基于现代设计方法机械设计基础课程教学探析

1、基于现代设计方法机械设计基础课程教学探析摘要：随着现代计算机辅助设计技术的迅速发展， 传统的手工理论机械设计计算方法在工程设计中的运用受 到较大影响。如何在机械设计基础课程教学中引入现代设计 方法，以及如何改革相应的教学内容和教学方法是迫切需要 研究和解决的问题。本文针对机械设计基础课程教学中运用 现代设计方法进行一些探索和分析。关键词：机械设计现代设计方法课程教学机械原理和机械设计等课程是工科院校机械类专业必 修的重要专业技术基础课程，在培养学员机械综合设计能力 和创新能力所需的知识结构中占有十分重要的地位，具有很 强的基础性、工程性和应用性。但是，笔者在长期的课程教 学实践中发现，针对如此

2、重要的专业技术基础课程，学员的 学习兴趣在逐渐减退，教学效果不尽如人意。虽然这一现象 的发生可能有多种因素，但是，其中一个重要因素无疑还是 教学内容陈旧，尤其是其传统的机械理论设计计算方法的教 学与实际工程实践要求相脱节，不能适应时代发展的要求。 这使得学员在学习中感受不到专业基础课程学习的有用性， 感受不到该课程对其提高设计能力有多大帮助。如何使机械 设计基础课程教学适应时代发展要求，笔者认为，现代计算机辅助设计技术的迅速发展和普及给课程教学改革开辟了新路。通过教学实践，将现代设计方法引入机械设计基础课 程，教学作用明显，对提升学员的综合设计能力、培养他们 学习机械设计课程的兴趣和积极性均起

3、到较好效果。学员在课后学习感想中写道:“机设课让我有机会体验计算机设计的魅力，使我对设计产生了兴趣，激发了我的学习热情，以 及通过实践带动课本理论的应用得以体现。”1传统设计方法在课程教学中存在的问题(1) 传统设计方法与现实应用脱节。目前大部分机械 设计基础类教材中呈现的机械设计方法是一套经过长期理 论研究以及经验积累形成的手工设计计算方法，该方法在特 定的历史时期对机械类人才的培养起到积极的作用。但随着 计算机辅助设计技术的快速发展和普及，过去要花费较长时 间复杂的设计计算或绘制已被计算机轻松替代，传统的手工 理论设计计算方式逐渐被现代设计方法替代。在此情况下， 再花费宝贵的课堂时间让学员

4、学习掌握过时的设计技术已 与时代发展要求不相符。(2) 课时安排不能适应教学需要。在课堂教学中，设 计方法的介绍本应需要相当比重的学时，但随着课时的不断 压缩(目前机械原理和机械设计两门课加起来的学时还不到 100学时，少的甚至不到60学时)，用于讲授设计方法的时 间比过去大幅减少。在如此少的时间里，教员通常只能泛泛 地讲解一下设计思路和过程，对传统的理论设计计算方法无 法进行更深更透地讲解，学员对这部分内容的学习大都是因 囹吞枣。因此，在实际操作中面对繁杂的理论设计计算过程, 学员多数都呈现畏难情绪，对机械设计课程的学习兴趣也随 着课程的不断深入而逐渐下降。(3) 传统的手工理论设计方法数据

5、计算分析耗时，设 计效率低下。例如在机械课程设计中，学员要花费大量时间 在繁琐的计算和修改上。而在对设计方案创新的思考，以及 对设计结果的优化和分析方面，却由于课程学时的限制不能 充分实施和展开，这违背了课程为使学员综合设计能力提高 的本意。2机械设计基础课程引入现代设计方法的必要性(1) 作为新一代工科学员，学习和掌握现代设计技术 和方法尤为重要，这符合时代对创新型人才的要求。而且由 于计算机辅助设计技术的快速发展，以及各类仿真设计软件 的普及和易用，使得现代设计方法在机械设计基础课程中的 应用能得以实现。(2) 运用计算机辅助设计技术可以将机械设计信息和 内容生动直观地作用于学员，拓展学员

6、的思维和视觉的空 间，使他们可以多方位、多角度地观察研究对象；同时，利 用计算机快速的解决问题，调动学员的情绪，提高其注意力 和兴趣，并能突出重点，有助于培养学员的综合认识和理解 能力，达到较好的教学效果。(3) 对于机械设计人员而言，掌握现代设计方法是一 项基础性的能力。这一能力是学员后续专业学习和发展的基 础，特别是对学员在机械课程设计以及毕业设计中提高创新 设计能力起到很好的帮助和推动作用，同样可以为学员今后 的自我学习和研究打开视野、注入动力。3基于现代设计方法的机械设计基础课程教学实践(1) 连杆机构的运动仿真设计。运用三维工程设计软 件，快速建立四个不同长度的杆件，并装配成四连杆机

7、构， 根据曲柄存在的条件，以不同杆件做机架，演示机构的运动 情况，可以迅速直观地让学员理解和认识连杆机构的特征。然后再利用软件的motion组件，对曲柄摇杆机构进行运动 仿真，通过调取仿真计算后的各种数据，显示和分析被模拟 连杆机构的运动和动力特性线图。见图lo此外将连杆制成 多孔的板状，运用运动仿真，显示连杆曲线的生成及其特征, 见图2o实践证明，与传统的理论教学对比，经由上述的教 学演示，再通过学员亲手操作，学员对连杆机构特性的理解 和掌握，以及对连杆机构的设计和分析能力均有较大提高。(2) 凸轮机构的建模及运动与动力仿真设计。如设计偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构。给出凸轮转动方向、基 圆

8、半径，以及从动件运动规律等初始设计条件。由从动件运 动规律写出从动件位移运动方程，进而写出凸轮廓线方程。 然后在工程设计软件中，运用“方程式驱动的曲线”绘制出 凸轮轮廓曲线，并通过拉伸制作成凸轮模型，见图3o接着 将其装配成凸轮机构仿真模型，利用软件的motion组件， 对凸轮机构进行运动和动力仿真，图4为显示某凸轮机构的 从动件位移线图和速度线图，以及凸轮接触力的方向(该方 向与从动件轴线之间的夹角为凸轮机构在该处的压力角)。(3) 齿轮建模与强度分析及参数优化设计。为获得标 准的渐开线齿轮齿廓，事先编制好齿轮廓线vba程序 zgear. swp文件，利用设计软件提供的应用程序接口 (api

9、), 在设计软件中调用宏-编辑，绘制齿廓曲线，经特征建模制 作成需要的齿轮模型，见图5。然后再利用软件的simulation 组件，对齿轮轮齿进行弯曲疲劳强度和接触疲劳强度计算分 析，见图6,通过分析仿真计算后的各种数据，再对齿轮进 行参数优化设计。(4)轴系结构建模与刚、强度设计与分析。由轴受载转矩计算出轴的最小轴径，按轴的工作 要求在设计软件中由最小轴径向中间逐渐增大构建轴的各 段直径和长度，形成阶梯轴的模型，再在软件的simulation 组件中，设置轴的材料，按轴的支承情况设置轴的"夹具”， 针对轴上零件承载对轴的影响，按远程载荷和转矩的方式对 轴进行加载设置，进行网格划分并

10、运行分析计算，即可通过 仿真运算后的结果，对轴的刚、强度进行分析评估。通过应 力图解查看轴的最大应力所在位置，通过位移图解查看轴的 变形情况以及最大变形量及其位置，见图7；通过疲劳检查 图解查看轴在特定条件下的最低疲劳安全系数，见图8。此外，螺栓（组）连接的强度分析、键及花键连接的强 度分析、滚动轴承的动态寿命仿真设计等均可借助于工程设 计软件讲授该类零部件采用现代设计的方法和思路。4实践中出现的问题及对策基于现代设计方法的机械设计基础课程的教学改革，给 传统的机械专业基础课程教学带来新的生机，也深受学员欢 迎，对促进学员认识和学习机械设计，掌握现代设计方法产 生较大影响，其好的教学效果和产生

11、的积极作用毋容置疑。 但是在实践中，一些新的问题也随之出现。其一，此项改革 的课程学习对学员计算机应用能力有一定要求，而学员此前 在该方面的学习基础薄弱，使得学员在有限的课堂学习中疲 于应付认识工程设计软件，对运用现代设计技术提高设计能 力的训练却不足。其二，学员通过学习和实践感受到了运用 现代设计方法高效解决工程设计问题的惊喜，但多数学员由 于其他辅助知识的脱节，对采用方法的原理和其具体的计算 过程还是弄不清，只是知其然，而不知其所以然。其三，新 的教学模式对教员也提出了较高要求，包括必须能熟练运用 工程设计软件，在课程讲授过程中要能随时通过软件辅助教 学，帮助学员快速掌握和理解机械设计现代

12、设计方法的应用 等。而现阶段部分教员离这一要求还存在一定差距。其四，由于学时限制，学员在上机练习现代设计方法中为了完成作 业，往往很容易出现抄袭复制，这给教员正确判断学员学习 效果带来难度。针对上述改革实践中出现的问题，笔者建议解决的方法是:、建立与课程改革配套的课程体系，加强学员计算机应用能力的培养，使学员在课程开始前已具备相关的基本技 能，从而提高学员学习运用现代设计技术解决问题的效率。二、适当开设相关选修课或增加课外辅导时间，让学有余力 的学员能更进一步地了解现代设计技术及其方法，帮助学员 建立自我研究和自我学习的能力。三、任课教员应积极参与 工程设计实践，提髙运用现代设计方法解决问题的

13、能力，并 学会善于将工程实例结合教学内容引入课堂，加强现代设计 技术与机械设计课程内容结合的研究，并将研究成果应用于 教学改革中。四、从学员的学习体会反映出，学员们对运用 现代设计技术上机实践的自我要求是相当高的，无需教员盯 促。因此可以减少学员上机成绩的比例，让学员安心上机练 习，上机作业课中完不成可课后完成，此外教员应掌握和提 髙判改学员电子作业的技巧和能力。5结束语 在当今信息时代，对已成定论的传统机械设计知识的学习并不像以前那么重要，重要地是教员们在教学中如何不断 地启发学员掌握先进的知识和技术，提升学员分析和解决问 题的能力。通过实践，机械设计基础课程引入现代设计技术 和方法取得了较好效果，学员通过学习和实践感受到了运用 现代设计方法高效解决工程设计问题的惊喜。这对于提升他 们学习机械设计基础课程的兴趣以及尽快理解并掌握现代 设计方法起到了积极作用。随着该项课程改革实践探索的不 断深入，必将会对传统机械设计基础课程的教学和发展带来 深刻影响。参考文献：1 杨可