“多位一體”模式下機械設計課程教學方法研究

邱 睿，俞成濤，謝文濤

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

隨著工業(yè)科技水平的不斷提升，企業(yè)對科技創(chuàng)新性人才的需求也日益增加。相對傳統(tǒng)教學模式而言，僅僅依靠課堂理論教學的模式無法滿足培養(yǎng)學生多學科交叉綜合能力的培養(yǎng)[1-2]。機械設計是工科專業(yè)的核心課程，既是專業(yè)人才培養(yǎng)的基礎課程，又是相關專業(yè)課程學習的前期保障，其課程重要性不言而喻[3-4]。如何使學生理解、掌握機械設計的核心思想，并根據(jù)實際工程問題提出設計目標和改進方案，是機械設計課程教學目標之一。因此，建立“多位一體”教學模式對機械設計課程的建設具有重要的實踐教學意義。

國內(nèi)外相關學者針對新工科背景下機械類專業(yè)人才培養(yǎng)教學模式進行了研究與探索。顏秋艷[5]針對機械設計課程教學模式進行了優(yōu)化與改進，將先進結構分析方法引入到機械設計課程中，并進行了教學案例設計。潘承怡[6]基于工程認證標準，提出了機械設計課程的教學質(zhì)量評價方法，對學生能力及課程掌握情況進行合理統(tǒng)計。關躍齊[7]將OBE理念引入到機械類學生培養(yǎng)體系中，通過課程環(huán)節(jié)的設計與布局有效提高了學生的學習自主性和積極性。陳宇[8]考慮了運動副間隙微觀幾何特征，以機械設計課程中曲柄滑塊機構為例，分析了運動副間隙對機構動力學特性的影響關系，為機械典型機構設計提供了理論依據(jù)。Lin[9]以滑動軸承設計為了，開展了溝槽結構特征對軸承潤滑特性的影響研究，為機械設計課程中軸承設計內(nèi)容提供了較好的案例。由上述分析可見，目前針對“多位一體”模式的機械設計課程建設研究較少。

本文針對上述內(nèi)容，綜合傳統(tǒng)機械課程教學方法，以提升學生綜合實踐能力為教學目標，開展“多位一體”模式下機械設計課程教學方法研究，以求優(yōu)化課程內(nèi)容的基礎上增加學生自主學習的能動性，提高教學質(zhì)量。

1 “多位一體”模式教學方法設計

將機械類相關課程內(nèi)容和先進設計技術引入到機械設計教學中，建立“多位一體”模式的機械設計課程教學方法，其流程圖如圖1所示。在課前準備過程中，根據(jù)教學背景、教學目標、教學重點與難點對教學內(nèi)容進行知識點分解，根據(jù)教學內(nèi)容制定學生能力培養(yǎng)目標，并結合教學內(nèi)容進行合適的教學方法設計。在教學過程中，將實驗教學內(nèi)容設計、工程實例仿真分析設計、課程設計等方式引入到理論知識講解中，使學生在知識點學習的過程中增加綜合能力素質(zhì)的培養(yǎng)，完善工程認證人才培養(yǎng)體系目標。課后組織學生開展拓展訓練，其模式可包含理論計算、實驗數(shù)據(jù)分析、實踐訓練等，該過程在鞏固學生對課程知識點的掌握，并能挖掘?qū)W生潛力。同時，圍繞機械設計課程教學大綱，提出“N+1”課程考核體系，全面掌握學生各方面學習程度，為課程教學設計改進提供基礎。

圖1 “多位一體”教學方法

2 教學實例設計

本文以機械設計課程中機械零件設計方法內(nèi)容為例，具體說明“多位一體”模式下機械設計課程教學方法設計過程。

2.1 理論知識講解

機械零件作為機器重要的組成部分，其設計合理性與結構特征對機器性能會產(chǎn)生決定性影響。如何將傳統(tǒng)機械設計方法與現(xiàn)代機械設計方法有效結合，實現(xiàn)機械零件性能最優(yōu)化是機械零件設計方法中需要考慮的重要問題。

對于機械零件來說，首先需要考慮的是失效問題，常見的失效形式包括：整體斷裂、過大的殘余變形、零件表面破壞以及破壞正常工作條件引起的失效。為了保證設計的機械零件具有安全性和可靠性，在機械零件設計過程中制定了相關設計準則，其中最為重要的就是強度準則，其表達式為：

其中，應力表達式可寫成：

為了保證所設計的零件具有一定的可靠性和安全性，零件所受應力應當小于材料許用應力值，可以引入安全系數(shù)計算值的概念對其安全性進行評估，故其關系式可寫為：

根據(jù)工業(yè)技術的提升和現(xiàn)代設計方法的要求，輕量化設計已經(jīng)成為機械零件設計過程中不可或缺的一部分[10]。根據(jù)輕量化設計目標及要求，在機械零件設計時需要提出相應的目標函數(shù)及約束條件，其表達式為：

2.2 工程案例設計與分析

為了加深學生對機械零件設計方法的認知，本文選擇四旋翼無人機機身為研究對象，對其輕量化設計流程及其力學特征進行分析。四旋翼無人機初始設計模型如圖2（a）所示，4個機翼支承座產(chǎn)生向上拉力，而承載物體會對機身產(chǎn)生向下拉力，故四旋翼無人機受載模型如圖2（b）所示。

圖2 四旋翼無人機設計模型和承載情況

針對上述仿真計算邊界條件，對四旋翼無人機進行靜力學計算，獲得機身米塞斯等效應力分布特征、位移分布特征及安全系數(shù)等特征計算結果。其中，四旋翼無人機最大變形出現(xiàn)在機翼支架處，最大值為0.2313mm，最小安全系數(shù)為14.7出現(xiàn)在機身行架連接處，最大米塞斯等效應力為3.064MPa，出現(xiàn)在機身行架焊接處，這是由于負載質(zhì)量點在中心位置所引起，該點位置距離負載質(zhì)量點較近。模型質(zhì)量為66.16g，原結構性能有較大冗余，可進行輕量化設計。

根據(jù)上述計算結果，以減輕機身重量為設計目標，基于拓r優(yōu)化法對及機身進行輕量化設計。在機身模型輕量化設計時，以最大化剛度為前提，要求四旋翼無人機最大變形位移小于0.8mm，且最小安全系數(shù)大于2.5?；赑olyNURBS擬合法對模型微觀幾何特征進行優(yōu)化建模，完成四旋翼無人機輕量化設計模型，如圖3（a）所示。

圖3 輕量化模型

在此基礎上，對四旋翼無人機輕量化模型進行力學性能分析，仿真參數(shù)設置與前文保持一致，其計算結果如圖4所示。由計算結果可知，四旋翼無人機的輕量化設計模型最大位移為0.7991mm，出現(xiàn)在螺旋槳支承座上，最大米塞斯等效應力為15.21MPa，出現(xiàn)在機身桁架連接處，最小安全系數(shù)為3.0，出現(xiàn)在機身桁架連接處，質(zhì)量為29.776g，輕量化模型完全滿足設計要求，實現(xiàn)減重54.99%，設計方案可行。

圖4 輕量化模型仿真分析結果

利用3D打印機完成初始模型和輕量化模型的打印制作，讓學生熟悉打印過程和模型參數(shù)設置，初始模型和輕量化模型打印件如圖5所示。

圖5 模型3D打印制作

基于本課程學習，學生較好地掌握了機械零件的常規(guī)設計方法及現(xiàn)代設計方法，并能將其運用到實際工程模型設計中，結合最新的3D打印成形技術，提升了工程實踐綜合能力。

3 結論

本文以機械設計課程為例，提出了“多位一體”模式的課程教學方法，增加了課程教學的多樣化模式，并以機械零件設計方法為例說明了該方法的具體設計流程。研究結果表明，“多位一體”模式的教學方法可以增加學生課程學習興趣，在實踐過程學習中挖掘?qū)W生潛力，培養(yǎng)學生“看，做，想”的綜合能力素質(zhì)，并改善傳統(tǒng)教學方法中的不足。