机械现代设计方法.docx

“现代设计方法”课程教学探索与实践 摘要“现代设计方法”是一门工程代写论文实用性较强的新兴边缘学科目的在于使其成为学生未来从事工业产品设计的有力工具提高产品的设计水平和质量推动人类设计事业的进步。结合多年来在“现代设计方法”课程教学中的探索与实践从教学内容的确定、教材的选用、软件平台的使用方面进行了详细的阐述并对实验教学、教学理念、考核方式几个方面的改进进行了介绍。 关键词现代设计方法优化设计 有限元 教学 Matlab “现代设计方法”是一门工程实用性较强的新兴边缘学科根本目的在于使它成为学生未来从事工业产品设计的有力工具以提高产品的设计水平和质量推动人类设计事业的进步。多年来我们在“现代设计方法”教学中不断探索、实践。 一、确定教学内容现代设计方法是一门种类繁多、知识面广的学科群它由多种设计方法组成包括计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、模块化设计、动态设计、疲劳强度设计、并行设计、绿色设计、虚拟设计、反求工程、人机工程等。由于课时有限在“现代设计方法”这门课中主要介绍理论上比较成熟并已经获得广泛应用的现代设计计算方法包括计算机辅助设计、优化设计、有限元法和可靠性设计学生通过本课程的学习能够运用这四种方法解决工程实际中的一些基本问题。对于其他现代设计理念和方法作为前沿知识介绍给学生扩大学生的知识面。从教学内容上既突出现代设计方法的重点又覆盖现代设计方法的全貌。 二、选用教材 要完成以上教学内容目前没有一本教材可以完全胜任必须以一本为主再辅以其他教材作为参考。由于“现代设计方法”涉及高数、物理、线性代数、概率与数理统计、力学等多门学科内容为了便于基础差的学生课前预习、课后自学选用了西安理工大学应锦春教授主编的全国高等教育自学考试指定的现代设计方法教材作为主教材这本教材中主要介绍了计算机辅助设计、优化设计、有限元法和可靠性设计这四种现代设计方法。由于是自学考试教材学生学起来有一种通俗易懂的感觉而且实例丰富利于学以致用。对于其他现代设计理念和方法参考了卢小平、吴威主编的现代制造技术黄雨、董遇泰主编的现代机械设计理论与方法等教材并通过网络查找更多有关现代设计方法的相关内容。在实验教学上参考肖伟、刘忠主编的Matlab程序设计与应用、宋兆基主编的Matlab 6.5在科学计算中的应用德P.I.Kattan著韩来彬译的Matlab有限元分析及应用自编了实验指导书。 三、选用优秀的软件平台Matlab软件辅助教学 1Matlab软件的特点 Matlab Matrix Laboratoy是由美国Mathworks公司1994年推出的优秀科技应用软件它具有强大的科技计算、图形处理、可视化、开放式和可扩展环境特别是所附带的几十种面向不同领域的工具箱支持已经广泛应用于数值分析、信号与图像处理、控制系统设计、通信仿真、工程优化、数学建模和统计分析等领域成为目前市场上强有力的工程问题分析计算和程序设计的桌面工程师系统是工科大学生和研究生必须掌握的基本工具。 2Matlab软件在“现代设计方法”课程中的应用 在“现代设计方法”课程中使用Matlab解决复杂的数学计算可以简化公式的推导和概念的叙述使学生既掌握了一门计算机编程语言又使学生进一步加深对所学内容的理解同时Matlab能方便的将计算结果用图形、图像等来表达使得教学更加生动、形象提高学生的学习兴趣。 在第一章“工程数据的计算机处理”一节中利用Matlab软件的interp1interp2interp3和interpn很容易地实现各种维数的函数插值同时利用Matlab的图形处理函数如plotmeshgridmesh等将插值效果直观地表达出来。而对于曲线拟合利用Matlab函数既可以容易地求出拟合曲线又可以将拟合曲线与原函数在同一坐标系中显示出来直观地表达拟合曲线与原函数的符合程度 在第二章“优化设计”中涉及到高等数学、线性代数、矩阵论等数学问题对于工科学生而言本门课程不需要他们对优化的算法进行深入的研究只要求他们了解和掌握基本概念每一种算法的特点和应用场合并将这些算法应用到解决实际问题中。当优化的目标函数和约束条件比较复杂时计算的工作量很大。利用Matlab软件提供的最优化计算工具箱能很快很好地解决几乎所有的最优化设计问题。对于二维优化设计问题还可以用图形将数学模型和结果表示出来生动、形象加深学生对优化设计问题的理解。 第三章“有限元法”在求单元刚度矩阵、集成总体刚度矩阵求解平衡方程中由于涉及到矩阵运算计算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作为矩阵计算器进行有限元分析除了某些手动操作外主要使用Matlab解决冗长的矩阵计算问题强调有限元方法的步骤。同时使用了Matlab有限元分析及应用提供的有限元工具箱中的函数大大简化了有限元问题的求解过程可以将更多的精力放在问题的解决上在课上可以为学生提供更多练习、讨论的时间大大增加了学生的学习兴趣。 第四章可靠性设计中主要是在第四节“可靠性设计方法的简单应用”中利用norminv1-R函数根据可靠度R确定联结系数利用normcdfz函数根据联结系数z确定失效概率F利用normpdfz函数根据联结系数z确定失效率f利用rootsP根据多项式各项系数向量P求解多项式的根。一方面省去了查表另一方面可以大大简化计算。 四、增加实验内容改进实验平台 在以往的“现代设计方法”课程中只在第一章和第二章各安排2学时总学时为40学时的实验主要要求学生利用C语言完成工程数据程序化处理、一维搜索、无约束优化设计方法的程序编制、调试和考核并用已编好的程序实现机械设计中的数据处理和优化设计问题。由于实验学时数偏少学生在调试、运行程序时花掉大量时间导致在规定的时间内无法完成实验任务更不能把理论应用于实践。而对于第三章“有限元法”和第四章“可靠性设计”过去只讲理论没有实验学生无法感受到这些先进的设计方法的巨大“魅力”反而被繁琐的公式推导对这些方法产生一种“望而生畏”的感觉。 因此近年来将Matlab软件引入教学课堂的同时对实验内容和实验平台也进行了改革。总学时不变实验学时由以前的4学时增加到12学时其中第一章4学时第二章4学时第三章2学时第四章2学时。实验内容不再要求学生完成各种程序的编制、调试而把重点放在让学生掌握各种设计方法的使用上培养学生使用现代设计方法解决机械工程问题的能力。实验平台由以前的C语言改为现在的Matlab语言。除了第一个实验是用Visual Basic语言开发AutoCAD和Solidworks软件之外其它5个实验全部是借助Matlab语言用所学的现代设计方法解决难度适中的若干工程实际问题。 五、尊重学生形成互动式的教学理念 尊重学生就是要确立学生在教学活动中的主体地位引导学生积极思维激活学生的学习积极性与主动精神形成师生互动式的教学理念。主要包括以下几个方面 1善于提出问题揭示矛盾激发学生强烈的求知欲望加强学生的联想能力、发散思维能力特别是培养学生发现问题的能力。 2在课堂讲授中淡化繁琐的数学推导与数字运算强化定性分析突出分析思路与分析方法。使学生懂得“问题是什么”“问题的性质是什么”“解决问题的方法是什么”等。 3引导学生自己思考并得出某些结论包括一些重要结论。正如学生所说“老师讲得再多、再好都是有限的而我们自己琢磨出来的知识才是无限的。” 4为学生留出充分的思维空间改变教师“一言堂”展开课堂讨论。 基于上述教学理念在课堂上经常鼓励学生参与鼓励他们积极思维不要被动思维更不要拒绝思维鼓励学生回答问题发表自己的见解“说错了比不说好”。 六、改革考核方式 为了全面评价学生一门课的学习成绩不能只凭一次考试的成绩来决定而应采用多种考查的方式。近年来我们采用平时成绩50期末考查50相结合的形式。其中平时成绩包括上机实验成绩20日常课外作业成绩20出勤表现10期末考查包括上机操作40大型作业 10。上机实验成绩由每次上机时记录的表现情况和完成任务情况综合给定对学生中抄袭作业的现象采取了以小组为单位完成不同作业题目的方法由小组组长给出组员成绩作为参考出勤表现成绩是针对我系部分学生自控能力差旷课现象严重而采取的措施期末上机操作是以闭卷的形式上机完成实验指导书中随机抽取的一个实验项目大型作业是要求学生通过查找资料对目前的各种现代设计方法进行搜集整理了解各种现代设计方法的概念、特点、发展现状等。 以上考核方式可以比较全面的考查学生使学生