三維CAD技術(shù)在化工設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

鄭曉冬

（濱州學(xué)院化學(xué)與化工系，山東濱州256600）

化工設(shè)備設(shè)計(jì)，是一門綜合性的機(jī)械類課程，是培養(yǎng)化工專業(yè)設(shè)計(jì)人才的必修課程之一，對(duì)化工專業(yè)的本、專科教學(xué)有著重要影響。其內(nèi)容涉及化工機(jī)械、過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的全部基礎(chǔ)課程，和部分專業(yè)課程。但目前我國(guó)的化工設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)，主要強(qiáng)調(diào)機(jī)械基礎(chǔ)的基本理論和設(shè)計(jì)計(jì)算，而對(duì)完整的應(yīng)用型、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)略顯不足。

在傳統(tǒng)的化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中,由于學(xué)生處于被動(dòng)的知識(shí)接受狀態(tài)，較少參與到設(shè)備設(shè)計(jì)工作中，從而導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

主要原因，一方面是傳統(tǒng)教學(xué)所采用實(shí)例較少[1]，或者學(xué)生對(duì)于一些實(shí)際化工生產(chǎn)中的設(shè)備所知甚少，導(dǎo)致學(xué)生們對(duì)接觸到的很多公式和計(jì)算方法感到枯燥無(wú)味，所學(xué)知識(shí)得不到靈活運(yùn)用，以致學(xué)習(xí)的積極性不高。

另一方面，化工設(shè)備的設(shè)計(jì)需要一定的空間想象力，而大多數(shù)學(xué)生面對(duì)的大都是二維的平面圖、剖面圖及局部視圖，由于從二維抽象到三維形象的思維過(guò)程比較困難，即使花大量的時(shí)間和精力都難以掌握,因此他們往往缺乏對(duì)設(shè)備整體的或局部的形象認(rèn)識(shí)。

而傳統(tǒng)教學(xué)恰恰大都是面對(duì)模型、教具、或二維圖片進(jìn)行講解，致使學(xué)生難以形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí),對(duì)于書上表述的規(guī)律、定理不能和實(shí)際形體聯(lián)系起來(lái)。因此，結(jié)合三維CAD技術(shù)的實(shí)例教學(xué)方法，已成為化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程教學(xué)的必然趨勢(shì)。

化工設(shè)備的特點(diǎn)，一是大型化，二是種類多。大型化的化工設(shè)備主要是化工單元操作設(shè)備，如塔器、反應(yīng)器、換熱器與儲(chǔ)槽等；種類多主要指設(shè)備種類多，以及設(shè)備上的零部件種類多、規(guī)格多。

化工設(shè)備雖然種類繁多，但組成各類設(shè)備的常用零部件種類還是較有限的，而每種零部件的基本形狀變化也不大，因此，建立用于化工設(shè)備設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)是完全可行的，主要應(yīng)用過(guò)程包括以下方面。

1 基準(zhǔn)零件模型庫(kù)的創(chuàng)建

由于化工設(shè)備自身的功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，絕大多數(shù)零部件都已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并在各種化工設(shè)備上通用。因此，零件模型庫(kù)的建立，首先要對(duì)零件進(jìn)行合理分類，以便在教學(xué)中能夠快速有效地檢索。

化工設(shè)備的零部件一類是通用零部件，如螺栓、螺釘?shù)?；另一類是多種典型化工設(shè)備常用零部件，如筒體、接管、封頭、支座、法蘭、人手孔等。

將一些常用的零件模型參數(shù)化，并將其存在圖庫(kù)中，繪圖時(shí)根據(jù)需要從圖庫(kù)中按菜單調(diào)用有關(guān)模型，并將之拼裝成有關(guān)的零件圖形，由于模型已經(jīng)參數(shù)化，可以方便地修改尺寸，這種利用參數(shù)化模型拼裝成設(shè)備的方法，可以極大地提高效率。

目前大多數(shù)CAD軟件都支持參數(shù)化功能，如Auto CAD、SolidWorks、Pro/E、UniGraphics（UG）等[2]。

這樣在教學(xué)中就可以利用創(chuàng)建好的零件庫(kù)，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸的需要來(lái)調(diào)用零部件模型，并可以在組合前，將這些零部件模型展現(xiàn)給同學(xué)們觀看，以提高感性認(rèn)識(shí)和對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的了解。

2 化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整體裝配

零件模型庫(kù)建立完畢后，接下來(lái)就是根據(jù)所調(diào)用的零件進(jìn)行設(shè)備的整體組裝。利用三維CAD技術(shù)中的裝配設(shè)計(jì)功能,可以準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)和曲面復(fù)雜的部件的設(shè)計(jì)，借助于智能捕捉三維約束工具,使得零件裝配如同搭積木一樣簡(jiǎn)單方便。

整個(gè)組裝的過(guò)程直觀、方便，經(jīng)過(guò)三維裝配的化工設(shè)備可以任意旋轉(zhuǎn)，能進(jìn)行干涉檢查和間隙檢測(cè)[3]。通過(guò)向同學(xué)們展示，可以加深他們對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)特征、裝配特征的理解，還可以通過(guò)爆炸過(guò)程、剖視過(guò)程、運(yùn)動(dòng)仿真等功能，提高對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作中運(yùn)動(dòng)過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)。利用三維CAD軟件中的運(yùn)動(dòng)分析模塊，如Pro/E[4]，還可以進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析結(jié)果可以進(jìn)一步修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者調(diào)整零件的材料。這樣可以讓學(xué)生更加實(shí)際了解所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，很多問(wèn)題在組裝的過(guò)程中就可以發(fā)現(xiàn)、講解以及解決。

3 三維模型生成二維視圖的逆向?qū)W習(xí)

傳統(tǒng)的三維建模，是根據(jù)模型的二維視圖由平面生成，而我們采用模型數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用零部件組裝成設(shè)備的方法，在教學(xué)中回避了這一模式，但是我們可以由組裝成的設(shè)備三維模型生成二維視圖，二維平面圖及剖視圖，可以在三維模型的任何面上選取[5]，這一逆向?qū)W習(xí)過(guò)程，可以加深學(xué)生對(duì)二維視圖的理解和學(xué)習(xí)，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生由二維視圖重新制作三維模型以加強(qiáng)記憶。

通過(guò)這種逆向教學(xué)法，學(xué)生可以真正參與到設(shè)備的設(shè)計(jì)工作中，而不需要經(jīng)歷太多的抽象、枯燥的理解過(guò)程，教師與學(xué)生的教學(xué)互動(dòng)也變得相對(duì)活潑、形式多樣，這也應(yīng)該是未來(lái)設(shè)備設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式發(fā)展趨勢(shì)。

4 對(duì)教學(xué)人員的新要求

利用三維CAD技術(shù)進(jìn)行化工設(shè)備設(shè)計(jì)的教學(xué)工作，同時(shí)對(duì)教學(xué)者也提出了一定的要求，如三維實(shí)體建?；A(chǔ)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的編程水平、較強(qiáng)的設(shè)計(jì)理念，甚至還動(dòng)畫制作等等方面，教學(xué)者的計(jì)算機(jī)水平與教學(xué)效果息息相關(guān)，這與傳統(tǒng)的課堂板書教學(xué)要求大相徑庭。在當(dāng)今的教學(xué)環(huán)境中，應(yīng)充分利用計(jì)算機(jī)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，將原本枯燥、乏味的板書教學(xué)變得生動(dòng)、活潑，課程中灌輸“實(shí)用性、創(chuàng)新性”的設(shè)計(jì)理念，使學(xué)生真正參與到設(shè)計(jì)工作中，從而達(dá)到“寓教于樂”、“授人以漁”的教學(xué)目的。

除了課堂教學(xué)和課外作業(yè)外，適當(dāng)安排一定課時(shí)數(shù)的上機(jī)操作實(shí)踐，對(duì)提高學(xué)生應(yīng)用能力也非常重要。通過(guò)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不但使教師與學(xué)生面對(duì)面接觸，保持良好的互動(dòng)關(guān)系，也能使教師充分了解學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)水平上的不足，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方法，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，提高課程的教學(xué)品質(zhì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

三維CAD技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，能顯著地提高課程的教學(xué)效率和教學(xué)品質(zhì)。除了化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程外，其他課程如化工原理課程設(shè)計(jì)、化工機(jī)械基礎(chǔ)、化工設(shè)計(jì)等相關(guān)課程，與CAD技術(shù)相結(jié)合，也能取得不錯(cuò)的教學(xué)效果，提高學(xué)生的參與熱情。通過(guò)應(yīng)用三維CAD技術(shù)，有效地化解了設(shè)計(jì)課程中的教學(xué)難點(diǎn)，達(dá)到寓教于樂的目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了他們的參與熱情。另一方面也強(qiáng)化了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)意識(shí)，提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，提高了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，以適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展需要，增強(qiáng)了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]曾 石.化工設(shè)備設(shè)計(jì)課程中實(shí)例教學(xué)的應(yīng)用[J].廣州化工，2010，38(12):282-283.

[2]陳建國(guó)，張 玲.CAD三維建模技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)電技術(shù)，2010，(4):141-145.

[3]林慧珠.CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，2005，26(5):69-71.

[4]高士敏.Pro/E在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].安徽科技，2009，(3):41-42.

[5]劉李梅，解 青.三維CAD軟件淺析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2011，(2):205-206.