠課堂理論教學(xué)的模式無法滿足培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉綜合能力的培養(yǎng)[1-2]。機(jī)械設(shè)計(jì)是工科專業(yè)的核心課程，既是專業(yè)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程，又是相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的前期保障，其課程重要性不言而喻[3-4]。如何使學(xué)生理解、掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的核心思想，并根據(jù)實(shí)際工程問題提出設(shè)計(jì)目標(biāo)和改進(jìn)方案，是機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)之一。因此，建立“多位一體”教學(xué)模式對機(jī)械設(shè)計(jì)課程的建設(shè)具有重要的實(shí)踐教學(xué)意義。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對新工科背景下機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)教學(xué)模式進(jìn)行了研究與探索。顏秋艷[5]針對機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，將先進(jìn)結(jié)構(gòu)分析方法引入到機(jī)械設(shè)計(jì)課程中，并進(jìn)行了教學(xué)案例設(shè)計(jì)。潘承怡[6]基于工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，提出了機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量評價(jià)方法，對學(xué)生能力及課程掌握情況進(jìn)行合理統(tǒng)計(jì)。關(guān)躍齊[7]將OBE理念引入到機(jī)械類學(xué)生培養(yǎng)體系中，通過課程環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與布局有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性。陳宇[8]考慮了運(yùn)動(dòng)副間隙微觀幾何特征，以機(jī)械設(shè)計(jì)課程中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，分析了運(yùn)動(dòng)副間隙對機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響關(guān)系，為機(jī)械典型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。Lin[9]以滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)為了，開展了溝槽結(jié)構(gòu)特征對軸承潤滑特性的影響研究，為機(jī)械設(shè)計(jì)課程中軸承設(shè)計(jì)內(nèi)容提供了較好的案例。由上述分析可見，目前針對“多位一體”模式的機(jī)械設(shè)計(jì)課程建設(shè)研究較少。

本文針對上述內(nèi)容，綜合傳統(tǒng)機(jī)械課程教學(xué)方法，以提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力為教學(xué)目標(biāo)，開展“多位一體”模式下機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法研究，以求優(yōu)化課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 “多位一體”模式教學(xué)方法設(shè)計(jì)

將機(jī)械類相關(guān)課程內(nèi)容和先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)引入到機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中，建立“多位一體”模式的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法，其流程圖如圖1所示。在課前準(zhǔn)備過程中，根據(jù)教學(xué)背景、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識點(diǎn)分解，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制定學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，并結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合適的教學(xué)方法設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、工程實(shí)例仿真分析設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)等方式引入到理論知識講解中，使學(xué)生在知識點(diǎn)學(xué)習(xí)的過程中增加綜合能力素質(zhì)的培養(yǎng)，完善工程認(rèn)證人才培養(yǎng)體系目標(biāo)。課后組織學(xué)生開展拓展訓(xùn)練，其模式可包含理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)踐訓(xùn)練等，該過程在鞏固學(xué)生對課程知識點(diǎn)的掌握，并能挖掘?qū)W生潛力。同時(shí)，圍繞機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)大綱，提出“N+1”課程考核體系，全面掌握學(xué)生各方面學(xué)習(xí)程度，為課程教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供基礎(chǔ)。

圖1 “多位一體”教學(xué)方法

2 教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

本文以機(jī)械設(shè)計(jì)課程中機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法內(nèi)容為例，具體說明“多位一體”模式下機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)過程。

2.1 理論知識講解

機(jī)械零件作為機(jī)器重要的組成部分，其設(shè)計(jì)合理性與結(jié)構(gòu)特征對機(jī)器性能會(huì)產(chǎn)生決定性影響。如何將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件性能最優(yōu)化是機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法中需要考慮的重要問題。

對于機(jī)械零件來說，首先需要考慮的是失效問題，常見的失效形式包括：整體斷裂、過大的殘余變形、零件表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效。為了保證設(shè)計(jì)的機(jī)械零件具有安全性和可靠性，在機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程中制定了相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其中最為重要的就是強(qiáng)度準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

其中，應(yīng)力表達(dá)式可寫成：

為了保證所設(shè)計(jì)的零件具有一定的可靠性和安全性，零件所受應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于材料許用應(yīng)力值，可以引入安全系數(shù)計(jì)算值的概念對其安全性進(jìn)行評估，故其關(guān)系式可寫為：

根據(jù)工業(yè)技術(shù)的提升和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的要求，輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一部分[10]。根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求，在機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)需要提出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，其表達(dá)式為：

2.2 工程案例設(shè)計(jì)與分析

為了加深學(xué)生對機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法的認(rèn)知，本文選擇四旋翼無人機(jī)機(jī)身為研究對象，對其輕量化設(shè)計(jì)流程及其力學(xué)特征進(jìn)行分析。四旋翼無人機(jī)初始設(shè)計(jì)模型如圖2（a）所示，4個(gè)機(jī)翼支承座產(chǎn)生向上拉力，而承載物體會(huì)對機(jī)身產(chǎn)生向下拉力，故四旋翼無人機(jī)受載模型如圖2（b）所示。

圖2 四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)模型和承載情況

針對上述仿真計(jì)算邊界條件，對四旋翼無人機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，獲得機(jī)身米塞斯等效應(yīng)力分布特征、位移分布特征及安全系數(shù)等特征計(jì)算結(jié)果。其中，四旋翼無人機(jī)最大變形出現(xiàn)在機(jī)翼支架處，最大值為0.2313mm，最小安全系數(shù)為14.7出現(xiàn)在機(jī)身行架連接處，最大米塞斯等效應(yīng)力為3.064MPa，出現(xiàn)在機(jī)身行架焊接處，這是由于負(fù)載質(zhì)量點(diǎn)在中心位置所引起，該點(diǎn)位置距離負(fù)載質(zhì)量點(diǎn)較近。模型質(zhì)量為66.16g，原結(jié)構(gòu)性能有較大冗余，可進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，以減輕機(jī)身重量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于拓r優(yōu)化法對及機(jī)身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在機(jī)身模型輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，以最大化剛度為前提，要求四旋翼無人機(jī)最大變形位移小于0.8mm，且最小安全系數(shù)大于2.5。基于PolyNURBS擬合法對模型微觀幾何特征進(jìn)行優(yōu)化建模，完成四旋翼無人機(jī)輕量化設(shè)計(jì)模型，如圖3（a）所示。

圖3 輕量化模型

在此基礎(chǔ)上，對四旋翼無人機(jī)輕量化模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，仿真參數(shù)設(shè)置與前文保持一致，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，四旋翼無人機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)模型最大位移為0.7991mm，出現(xiàn)在螺旋槳支承座上，最大米塞斯等效應(yīng)力為15.21MPa，出現(xiàn)在機(jī)身桁架連接處，最小安全系數(shù)為3.0，出現(xiàn)在機(jī)身桁架連接處，質(zhì)量為29.776g，輕量化模型完全滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)減重54.99%，設(shè)計(jì)方案可行。

圖4 輕量化模型仿真分析結(jié)果

利用3D打印機(jī)完成初始模型和輕量化模型的打印制作，讓學(xué)生熟悉打印過程和模型參數(shù)設(shè)置，初始模型和輕量化模型打印件如圖5所示。

圖5 模型3D打印制作

基于本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生較好地掌握了機(jī)械零件的常規(guī)設(shè)計(jì)方法及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并能將其運(yùn)用到實(shí)際工程模型設(shè)計(jì)中，結(jié)合最新的3D打印成形技術(shù)，提升了工程實(shí)踐綜合能力。

3 結(jié)論

本文以機(jī)械設(shè)計(jì)課程為例，提出了“多位一體”模式的課程教學(xué)方法，增加了課程教學(xué)的多樣化模式，并以機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法為例說明了該方法的具體設(shè)計(jì)流程。研究結(jié)果表明，“多位一體”模式的教學(xué)方法可以增加學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)踐過程學(xué)習(xí)中挖掘?qū)W生潛力，培養(yǎng)學(xué)生“看，做，想”的綜合能力素質(zhì)，并改善傳統(tǒng)教學(xué)方法中的不足。