SolidWorks在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

許競(jìng)翔 盧康 王斌 田卡

[摘 要] 文章以高速潛航器中舵面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，討論了在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課堂中引入SolidWorks三維建模的教學(xué)新方法。該方法以直觀的理論模型為手段，注重提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)建模和在解決實(shí)際工程問題過程中的創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)械設(shè)計(jì);三維建模;教學(xué)改革;創(chuàng)新能力

[作者簡(jiǎn)介] 許競(jìng)翔（1985—），男，云南昆明人，上海海洋大學(xué)工程學(xué)院副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵优c近原子尺度制造。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0198-02? ? [收稿日期] 2020-01-09

引言：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是一門培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是高等院校工科教育的重要組成部分，做好機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，其重要的教學(xué)意義在于——培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，為國(guó)家工程領(lǐng)域培養(yǎng)創(chuàng)新型高水平人才[1]。但是，目前的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中尚還存在許多的問題[2]，因此，為了使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力以及解決實(shí)際工程問題能力得到提高，應(yīng)試教育的現(xiàn)狀也應(yīng)該得到改善。

在機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中，使用直觀易懂的三維模型能很清晰地表達(dá)出機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，學(xué)生通過三維模型能夠很容易地理解復(fù)雜機(jī)構(gòu)的工作原理。同時(shí)，三維建模技術(shù)還為學(xué)生搭建了一個(gè)自由創(chuàng)新的平臺(tái)，學(xué)生通過SolidWorks、UG、Pro/E等機(jī)械設(shè)計(jì)類三維建模軟件，可以充分地發(fā)揮自己的創(chuàng)新能動(dòng)性。因此，如何將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與基礎(chǔ)課程的教學(xué)體系、內(nèi)容和方法有機(jī)地結(jié)合起來，是我國(guó)高等教育教學(xué)現(xiàn)代化的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文提出以超級(jí)獵鷹3高速潛航器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討了在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入SolidWorks三維建模的教學(xué)方法，倡導(dǎo)學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)中，應(yīng)用SolidWorks對(duì)實(shí)際工程中復(fù)雜問題的建模以及簡(jiǎn)化，使學(xué)生更全面地理解在解決實(shí)際工程問題的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)該著重注意的問題，并在設(shè)計(jì)建模的過程中對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的進(jìn)一步鞏固和對(duì)自身創(chuàng)新能力的進(jìn)一步鍛煉。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的現(xiàn)狀

目前，我國(guó)高校對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新仍在進(jìn)行，且取得了一定的成果。比如，上海理工大學(xué)汪昌盛為了改善目前機(jī)械設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中，重理論原理，輕實(shí)踐應(yīng)用，重傳授教學(xué)，輕學(xué)生參與的問題，提出教師在工程實(shí)踐案例教學(xué)前，需要了解該案例提出的背景和應(yīng)用領(lǐng)域，查閱文獻(xiàn)和目前應(yīng)用領(lǐng)域，以引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)創(chuàng)造性[3];佳木斯大學(xué)李憲芝等人提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上注意與相關(guān)課程關(guān)聯(lián)，及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，減少驗(yàn)證性與演示性實(shí)驗(yàn)，增加與工程實(shí)際聯(lián)系密切的綜合性、設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，吸收科研新成果，研究并開發(fā)實(shí)踐性強(qiáng)的工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加學(xué)生對(duì)機(jī)械的感性認(rèn)知，提高對(duì)基礎(chǔ)理論實(shí)際運(yùn)用能力。

但是，目前的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)仍然存在許多的問題，需要繼續(xù)加大力度進(jìn)行教學(xué)改革和優(yōu)化。主要存在的問題有：

1.傳統(tǒng)上的灌輸式的教育方式。灌輸式的教育方式多年來一直都是我國(guó)理論教學(xué)中存在的一個(gè)問題。且因?yàn)楣噍斒降慕逃绞焦逃械谋锥?，使得學(xué)生在臨考前采取突襲的方法求得考試的通過，短時(shí)間的大量記憶具有瞬時(shí)性，死記硬背不加理解也導(dǎo)致在考試以后不久專業(yè)知識(shí)就忘得一干二凈，形成了應(yīng)試教育的不良風(fēng)氣。

2.缺乏實(shí)踐和案例來支撐理論知識(shí)。以美國(guó)密歇根大學(xué)為例，在30課時(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)類課程中，有高達(dá)80%的課時(shí)都是案例分析與實(shí)踐操作，只有少數(shù)幾個(gè)課時(shí)的理論知識(shí)講解。

3.案例太老舊，沒有與現(xiàn)代化機(jī)械行業(yè)緊密聯(lián)系起來。許多教師在備課時(shí)都沒有準(zhǔn)備充分，使用的PPT還是很久之前的，其中一些案例跟不上工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，這也不能達(dá)到培養(yǎng)專業(yè)人才的要求。

基于此，必須要將教學(xué)改革重新放到高校高等教育發(fā)展和建設(shè)的重要位置上，優(yōu)化教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、SolidWorks在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

SolidWorks軟件具有界面友好、功能強(qiáng)大、操作靈活、易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)。其在復(fù)雜產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)、曲面建模、裝配體干涉檢查、二維輸出、動(dòng)畫仿真、有限元建模分析計(jì)算和流體仿真等各方面都具備良好的性能，是二維CAD繪圖軟件難以實(shí)現(xiàn)的?；谌S參數(shù)化設(shè)計(jì)的SolidWorks軟件采用全相關(guān)技術(shù)，并在設(shè)計(jì)思路上支持自下而上和自上而下的設(shè)計(jì)方式。

在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入SolidWorks軟件，使得課堂教學(xué)變得簡(jiǎn)單易懂，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過設(shè)計(jì)方案的要求自行設(shè)計(jì)出零件的三維圖紙，再進(jìn)行裝配，最后對(duì)于需要進(jìn)行機(jī)械校核的零件還可以通過SolidWorks Simulation插件進(jìn)行有限元分析和校核。在反復(fù)的修改零件參數(shù)、調(diào)試裝配方案的過程中，使得學(xué)生對(duì)理論知識(shí)掌握得更牢固，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)效率。

三、算例分析

問題描述：水下潛航器作為一種功能強(qiáng)大的海洋探索工具，但是潛航器在水下高速行駛時(shí)，其受到的阻力等問題造成實(shí)際航行速度低于理論航行速度，因此需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決上述問題。本文基于SolidWorks，以超級(jí)獵鷹3（Super falcon 3， SF3）潛航器的舵面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，介紹了對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中SolidWorks的引入方法。

由于SF3的舵面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)的空間理解較為困難。如水平舵控制模型的沉浮，方向舵控制模型的轉(zhuǎn)向，其安裝定位精度涉及測(cè)試時(shí)的航行精度還有航行安全，因此，對(duì)于其安裝專門設(shè)計(jì)有安裝方法。安裝結(jié)果如圖1（a）所示。

安裝定位：為例控制多面與內(nèi)部拉桿形成特定的角度，在機(jī)身外部畫有角度刻度，在機(jī)身內(nèi)側(cè)有便于安裝的拉桿初始位定位孔。如圖1（b）所示。舵安裝的時(shí)候整體需要拆開，貫穿第四段機(jī)身旋轉(zhuǎn)孔，之后在進(jìn)行校正。以左側(cè)的水平舵的安裝為例，首先將舵桿穿過旋轉(zhuǎn)孔，將拉桿的舵角固定于定位孔，定位孔相對(duì)于安裝平面下偏60°，將機(jī)身外部的多面也靜止于對(duì)應(yīng)位置，然后進(jìn)行擰緊便可固定。其他舵的安裝方法相同。

舵面：采用模型船的現(xiàn)成舵進(jìn)行安裝，后專門設(shè)計(jì)一舵面安裝與原舵面上，形成SF3模型舵面經(jīng)濟(jì)高效，如圖1（c）所示。

拉桿的干涉保護(hù)：如圖1（d）所示，同一側(cè)的水平舵舵角與方向舵舵角在特殊情況下會(huì)相互碰撞，但是當(dāng)舵角相撞時(shí)，外部的舵面還有一定角度，這樣就避免掉舵面相撞，由此在內(nèi)側(cè)舵角之間形成干涉保護(hù)。以上分析為特殊情況，一般情況下，控制部分將會(huì)避免兩相鄰舵角相撞。

通過對(duì)SF3舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大提高學(xué)生在課堂及課后自主學(xué)習(xí)的能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)了學(xué)生的空間想象和空間理解能力。學(xué)生借助SolidWorks軟件，熟悉了對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的現(xiàn)代化建模方法，并且通過借助3D打印技術(shù)，與生產(chǎn)實(shí)際也緊密了結(jié)合起來。

四、結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是一門培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是從事機(jī)械行業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的必修課程。而SolidWorks軟件對(duì)這門課程的教學(xué)起到了極大的輔助作用，不僅體現(xiàn)在教師可以通過建立三維模型和動(dòng)畫解釋機(jī)構(gòu)原理，還體現(xiàn)在可以作為一個(gè)學(xué)生自由發(fā)揮的平臺(tái)，充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際工程中問題的能力。因此在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)過程中引入SolidWorks軟件是一種非常有效的教學(xué)方法，達(dá)到了更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]朱繼華.創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)下高校機(jī)械設(shè)計(jì)類課程教學(xué)改革探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（21）：265-266.

[2]謝長(zhǎng)雄，韓斌，王建臣，鄧小雷，陳艷.計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2019（39）：48-49.

[3]汪昌盛.機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的工程案例應(yīng)用實(shí)踐探討[J].教育教學(xué)論壇，2019（33）：199-200.