機械設計教學中的工程案例應用實踐探討

汪昌盛

摘要：機械設計作為機械學科本科專業(yè)基礎課，在教學過程中結合工程實際案例進行講解，不僅可以明顯地提高學生理論聯(lián)系工程實踐的能力，而且可以增強學生分析和解決實際工程實踐問題的能力，從而提高學生對機械學科的熱情和對機械創(chuàng)新設計的探索。本文從機械設計行業(yè)面臨的新機遇和新挑戰(zhàn)，提出在機械設計課程教學中，需要重點關注的領域和案例，從而提升機械設計課程的實時性和專業(yè)性，增加學生對該課程的認可和學習熱情。

關鍵詞：機械設計；工程案例；應用教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0199-02

作為高等工科學校機械類本科專業(yè)的一門主干技術基礎課，機械設計課程是學習專業(yè)課程和從事機械產(chǎn)品設計的必備基礎。它對后續(xù)相關機械工程的專業(yè)課程學習起到了承上啟下的作用。本課程的培養(yǎng)目標是通過課程的學習使學生具有較強的機械創(chuàng)新設計能力、工程實踐能力。和其他先修課程相對比，機械設計課程最顯著的區(qū)別是實踐性非常強，絕大多數(shù)內(nèi)容與生產(chǎn)實踐、生活實際密切相關，因此很多內(nèi)容只有結合工程實踐案例的講解才能達到好的教學效果。

一、工程案例教學中的現(xiàn)狀

然而目前機械設計類課程教學中，重理論原理，輕實踐應用，重傳授教學，輕學生參與。導致很多學生對于機械設計類課程，停留在書本理論和案例表面，無法參與實踐。

案例教學比例不合理。與國外著名工學院相對比，國內(nèi)高校工程案例教學在機械設計教育中所占比例還很少，不能滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。以美國密歇根大學機械學院為例，機械設計類教學中，從工程案例出發(fā)進行教學實踐，比例高達80%多，30個學時的課程，理論講述只有2—6學時，剩余全是工程案例講解和實踐。

工程案例供應不足，質量不高，落后于現(xiàn)實發(fā)展。很多高校盡管重視工程實踐案例教學的應用，但在案例的搜集、整理和分析等方面比較滯后。例如，在皮帶輪傳動部分，依然應用80年代的手動縫紉機，而目前此類產(chǎn)品已從市場消失，學生無法實現(xiàn)感官認識和切實理解。如果應用掃地機器人等現(xiàn)代產(chǎn)品，則受到關注，將大大提升。

二、機械設計行業(yè)面臨的新形式

隨著“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》的推廣，目前機械設計行業(yè)面臨新的問題和挑戰(zhàn)，包括以下幾方面。

（一）機械設計手段的提升

在傳統(tǒng)機械設計工程實踐中，設計流程都是先對機械產(chǎn)品的性能和設計要求進行分解，然后進行模塊設計和裝配，最后進行樣件試制和物理性能驗證。在物理實驗驗證過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題或者性能達不到設計要求，再返回進行設計更新，包括應用材料提升強度，增強結構設計剛度，改善傳動方式，增加潤滑等方式。這樣一個周期下來，產(chǎn)品開發(fā)效率很難提升，產(chǎn)品性能也不容易達到最優(yōu)。隨著計算機技術和軟件工程的發(fā)展，目前現(xiàn)代機械產(chǎn)品的開發(fā)設計流程中，大量采用有限元仿真分析和整體性能優(yōu)化技術。其中，有限元仿真技術是將設計產(chǎn)品模型進行離散網(wǎng)格化，對網(wǎng)格化的模型參考實際條件，進行加載和邊界約束，提交計算機通過數(shù)值計算，獲得設計產(chǎn)品預期的變形、承載和應力狀態(tài)等結構性能。如果達不到設計要求，也可以返回設計模型，進行設計參數(shù)調(diào)整，再進行產(chǎn)品性能的迭代虛擬驗證，從而大大提升設計效率和機械產(chǎn)品的精確性。也實現(xiàn)了機械產(chǎn)品設計合理性、性能的預測以及使用方法等的虛擬評估與驗證。而近年來發(fā)展的優(yōu)化設計技術，則是在有限元仿真技術基礎上發(fā)展起來的，將機械設計的主要尺寸進行參數(shù)化處理，通過實驗設計等數(shù)值算法，進行尋優(yōu)處理，實現(xiàn)產(chǎn)品設計過程中的優(yōu)化處理，獲得既滿足產(chǎn)品設計要求，又能達到使用材料最少、重量最輕等輕量化和成本要求，從而實現(xiàn)通過優(yōu)化設計技術來設計出最優(yōu)化產(chǎn)品性能和要求的實際產(chǎn)品。

（二）網(wǎng)絡化的運用

在網(wǎng)絡不發(fā)達年代，對于企業(yè)特別是集團化的大型企業(yè)，每個工廠的設計部門都需要完整的設計團隊，團隊成員角色分工明確。而各部門之間的設計方案和流程，很難進行共享和交流。也就是說，機械設計同網(wǎng)絡技術沒有任何關系，這導致各設計團隊之間無法實現(xiàn)共享和資源相互支持。而隨著國際化進一步發(fā)展，各國各地區(qū)之間需要更多的協(xié)同設計和資源共享，包括模型更新、設計材料信息、設計規(guī)范統(tǒng)一等。在網(wǎng)絡技術與信息技術不斷發(fā)展的推動下，機械設計技術中不斷應用新的網(wǎng)絡技術，主要包括協(xié)同設計、遠程設計和共享設計等。其中，協(xié)同設計主要功能是實現(xiàn)了團隊各成員在網(wǎng)格上共同設計某一機械產(chǎn)品，實現(xiàn)不同國家地區(qū)的工程師可以共同完成某一設計任務。在協(xié)同設計中，遠程設計則是針對某設計工程師，可以應用先進高速網(wǎng)絡，遠程操作設計工作站，實現(xiàn)家庭辦公或出差遠程操作。而共享設計，則將通用的設計部件包括標準件等，通過高速網(wǎng)格，分享給設計團隊每個成員，從而減少設計工作量和重復設計。高速網(wǎng)絡技術在機械設計中的深入應用，有利于設計開發(fā)過程中的遠程控制與共享，有效提升設計效率，避免人工設計的失誤，降低機械設計成本，提升機械設計的創(chuàng)新性。

（三）智能化技術的推廣

隨著“智能家居”“智能工廠”等智能化技術的逐漸推廣，在機械設計制造中逐漸開始出現(xiàn)智能設計理念，從而實現(xiàn)機械設計過程的智能化。具體來說，對于一個機械產(chǎn)品，首先實現(xiàn)產(chǎn)品架構的分解，形成若干模塊，每個模塊可以定義一個關鍵特征和主要功能，這樣一個復雜的機械產(chǎn)品，就由定義了關鍵特征和功能的模塊組成，又可以稱為智能模塊庫。形成智能模塊庫后，設計團隊面對一個新的機械產(chǎn)品設計開發(fā)，首先從架構上分解成若干個功能模塊，每個模塊可以定義功能需求，設計系統(tǒng)和前期定義的智能模塊庫進行搜索匹配，快速地搜索到可以匹配的若干種模塊設計，設計工程師可以從智能系統(tǒng)推薦的設計方案中進行人工對比，并確定最終設計方案。智能設計開發(fā)系統(tǒng)的推廣和應用，從開發(fā)效率上解決了眾多設計方案的建模和裝配，節(jié)約了大量的工作時間，也給初級中級設計工程師提供了很多設計方案的選擇，有助于提升設計工程師的設計水平和能力，實現(xiàn)設計工程師、設計軟件系統(tǒng)和設計目標性能的三位一體的協(xié)調(diào)一致，明顯地提升了產(chǎn)品開發(fā)過程的效率和設計方案種類，使得機械設計過程成了一個系統(tǒng)智能工程。

（四）綠色化的應用

目前環(huán)保要求越來越高，對產(chǎn)品的回收再利用的要求也越來越高。傳統(tǒng)的機械設計對于報廢部件或者易損部件的回收再利用，基本上考慮很少，導致很多報廢的機械產(chǎn)品無法再次修復或者回收再利用，造成了資源的嚴重浪費。近年來，綠色設計的概念開始在機械設計行業(yè)逐漸推廣開來，傳統(tǒng)的機械設計領域逐漸開始并接受綠色設計的理念。綠色設計實質上是對設計過程進行優(yōu)化計算，為了避免材料的浪費和污染，雖然部分機械產(chǎn)品模塊在技術、原理、產(chǎn)品功能上沒有發(fā)生任何變化，但在資源節(jié)約方針和綠色環(huán)保理念的指導下，深入理解材料的關鍵特征、主要性能和回收成本，在應用材料時考察材料的可回收性和重復利用性，從而避免出現(xiàn)材料浪費和污染，達到節(jié)約資源和綠色環(huán)保的作用。

三、工程案例教學的建議

根據(jù)目前機械設計教學的現(xiàn)狀和機械設計行業(yè)發(fā)展新形式，對機械設計課程的工程實踐教學，提出以下建議：第一，教師在工程實踐案例教學前，需要了解該案例提出的背景和應用領域，查閱文獻和目前應用領域，引導學生的學習積極性和主動創(chuàng)造性。第二，在教學過程中，需要對教學內(nèi)容和教學方法和考核等方面進行科學性的優(yōu)化和改革，對設計課堂問題和課后案例總結，融入創(chuàng)新性和趣味性，引導學生更多參與和理解該課程。第三，教師和教研組需要更多了解機械設計行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，針對目前行業(yè)發(fā)展和未來趨勢，不斷更新工程實踐案例，與時俱進。

總之，針對機械設計課程工程案例教學的現(xiàn)狀，需要任課教師、教研組和學校全體人員共同努力，不僅能通過案例教學進行理論講授，更能讓學生了解到機械行業(yè)的發(fā)展和機遇，讓學生在案例實踐中提升和感知，認可機械行業(yè)，增強對行業(yè)的投入和興趣，從而為國家的機械工業(yè)發(fā)展培養(yǎng)更多專業(yè)人才。

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