王利英,上官林建,紀(jì)占玲,韓林山

(華北水利水電學(xué)院,河南鄭州 450011)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在工程機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

王利英,上官林建,紀(jì)占玲,韓林山

(華北水利水電學(xué)院,河南鄭州 450011)

根據(jù)社會(huì)對(duì)工程機(jī)械專業(yè)人才的實(shí)際需求,建立“工程機(jī)械”專業(yè)方向的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。該體系以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法為核心,改革工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容,強(qiáng)化現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的教學(xué)和實(shí)踐,并在輔助課堂教學(xué)上應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。

工程機(jī)械;創(chuàng)新人才;現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法;培養(yǎng)模式

華北水利水電學(xué)院是 20世紀(jì) 50年代末期在我國(guó)最早設(shè)置工程機(jī)械專業(yè)的 3所高校之一,在多次專業(yè)變遷過(guò)程中,學(xué)校始終保留工程機(jī)械專業(yè)方向,具有鮮明的專業(yè)特色。目前我國(guó)的工程機(jī)械已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)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(jī)械產(chǎn)品大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大,由幾千個(gè)甚至幾十萬(wàn)個(gè)零部件組成,有的重量高達(dá)上千噸,若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和手段,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)成本高,無(wú)法滿足市場(chǎng)需求,而先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法以其準(zhǔn)確、快捷和高質(zhì)量的特點(diǎn)被越來(lái)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(shí)代對(duì)高等學(xué)校工程機(jī)械專業(yè)提出的迫切要求,需要從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案和教學(xué)組織管理等方面對(duì)工程機(jī)械專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式進(jìn)行研究與實(shí)踐,加強(qiáng)計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化技術(shù)、有限元分析技術(shù)、動(dòng)態(tài)仿真模擬等技術(shù)理論和實(shí)踐能力培養(yǎng),滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型工程機(jī)械專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。為此,必須對(duì)“工程機(jī)械”專業(yè)方向的課程體系進(jìn)行整體優(yōu)化,建立以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法為核心的課程群。

一、改革工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容,強(qiáng)化空間構(gòu)思和三維設(shè)計(jì)能力

在完成工程圖學(xué)教學(xué)目標(biāo),讓學(xué)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(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手繪圖能力的培養(yǎng),另一方面培養(yǎng)學(xué)生空間構(gòu)思能力和創(chuàng)新能力。將畫法幾何、工程圖學(xué)、AutoCAD、SolidWorks等內(nèi)容融為一體,增加計(jì)算機(jī)三維幾何造型理論及表示方法,強(qiáng)化三維思維方式,通過(guò)先進(jìn)行三維造型,再生成二維工程圖紙來(lái)強(qiáng)化現(xiàn)代設(shè)計(jì)與表達(dá)意識(shí)。在后續(xù)的教學(xué)中以設(shè)計(jì)為主線,按設(shè)計(jì)表達(dá)所需的理論、規(guī)律及方法集成組織教學(xué),使學(xué)生掌握現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)概念。

二、增設(shè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的課程

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,融匯新的科學(xué)理論和科技成果而形成的一個(gè)知識(shí)群體,經(jīng)過(guò) 30多年的發(fā)展到現(xiàn)在已有幾十種設(shè)計(jì)方法,而教學(xué)大綱計(jì)劃的授課學(xué)時(shí)是有限的,為此,需要精心策劃和組織教學(xué)內(nèi)容,精心選擇教材和教學(xué)內(nèi)容,最終確定以學(xué)科基礎(chǔ)課《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》為基礎(chǔ),以《有限單元法》、《優(yōu)化設(shè)計(jì)》、《可靠性設(shè)計(jì) 》、《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 》、《虛擬設(shè)計(jì) 》、《SolidWorks三維實(shí)體設(shè)計(jì)》、《Ansys工程數(shù)值模擬技術(shù)》、《機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真模擬技術(shù)》、《人機(jī)工程學(xué)》、《并行工程設(shè)計(jì)》為專業(yè)任選課的核心課程群。充分利用三維設(shè)計(jì)軟件的集成性,開(kāi)設(shè) CAD/CAM/PDM課程,使學(xué)生了解和掌握現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)、分析、仿真、制造的全過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)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(xué)當(dāng)中

將已完成的 DF50/160架橋機(jī)、DF900架橋機(jī)、DPG500鋪軌機(jī)、動(dòng)力平板車等科研課題的三維建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)仿真模擬技術(shù)以淺顯易懂的形式貫穿到《起重機(jī)械》課程案例教學(xué)當(dāng)中,將深?yuàn)W的理論融入到具體的工程實(shí)例當(dāng)中,簡(jiǎn)單明了,啟發(fā)學(xué)生舉一反三,提高學(xué)生就業(yè)的實(shí)際技能。

四、利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)與技能,獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力,使學(xué)生受到科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練,達(dá)到專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)[1]。在 2004～2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中,指導(dǎo)教師精選設(shè)計(jì)對(duì)象讓學(xué)生利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間有限,為了讓學(xué)生能圓滿完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù),所給的命題一般都是以前完成的科研項(xiàng)目,如剪板機(jī)、架橋機(jī)、起重機(jī)等。首先將以前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品演示給學(xué)生,讓學(xué)生對(duì)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程有初步的認(rèn)識(shí),了解其設(shè)計(jì)計(jì)算流程;然后更改設(shè)計(jì)參數(shù),確定學(xué)生設(shè)計(jì)的具體對(duì)象。學(xué)生首先進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能分析、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方案的對(duì)比論證,然后應(yīng)用 SolidWorks、Pro/E、UG等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行零部件的建模,建立裝配結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型;再對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),應(yīng)用 Ansys有限元分析軟件對(duì)關(guān)鍵零件和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析、疲勞分析、模態(tài)分析,最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計(jì)算,獲得最優(yōu)解。通過(guò)這樣一個(gè)綜合性的工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練,使學(xué)生對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程有了全面的了解,并領(lǐng)會(huì)到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的先進(jìn)性。

五、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在輔助課堂教學(xué)上的應(yīng)用

借助三維設(shè)計(jì)軟件,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床及其編程仿真系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)上模擬數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)、操作、編程和加工過(guò)程、故障檢測(cè);利用三維建模技術(shù),建立復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的三維模型,動(dòng)畫模擬其拆裝過(guò)程、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程;利用MATLAB、LABV IEW軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器、虛擬仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)難以用語(yǔ)言描述的結(jié)構(gòu)變化、形成過(guò)程等以動(dòng)畫形式直觀體現(xiàn)出來(lái),以提高教學(xué)的起點(diǎn)和授課信息量,提高教學(xué)的質(zhì)量[2]。

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

我校工程機(jī)械專業(yè)獨(dú)具特色的“工程機(jī)械駕駛實(shí)習(xí)”和“工程機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)”因招生規(guī)模的擴(kuò)大學(xué)校投入的減少等多方面原因也面臨困境。利用三維設(shè)計(jì)軟件建立裝載機(jī)、挖掘機(jī)等工程機(jī)械模型,在電腦上完成這些機(jī)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(xué)生無(wú)法動(dòng)手的現(xiàn)狀,還能減少拆裝困難,減少學(xué)生磕碰工傷事故的發(fā)生,達(dá)到生動(dòng)、形象地了解其結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)手操作的教學(xué)目的。

經(jīng)過(guò)近 5年的實(shí)踐,并通過(guò)對(duì)到鄭州大方橋梁機(jī)械有限公司、國(guó)電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所的畢業(yè)生跟蹤調(diào)查表明,加強(qiáng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在工程機(jī)械專業(yè)上的教學(xué)和實(shí)踐比重,使學(xué)生能夠更好地滿足社會(huì)需求,更能突出我校工程機(jī)械專業(yè)學(xué)生“用得上”的辦學(xué)特色。

[1]白曉虎,張祖立,辛明金.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2008,(9).

[2]黃長(zhǎng)浩.淺探機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)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(zé)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(xué)院教改項(xiàng)目 (20090023)。

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