機械類專業(yè)學生產(chǎn)品三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實踐

朱 昱王建萍

1.南通大學機械工程學院 江蘇南通 226019 2.南通紡織職業(yè)技術(shù)學院機電系 江蘇南通 226007

機械類專業(yè)學生產(chǎn)品三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實踐

朱 昱1王建萍2

1.南通大學機械工程學院 江蘇南通 226019 2.南通紡織職業(yè)技術(shù)學院機電系 江蘇南通 226007

簡要介紹了產(chǎn)品三維開發(fā)的范疇，論述了機械類專業(yè)學生三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)成及其課程體系的主要內(nèi)容，分析了培養(yǎng)體系在人才培養(yǎng)中取得的效果并探討了實施過程中需注意的問題。

三維開發(fā)；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)；實踐

Abstract: It briefly introduced the scope of three-dimensional product development, brought out the structure and main content of cultivational system of mechanica talents’ three-dimensional product development innovationability, and analysed the effects of the construction, the focuses which should be paid attention to during the construction implementation was also discussed.

Key words: three-dimensional product development; innovationability cultivation; practice

21世紀是創(chuàng)新的世紀，而教育創(chuàng)新的核心在于培養(yǎng)學生的開拓意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并非是一二門課程就能解決的問題，它是一種觀念、一個目標，也是一個過程。教學改革應在更高的層面上考慮人才培養(yǎng)模式，營造更加柔性、充滿活力的氛圍。在課程體系與教學內(nèi)容及整個實踐教學環(huán)節(jié)中，應注重學生的能力培養(yǎng)，從工程實際應用著眼，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設(shè)計能力 。

目前，基于數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)越來越得到廣泛應用，三維設(shè)計技術(shù)和制造方式已迅速全面地占據(jù)了傳統(tǒng)的二維設(shè)計和制造方式領(lǐng)域，成為產(chǎn)品開發(fā)的核心。這些發(fā)展既為我國的制造業(yè)帶來了革命性的變化，也給高校機械類專業(yè)人才培養(yǎng)工作提出了更高的要求。因此，為提高人才的適應性，加強產(chǎn)品三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)已成為機械類專業(yè)學生培養(yǎng)的重要任務。

1 產(chǎn)品三維開發(fā)的范疇

1.1 產(chǎn)品的三維造型

包括三維造型理念的建立及零件造型方法的選擇、裝配約束方案的確定等具體建模手段的運用，充分利用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，完成產(chǎn)品的三維造型。

1.2 基于三維造型的優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程，各項產(chǎn)品的測試皆在設(shè)計流程后期進行，一旦發(fā)生問題，除了必須付出設(shè)計成本，相關(guān)前置作業(yè)也需改動，而且發(fā)現(xiàn)問題越晚，重新設(shè)計所付出的成本就會越高，若影響交貨期或產(chǎn)品形象，損失更是難以估計。為了避免此類情形的發(fā)生，預期評估產(chǎn)品的特質(zhì)便成為設(shè)計人員的重要課題。

1.2.1 行為建模

“行為建?！笔擒浖峁┑囊唤M包含執(zhí)行模型的多種分析并將分析結(jié)果合并到模型中的工具，能夠?qū)崿F(xiàn)按所需解決方案來修改模型的設(shè)計，便捷地進行優(yōu)化設(shè)計。使用“行為建?！惫ぞ呖梢酝瓿上铝泄ぷ鳎?/p>

（1）創(chuàng)建基于模型測量和分析的特征參數(shù)；

（2）創(chuàng)建基于模型測量和分析的幾何圖元；

（3）創(chuàng)建符合特殊要求的測量新類型；

（4）分析變量尺寸和參數(shù)改變時測量參數(shù)的行為；

（5）自動查找滿足所需模型行為的尺寸和參數(shù)值；

（6）分析指定設(shè)計空間內(nèi)測量參數(shù)的行為。

通過行為建模，能夠自動實現(xiàn)滿足約束條件下經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品三維建模。

1.2.2 有限元分析

在三維造型的基礎(chǔ)上，采用有限元法進行材料、約束、載荷的設(shè)置，網(wǎng)格的劃分，求解器的選擇，完成結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場分析等，實現(xiàn)模態(tài)分析、跌落測試、沖壓回彈、軋制成形、沖擊分析、侵徹分析、相變分析等具體工程運用，以模擬結(jié)果作為產(chǎn)品改進和定型的依據(jù)。

1.2.3 運動仿真

基于三維造型，將裝配件創(chuàng)建為運動機構(gòu)并分析其運動過程。它提供的信息涉及創(chuàng)建和使用機構(gòu)模型，測量、觀察與分析機構(gòu)在受力和不受力情況下的運動，進行裝配檢驗，并進行運動學、動力學仿真，將其分析結(jié)果進行工程實際應用的可行性分析，通過快速修改設(shè)計方案，最終獲得滿意的設(shè)計結(jié)果。

1.3 基于三維造型的數(shù)控加工

對于異形曲面的加工，通常無法由手工編制數(shù)控程序，而是借助圖形交互編程技術(shù)，使用數(shù)控語言，從零件圖樣或三維造型獲得零件特征數(shù)據(jù)，由計算機自動地進行數(shù)值計算及后置處理，編寫出零件加工程序單，加工程序通過直接通信的方式送入數(shù)控機床，指揮機床工作。自動編程使得一些計算繁瑣、手工編程困難或無法編出的程序能夠順利地完成。

基于三維造型的數(shù)控加工包括加工方案與加工參數(shù)的選擇、刀具軌跡的生成、數(shù)控加工仿真、后置處理等內(nèi)容。

2 機械類專業(yè)三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建

2.1 三維開發(fā)能力培養(yǎng)體系

機械類專業(yè)學生三維開發(fā)能力的培養(yǎng)，不能僅靠簡單地增加幾門軟件使用操作課程，或僅僅在原來的培養(yǎng)體系中增加各自獨立的數(shù)字化設(shè)計類課程，而是必須在明確三維產(chǎn)品開發(fā)能力培養(yǎng)的內(nèi)涵和目標前提下，從師資、教學內(nèi)容、教學模式和實踐環(huán)節(jié)等多個方面統(tǒng)一部署、系統(tǒng)構(gòu)建并落到實處。

三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系主干部分（如圖1所示）。該體系堅持知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，著力加強學生的基礎(chǔ)知識、基本理論、基本技能的培養(yǎng)，切實增強學生的社會適應能力、市場競爭力和后續(xù)發(fā)展力。該體系建立在“平臺＋模塊”基本框架的基礎(chǔ)上，把拓寬專業(yè)口徑與靈活設(shè)置專業(yè)方向有機地結(jié)合起來，包含了機械工程及自動化專業(yè)內(nèi)設(shè)的設(shè)計、制造、模具、機電等方向。學生可根據(jù)自身興趣愛好及行業(yè)需求，自主選擇相關(guān)課程，完成相應專業(yè)方向的修讀。

圖1 三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系主干部分

2.2 三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程設(shè)置

三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的實現(xiàn)依賴于以代表現(xiàn)有生產(chǎn)實踐中領(lǐng)先應用技術(shù)的相關(guān)軟件為背景的課程體系建設(shè)，部分主干課程見表1。在具體實施過程中，針對同一課程內(nèi)容可開設(shè)不同軟件環(huán)境下的不同課程，如參數(shù)化設(shè)計技術(shù)應用基礎(chǔ)，可開設(shè)Pro/ ENGINEER參數(shù)化設(shè)計基礎(chǔ)、UG參數(shù)化設(shè)計基礎(chǔ)、Solidworks參數(shù)化設(shè)計基礎(chǔ)等課程，學生根據(jù)興趣可自主選擇。

表1 三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系部分主干課程

課程體系中各課程既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：橫向—不同軟件環(huán)境下實施的同一課程要求；縱向—以同一軟件的應用為主線，串起不同要求的相應課程，實施課程群建設(shè)，如以Pro/ENGINEER、UG等軟件為授課環(huán)境，整合工程圖學、工程力學、機械原理、機械設(shè)計、機械制造裝備及設(shè)計、模具設(shè)計、數(shù)控加工技術(shù)等課程內(nèi)容，使學生在掌握相關(guān)知識的理論背景同時循序漸進，逐漸掌握零件三維造型、裝配能力；受力分析、動態(tài)仿真并執(zhí)行機構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計的能力；裝備設(shè)計及數(shù)控加工能力等。

課程體系突出實踐教學環(huán)節(jié)，強調(diào)推進實踐教學內(nèi)容和方法改革，增強實踐教學的系統(tǒng)性、整體性、綜合性。各課程均包含足量的上機環(huán)節(jié)，在各階段相關(guān)的課程設(shè)計、工程訓練、創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，均以若干具體項目為對象，在三維基礎(chǔ)上完成項目。

課程體系改變了課程內(nèi)容陳舊、分割過細和簡單拼湊的狀況，避免了課程內(nèi)容重復和脫節(jié)，實現(xiàn)了錘煉課程、優(yōu)化體系的目的，為機械類學生三維開發(fā)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了強有力的保證。

3 實踐效果與探討

在機械類專業(yè)三維開發(fā)能力培養(yǎng)體系的逐步實施過程中，需注重講解理論公式與軟件中相關(guān)參數(shù)設(shè)置的關(guān)系，同時需合理分配理論授課學時與上機實訓學時。

將三維軟件的應用作為人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的主線，將深厚的理論與具體的軟件應用相結(jié)合，不但使枯燥的理論以顯式的結(jié)果吸引學生的學習興趣，更培養(yǎng)了學生利用先進軟件工具解決具體工程問題的能力。通過近5年來三維開發(fā)能力培養(yǎng)體系的逐步實施，學生開拓了視野、拓寬了思路，進一步提高了創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力，就業(yè)競爭能力和綜合應用能力得到了進一步加強。

[1] 胡成武，譚艷萍，何國旗，等.構(gòu)建大學生機械創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)的教學體系[J].湖南工業(yè)大學學報,2008,22（2）：101～103

[2] 何濤,楊競,金鑫,等.ANSYS 10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007

[3] 朱昱,黃明宇,倪紅軍,等.基于Pro/ENGINEER的產(chǎn)品開發(fā)[J].機械設(shè)計與制造,2004,2：43～45

[4] 王全先,張玉華.機械類專業(yè)人才三維數(shù)字化設(shè)計能力培養(yǎng)的研究[J].安徽工業(yè)大學學報（社會科學版）,2007，24（3）：114～115

[5] 王建萍.基于Pro/ENGINEER軟件的課程群建設(shè)實踐與探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009,13：80～81

Research in the cultivation of mechanical talents’ three-dimensional product development innovationability

Zhu Yu1,Wang Jianping2
1.School of mechanical engineering, Nantong university, Nantong, 226019, China 2.Nantong textile vocational technology college, Nantong, 226007, China

2011-01-10 稿件編號：1101033

朱昱，碩士，副教授。