機械設計專業(yè)解決復雜問題的項目式教學實踐

汪泉　孫金風　王君　任軍　魏瓊

摘 要 為了提高機械專業(yè)本科生解決機械相關復雜問題的能力，本教學實踐結(jié)合實際項目提出綜合運用MATLAB、PROE及ANSYS軟件解決復雜機械相關問題的教學方法。本項目式教學，引入復雜機械曲面造型問題，借助常用三款軟件各自的優(yōu)點，對復雜問題進行數(shù)據(jù)處理，建立其三維模型并進行有限元分析。綜合知識多，難度較大，對培養(yǎng)重點高校學生創(chuàng)新與科學研究具有很好的指導作用。

關鍵詞 MATLAB PROE ANSYS 機械設計 復雜問題 項目式教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.041

Abstract So as to improve the ability of solving complicated mechanical problems， a teaching method combined actual project using MATLAB， PROE， and ANSYS software is presented. The complicated mechanical surface is selected in this project teaching. According to the advantages of the three software， The data is calculated by MATLAB， the 3D model is built by PROE， and the finite element is analyzed by ANSYS. The project teaching is very useful for improving the innovation and science study in the key university students.

Key words MATLAB； PROE； ANSYS； mechanical design； complicated problem； project teaching

0 引言

機械設計及其自動化專業(yè)作為機械工程領域的一個重要分支，如何培養(yǎng)本科生綜合運用本科機械設計專業(yè)所學知識，例如：高等數(shù)學、工程圖學、工程力學、機械原理及機械設計等核心課程，使本科生在熟悉掌握理論知識的同時，能夠運用幾門軟件解決機械領域復雜問題。徐高歡，陳雯蘭等人①將MATLAB軟件編制程序模擬機械設計中的連桿機構(gòu)、齒輪運動仿真，使得課堂更加生動直觀。李克勤②將CDIO教育理念引入到機械優(yōu)化設計中，并通過兩個項目的演示，使得教學取得了良好的教學效果。田和強，蘇春建等③將“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式引入CAD/CAE課程教學中，構(gòu)建CAD/CAE軟件課程翻轉(zhuǎn)課堂教學模型。楊文敏④在機械設計課程設計中，運用CAD/CAE軟件，推薦學生先建立三維實體模型，對關鍵零部件進行CAE分析，這一實施增強了學生的綜合運用能力。段魏，范孝良⑤提出基于項目設計的研究性教學，提高了學生創(chuàng)新能力。此外，還有一些老師⑥⑦⑧在這方面做了很多教學改革與嘗試，均取得了不錯的教學效果。然而，以上教學改革往往只是注重某一方面的研究，而忽視了學生綜合基礎學科知識與專業(yè)知識，運用幾款軟件之間的連接來解決復雜機械問題。本文將以復雜機械問題為項目導入，學生在分析這類問題時，通過查閱資料不斷回憶本科所學基本理論知識，另外，要求學生在一定的時間自學常用的三類軟件，即科學計算軟件、CAD三維畫圖以及CAE有限元分析軟件，逐步提高學生綜合運用相關知識去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。本項目式教學探討，將有利于提高重點高等院校研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 項目的引入

本教學實踐項目以復雜機械曲面幾何造型為切入點（本文以風力發(fā)電機復雜葉片氣動外形幾何造型為項目任務），已知該葉片的幾何參數(shù)，如葉片的二維截面幾何數(shù)據(jù)、葉片弦長、扭角及葉片的長度等。要求學生運用相關數(shù)學知識將葉片二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間三維數(shù)據(jù)點；將葉片三維數(shù)據(jù)點導入CAD軟件中建立復雜葉片三維實體模型；最后，將CAD中建立的模型導入CAE有限元軟件中，進行有限元計算。

2 MATLAB解決第一類問題

針對第一個問題，要求學生對葉片的幾何參數(shù)有一定的認識，通過老師講解與學生查閱相關資料，使學生能夠理解葉片是由翼型通過變換弦長及扭角而產(chǎn)生的。通過查閱相關資料，得知葉片三維坐標與二維坐標轉(zhuǎn)換公式為：

（1）

其中，，為葉片翼型二維坐標，為葉片截面弦長；為葉片扭角，為葉片展長。

運用MATLAB編制程序，可計算出葉片三維坐標數(shù)據(jù)點，由于數(shù)據(jù)點較多，這里采用surfl命令以顯示三維圖來表示，如圖3所示。通過第一類問題的解決，學生可學會解決復雜曲面數(shù)據(jù)點計算的問題，如汽車復雜曲面數(shù)據(jù)、航空航天模型數(shù)據(jù)點計算問題等。

3 CAD解決第二類問題

針對第二類問題，利用比較常用的Pro/E軟件實現(xiàn)三維模型的建立。將數(shù)據(jù)點以.stl格式導入Pro/E軟件中，繪制各截面的輪廓線，使用邊界混合工具生成整體葉片框架，并完成曲面的合并，畫出葉片實體圖。

4 CAE解決第三類問題

針對第三類問題，引導學生查閱如何將三維CAD模型導入在有限元軟件中（如ANSYS），通過將CAD模型另存為.igs格式，再導入到ansys有限元軟件中。導入后，對模型進行前處理，網(wǎng)格劃分及邊界處理，得到有限單元網(wǎng)格模型如圖5所示。該有限元模型建立后，后續(xù)可逐步提高學生有限元計算能力，如應力分析、模態(tài)分析等。

5 小結(jié)

通過一個復雜的機械設計綜合性項目，很好地將基礎學科與專業(yè)課程結(jié)合在一起，利用MATLAB解決基礎學科相關問題，采用CAD三維軟件將已經(jīng)解決的基礎學科問題直觀地呈現(xiàn)出來，采用CAE軟件對此項目進行力學分析。本項目式教學的開展，一方面使得學生能夠熟練運用常用的軟件，不僅意識到基礎學科與專業(yè)學科的聯(lián)系，另外一方面更能提高學生逐漸解決實際復雜問題的能力。將有益于重點院校機械類專業(yè)研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

國家自然科學基金資助項目（51405140）

注釋

① 徐高歡，陳雯蘭，孫培峰，萬海波. ＼MATLAB的交互式仿真在《機械設計基礎》課程教學中的應用[J].浙江水利水電學院學報，2014.26（1）：82-86.

② 李克勤.基于CDIO理念的機械優(yōu)化設計課程教學實踐[J].科教導刊，2015.11：128-129.

③ 田和強，蘇春建，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的機械專業(yè)類專業(yè)CAD/CAE軟件課程教學設計[J].教育教學論壇，2014.37：158-159.

④ 楊文敏.CAD/CAE在機械設計課堂設計中的應用[J].實驗科學與技術(shù)，2010.8（1）：106-108.

⑤ 段魏，范孝良.基于項目設計的“機械設計”研究型教學實踐[J].科教導刊，2015.6：105-106.

⑥ 史越.三維CAD技術(shù)在機械設計中的應用探究[J].設計與研發(fā)，2013.23：26-27.

⑦ 唐川林，明興祖，等.機械設計制造及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革與建設[J].教學研究，2011.34（6）：67-70.

⑧ 林怡青，謝宋良.以項目為線索的“機械設計基礎”課程教學改革[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2010.10：174-175.