機(jī)械設(shè)計(jì)課程引入衍生式設(shè)計(jì)方法的探索與實(shí)踐

李一浩 吳昊 張琦

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程大綱為出發(fā)點(diǎn)，分析傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)存在的問(wèn)題。為加深學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及優(yōu)化的理解和拓展應(yīng)用，將衍生式設(shè)計(jì)教學(xué)融入傳統(tǒng)課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象，對(duì)一些常用的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行衍生式設(shè)計(jì)，使其更加富有創(chuàng)意和個(gè)性化。通過(guò)此類教學(xué)方法，使學(xué)生可以更直觀地掌握和鞏固所學(xué)知識(shí)、拓展設(shè)計(jì)出創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，為學(xué)生在將來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以解決實(shí)際工程問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?機(jī)械設(shè)計(jì);衍生式設(shè)計(jì);教學(xué)改革;創(chuàng)新意識(shí)

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）36-0076-02

一、課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為一門(mén)兼顧理論知識(shí)和實(shí)踐設(shè)計(jì)的綜合性課程，兼具理論性、實(shí)踐性和知識(shí)綜合性的特點(diǎn)。目前課程教學(xué)中，通常強(qiáng)調(diào)的是理論知識(shí)部分的學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)踐設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的力度不夠及課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)過(guò)少，導(dǎo)致學(xué)生在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面思考較少，不能夠獨(dú)自設(shè)計(jì)一些非標(biāo)件或是考慮已有機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景，這是學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱點(diǎn)。因此，本文將“衍生式設(shè)計(jì)方法”穿插引入在當(dāng)下的課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐設(shè)計(jì)中，使學(xué)生在學(xué)到書(shū)本理論知識(shí)外，也能積極地思考機(jī)構(gòu)應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的全局問(wèn)題，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、采用衍生式設(shè)計(jì)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力

衍生式設(shè)計(jì)（Generative Design），不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，這是一種在設(shè)計(jì)過(guò)程中模仿自然進(jìn)化的設(shè)計(jì)方法。衍生式設(shè)計(jì)的概念和想法最早由Frazer在20世紀(jì)70年代提出，F(xiàn)racalanza等人使用了衍生式設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了機(jī)器人手臂并且對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。它采用深度迭代遺傳算法，將功能強(qiáng)大的分析工具引入前期設(shè)計(jì)流程，根據(jù)零部件的承載進(jìn)行應(yīng)力分析和拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，同時(shí)利用已給定的設(shè)計(jì)規(guī)則計(jì)算出多種設(shè)計(jì)變體，設(shè)計(jì)者可從中找到功能和性能符合要求的解決方案。

衍生式設(shè)計(jì)方法的三大優(yōu)勢(shì)：（1）減重，衍生式設(shè)計(jì)以最小化質(zhì)量為目標(biāo)，使用保證高性能標(biāo)準(zhǔn)的材料，可滿足工程和制造的限制;（2）改善性能，可以改善或優(yōu)化產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的耐用性，消除脆弱點(diǎn);（3）減少零件數(shù)，衍生式設(shè)計(jì)可以把多個(gè)零部件合并成一個(gè)零件。將這三個(gè)特點(diǎn)融入機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的理論知識(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為大學(xué)生學(xué)習(xí)有限元分析、工程材料及數(shù)控加工等知識(shí)提供了一定的幫助。

三、衍生式設(shè)計(jì)在課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

衍生式設(shè)計(jì)方法依托于Fusion 360軟件。Fusion 360是美國(guó)Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一款集設(shè)計(jì)、制造及使用為一體的云設(shè)計(jì)平臺(tái)。該軟件廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、航天航空、汽車(chē)工程等領(lǐng)域。衍生式設(shè)計(jì)模塊通過(guò)定義設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)載荷和應(yīng)力、體積和尺寸要求、安裝方式和位置限制、材料選用、制造方法和安全系數(shù)等參數(shù)，利用基于遺傳算法和云計(jì)算能力，同時(shí)生成多個(gè)滿足產(chǎn)品性能要求的結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)提供多種方式對(duì)不同的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，過(guò)濾和選擇滿足需求的結(jié)果。本文以生活中常見(jiàn)的摩托車(chē)三角軋頭為例，探討分析衍生式設(shè)計(jì)在該課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。圖1是三角軋頭在摩托車(chē)前叉的位置，使用衍生式設(shè)計(jì)的目的是重新設(shè)計(jì)摩托車(chē)三角軋頭。在保障性能要求的同時(shí)，以達(dá)到大幅減輕重量并選擇最佳制造方法的目標(biāo)。

（一）創(chuàng)建基本單元模型

建立前叉支桿的基本模型，為制作軋頭做定位作用;建立軋頭的必備單元，以確保衍生后的軋頭能與前叉保持準(zhǔn)確的配合關(guān)系;同時(shí)還要建立空間限制隔板，以保障衍生后的軋頭能在預(yù)定設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。將建模中的倒角等細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化，使模型達(dá)到合理的最簡(jiǎn)狀態(tài)。

（二）劃分設(shè)計(jì)空間

衍生式設(shè)計(jì)需要?jiǎng)澐直Ａ魩缀螆D元和障礙物幾何圖元，保留幾何圖元是指新設(shè)計(jì)的部件中必要的組成元素，障礙物幾何圖元是指現(xiàn)已存在的區(qū)域或需要限制新設(shè)計(jì)部件幾何尺寸的區(qū)域。在本案例中，前叉支桿屬于已經(jīng)存在的物體，為障礙物幾何圖元;軋頭必備單元是新設(shè)計(jì)的軋頭中所必需的一部分，為保留幾何圖元;兩塊方隔板用來(lái)限制新軋頭的生成空間，為障礙物幾何圖元。

（三）添加設(shè)計(jì)條件

添加結(jié)構(gòu)約束和結(jié)構(gòu)載荷，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)約束和載荷生成相應(yīng)的符合條件的計(jì)算結(jié)果。將軋頭必備單元中間部件的內(nèi)壁面分別在x、y、z軸方向上完全固定。所施加的結(jié)構(gòu)載荷分別有系統(tǒng)內(nèi)部所有構(gòu)件的自重及受到沿前叉支桿方向上的壓力。

（四）設(shè)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、制造方法和選定材料。設(shè)計(jì)目標(biāo)分為最小化質(zhì)量和最大化剛度兩種選擇，這里我們要求的是減輕軋頭的質(zhì)量，所以選擇最小化質(zhì)量為目標(biāo)并取其安全系數(shù)為2。制造方法是衍生后的新軋頭的制造方法，有無(wú)限制、增材、銑削、兩軸切削和鑄造共5種加工方式，選用這5種加工方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在制造方法選擇的同時(shí)，也可以設(shè)置產(chǎn)量，擬定產(chǎn)量為500件，以便預(yù)估加工成本。選擇材料是為新設(shè)計(jì)的軋頭選擇加工材質(zhì)，材料可以在材料庫(kù)中選擇，本次選擇鋁6061、鋁7075、不銹鋼316L和鈦6AL-4V等材料，這些材料都是平時(shí)常用的材料。

（五）生成及查看結(jié)果

在完成以上步驟后，通過(guò)預(yù)檢查確保各種設(shè)置滿足要求，檢查無(wú)誤后，可以提交衍生式設(shè)計(jì)的計(jì)算，計(jì)算機(jī)在云端處理完畢后，經(jīng)過(guò)多次衍生迭代，會(huì)自動(dòng)生成結(jié)果。整個(gè)衍生過(guò)程處于監(jiān)視狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)查看衍生的情況。計(jì)算完畢后，瀏覽生成結(jié)果，（見(jiàn)圖2）。在縮略圖顯示中可以按照處理狀態(tài)、分析、視覺(jué)相似性、制造方法、材料、價(jià)格、質(zhì)量和體積等多種排列依據(jù)來(lái)自由組合瀏覽視圖。

除縮略圖顯示外，還有特性視圖、散布圖視圖和表視圖等顯示方案。特性視圖即是在縮略圖視圖的下方增添衍生的信息方案，顯示出模型和具體參數(shù)（見(jiàn)圖3）。

通過(guò)不同的視圖，使用者可以從不同的衍生方案中挑選滿足實(shí)際情況的模型，將合適的方案導(dǎo)出，再配合相應(yīng)的加工方法即可生產(chǎn)制造。

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者將部分設(shè)計(jì)工作交給了計(jì)算機(jī)和云端服務(wù)器，依托人工智能的幫助，減輕設(shè)計(jì)者的工作量，這就大大降低了本科院校學(xué)生在學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件過(guò)程中的門(mén)檻。對(duì)一些剛剛接觸三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這種全新的設(shè)計(jì)模式和方法能讓他們?cè)诹私鈾C(jī)械零部件設(shè)計(jì)本身的同時(shí)，保持對(duì)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的探索欲望，能使學(xué)生更好地融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程中。

四、結(jié)語(yǔ)

本文旨在探索在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程中引入衍生式設(shè)計(jì)技術(shù)，使課程的理論教學(xué)與實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和工程實(shí)踐能力，達(dá)到在課堂中學(xué)知識(shí)、在課后實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)的目的，促進(jìn)機(jī)械學(xué)科教學(xué)模式的發(fā)展。建議在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中引入衍生式設(shè)計(jì)技術(shù)，以適應(yīng)時(shí)代的要求，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)出掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的新型機(jī)械類人才。

衍生式設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)下機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供了多元的設(shè)計(jì)方案與創(chuàng)新思路，使設(shè)計(jì)不再拘泥于單一種類的數(shù)字建模。衍生式設(shè)計(jì)正迅速改變?cè)O(shè)計(jì)者創(chuàng)造下一代產(chǎn)品的方式，可以利用新的生產(chǎn)方式，為新產(chǎn)品提供性能更好、重量更輕以及滿足客戶獨(dú)特性定制的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

學(xué)校引入衍生式設(shè)計(jì)技術(shù)，可與其他課程相互配合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。衍生式設(shè)計(jì)中，可利用其制圖建模、應(yīng)力分析、加工制造、干涉檢查、動(dòng)畫(huà)渲染等功能，為學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械制圖、工程材料、數(shù)控技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等課程奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，全面提高學(xué)生的工程素質(zhì)。

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編輯 趙瑞峰