李一浩 吳昊 張琦

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以機械設(shè)計基礎(chǔ)課程大綱為出發(fā)點，分析傳統(tǒng)教學(xué)中對學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)存在的問題。為加深學(xué)生對機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及優(yōu)化的理解和拓展應(yīng)用，將衍生式設(shè)計教學(xué)融入傳統(tǒng)課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象，對一些常用的機械機構(gòu)進行衍生式設(shè)計，使其更加富有創(chuàng)意和個性化。通過此類教學(xué)方法，使學(xué)生可以更直觀地掌握和鞏固所學(xué)知識、拓展設(shè)計出創(chuàng)新機構(gòu)，為學(xué)生在將來的產(chǎn)品設(shè)計中可以解決實際工程問題打下堅實基礎(chǔ)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?機械設(shè)計;衍生式設(shè)計;教學(xué)改革;創(chuàng)新意識

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）36-0076-02

一、課程教學(xué)中存在的問題

機械設(shè)計基礎(chǔ)作為一門兼顧理論知識和實踐設(shè)計的綜合性課程，兼具理論性、實踐性和知識綜合性的特點。目前課程教學(xué)中，通常強調(diào)的是理論知識部分的學(xué)習(xí)，對實踐設(shè)計強調(diào)的力度不夠及課程實驗學(xué)時過少，導(dǎo)致學(xué)生在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用方面思考較少，不能夠獨自設(shè)計一些非標件或是考慮已有機構(gòu)的應(yīng)用場景，這是學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱點。因此，本文將“衍生式設(shè)計方法”穿插引入在當下的課堂理論教學(xué)與實驗實踐設(shè)計中，使學(xué)生在學(xué)到書本理論知識外，也能積極地思考機構(gòu)應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計的全局問題，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、采用衍生式設(shè)計以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和解決實際工程問題的能力

衍生式設(shè)計（Generative Design），不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，這是一種在設(shè)計過程中模仿自然進化的設(shè)計方法。衍生式設(shè)計的概念和想法最早由Frazer在20世紀70年代提出，F(xiàn)racalanza等人使用了衍生式設(shè)計方法設(shè)計了機器人手臂并且對其進行了優(yōu)化。它采用深度迭代遺傳算法，將功能強大的分析工具引入前期設(shè)計流程，根據(jù)零部件的承載進行應(yīng)力分析和拓撲優(yōu)化，通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，同時利用已給定的設(shè)計規(guī)則計算出多種設(shè)計變體，設(shè)計者可從中找到功能和性能符合要求的解決方案。

衍生式設(shè)計方法的三大優(yōu)勢：（1）減重，衍生式設(shè)計以最小化質(zhì)量為目標，使用保證高性能標準的材料，可滿足工程和制造的限制;（2）改善性能，可以改善或優(yōu)化產(chǎn)品機構(gòu)的耐用性，消除脆弱點;（3）減少零件數(shù)，衍生式設(shè)計可以把多個零部件合并成一個零件。將這三個特點融入機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的理論知識結(jié)構(gòu)，同時也為大學(xué)生學(xué)習(xí)有限元分析、工程材料及數(shù)控加工等知識提供了一定的幫助。

三、衍生式設(shè)計在課程教學(xué)中的應(yīng)用實例

衍生式設(shè)計方法依托于Fusion 360軟件。Fusion 360是美國Autodesk公司開發(fā)的一款集設(shè)計、制造及使用為一體的云設(shè)計平臺。該軟件廣泛應(yīng)用于工程機械、航天航空、汽車工程等領(lǐng)域。衍生式設(shè)計模塊通過定義設(shè)計目標的結(jié)構(gòu)載荷和應(yīng)力、體積和尺寸要求、安裝方式和位置限制、材料選用、制造方法和安全系數(shù)等參數(shù)，利用基于遺傳算法和云計算能力，同時生成多個滿足產(chǎn)品性能要求的結(jié)構(gòu)模型，并通過提供多種方式對不同的設(shè)計結(jié)果進行對比分析，過濾和選擇滿足需求的結(jié)果。本文以生活中常見的摩托車三角軋頭為例，探討分析衍生式設(shè)計在該課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。圖1是三角軋頭在摩托車前叉的位置，使用衍生式設(shè)計的目的是重新設(shè)計摩托車三角軋頭。在保障性能要求的同時，以達到大幅減輕重量并選擇最佳制造方法的目標。

（一）創(chuàng)建基本單元模型

建立前叉支桿的基本模型，為制作軋頭做定位作用;建立軋頭的必備單元，以確保衍生后的軋頭能與前叉保持準確的配合關(guān)系;同時還要建立空間限制隔板，以保障衍生后的軋頭能在預(yù)定設(shè)計范圍內(nèi)。將建模中的倒角等細節(jié)簡化，使模型達到合理的最簡狀態(tài)。

（二）劃分設(shè)計空間

衍生式設(shè)計需要劃分保留幾何圖元和障礙物幾何圖元，保留幾何圖元是指新設(shè)計的部件中必要的組成元素，障礙物幾何圖元是指現(xiàn)已存在的區(qū)域或需要限制新設(shè)計部件幾何尺寸的區(qū)域。在本案例中，前叉支桿屬于已經(jīng)存在的物體，為障礙物幾何圖元;軋頭必備單元是新設(shè)計的軋頭中所必需的一部分，為保留幾何圖元;兩塊方隔板用來限制新軋頭的生成空間，為障礙物幾何圖元。

（三）添加設(shè)計條件

添加結(jié)構(gòu)約束和結(jié)構(gòu)載荷，計算機會根據(jù)約束和載荷生成相應(yīng)的符合條件的計算結(jié)果。將軋頭必備單元中間部件的內(nèi)壁面分別在x、y、z軸方向上完全固定。所施加的結(jié)構(gòu)載荷分別有系統(tǒng)內(nèi)部所有構(gòu)件的自重及受到沿前叉支桿方向上的壓力。

（四）設(shè)定設(shè)計標準

設(shè)計標準包括設(shè)計目標、制造方法和選定材料。設(shè)計目標分為最小化質(zhì)量和最大化剛度兩種選擇，這里我們要求的是減輕軋頭的質(zhì)量，所以選擇最小化質(zhì)量為目標并取其安全系數(shù)為2。制造方法是衍生后的新軋頭的制造方法，有無限制、增材、銑削、兩軸切削和鑄造共5種加工方式，選用這5種加工方式進行設(shè)計。在制造方法選擇的同時，也可以設(shè)置產(chǎn)量，擬定產(chǎn)量為500件，以便預(yù)估加工成本。選擇材料是為新設(shè)計的軋頭選擇加工材質(zhì)，材料可以在材料庫中選擇，本次選擇鋁6061、鋁7075、不銹鋼316L和鈦6AL-4V等材料，這些材料都是平時常用的材料。

（五）生成及查看結(jié)果

在完成以上步驟后，通過預(yù)檢查確保各種設(shè)置滿足要求，檢查無誤后，可以提交衍生式設(shè)計的計算，計算機在云端處理完畢后，經(jīng)過多次衍生迭代，會自動生成結(jié)果。整個衍生過程處于監(jiān)視狀態(tài)，可以實時查看衍生的情況。計算完畢后，瀏覽生成結(jié)果，（見圖2）。在縮略圖顯示中可以按照處理狀態(tài)、分析、視覺相似性、制造方法、材料、價格、質(zhì)量和體積等多種排列依據(jù)來自由組合瀏覽視圖。

除縮略圖顯示外，還有特性視圖、散布圖視圖和表視圖等顯示方案。特性視圖即是在縮略圖視圖的下方增添衍生的信息方案，顯示出模型和具體參數(shù)（見圖3）。

通過不同的視圖，使用者可以從不同的衍生方案中挑選滿足實際情況的模型，將合適的方案導(dǎo)出，再配合相應(yīng)的加工方法即可生產(chǎn)制造。

在整個設(shè)計過程中，設(shè)計者將部分設(shè)計工作交給了計算機和云端服務(wù)器，依托人工智能的幫助，減輕設(shè)計者的工作量，這就大大降低了本科院校學(xué)生在學(xué)習(xí)使用計算機三維輔助設(shè)計軟件過程中的門檻。對一些剛剛接觸三維設(shè)計軟件的學(xué)生來說，這種全新的設(shè)計模式和方法能讓他們在了解機械零部件設(shè)計本身的同時，保持對機械零部件設(shè)計的探索欲望，能使學(xué)生更好地融入機械設(shè)計課程中。

四、結(jié)語

本文旨在探索在傳統(tǒng)機械設(shè)計課程中引入衍生式設(shè)計技術(shù)，使課程的理論教學(xué)與實踐設(shè)計環(huán)節(jié)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和工程實踐能力，達到在課堂中學(xué)知識、在課后實踐應(yīng)用知識的目的，促進機械學(xué)科教學(xué)模式的發(fā)展。建議在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中引入衍生式設(shè)計技術(shù)，以適應(yīng)時代的要求，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和工程實踐能力，培養(yǎng)出掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的新型機械類人才。

衍生式設(shè)計技術(shù)是當下機械產(chǎn)品設(shè)計的先進技術(shù)，為設(shè)計者提供了多元的設(shè)計方案與創(chuàng)新思路，使設(shè)計不再拘泥于單一種類的數(shù)字建模。衍生式設(shè)計正迅速改變設(shè)計者創(chuàng)造下一代產(chǎn)品的方式，可以利用新的生產(chǎn)方式，為新產(chǎn)品提供性能更好、重量更輕以及滿足客戶獨特性定制的創(chuàng)新設(shè)計方案。

學(xué)校引入衍生式設(shè)計技術(shù)，可與其他課程相互配合，強化學(xué)生對機械設(shè)計的認識。衍生式設(shè)計中，可利用其制圖建模、應(yīng)力分析、加工制造、干涉檢查、動畫渲染等功能，為學(xué)生學(xué)習(xí)機械制圖、工程材料、數(shù)控技術(shù)和機械制造技術(shù)等課程奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，全面提高學(xué)生的工程素質(zhì)。

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編輯 趙瑞峰