數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)探索

摘 要 隨著數(shù)字化、信息化和智能化的高速發(fā)展，基于數(shù)字化平臺，機(jī)械制造已逐步演變?yōu)闄C(jī)械智造，對應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也發(fā)生巨大變化。以三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程為例，闡述該課程的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)實(shí)施步驟，并提出考核方法和評價標(biāo)準(zhǔn)，以滿足機(jī)械智造對應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)的新需求。通過實(shí)訓(xùn)成果和校企合作的調(diào)研，該課程已經(jīng)獲得積極的反饋。

關(guān)鍵詞 三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)；有限元分析；實(shí)踐教學(xué)；三維軟件

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-0-04

0 引言

黨的十六大報告提出“走新型工業(yè)化道路”[1]，國內(nèi)制造業(yè)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)開始步入數(shù)字化階段，三維軟件逐步在企業(yè)中得到應(yīng)用和普及。相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，三維軟件可大幅提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)省成本、縮短周期[2]。與此同時，國內(nèi)各高校機(jī)械制造專業(yè)相繼開設(shè)了三維數(shù)字化、數(shù)字化設(shè)計(jì)與建模和三維數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)等課程。從企業(yè)到高校，三維數(shù)字化平臺已趨于普及[3-4]，但這個階段無論院校開設(shè)課程還是企業(yè)三維數(shù)字化應(yīng)用，大部分停留在建模、裝配和工程制圖等方面。

隨著《中國制造2025》的提出，企業(yè)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提出更高的要求。企業(yè)發(fā)展講究效率，較短的時間內(nèi)完成產(chǎn)品的檢驗(yàn)測試能夠快速滿足產(chǎn)品上市，今天還在設(shè)計(jì)師的概念中，一夜之間經(jīng)過軟件驗(yàn)證的產(chǎn)品已經(jīng)成型。對于創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)更是如此。高速發(fā)展的制造業(yè)需要現(xiàn)代化的開發(fā)工具和手段作為支撐，單一三維軟件的建模、裝配和工程制圖等基礎(chǔ)應(yīng)用顯然已不能滿足發(fā)展需求，數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)入新的轉(zhuǎn)型期[5]。

工科院校應(yīng)盡早建立數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程，為社會輸送高端設(shè)計(jì)人才。上海電機(jī)學(xué)院通過廣泛調(diào)研、認(rèn)真論證，開設(shè)了三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程。

1 三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)

三維數(shù)字化平臺下的產(chǎn)品開發(fā)相對于傳統(tǒng)機(jī)械

設(shè)計(jì)，融入了更多CAE（Computer Aided Engineer-

ing，計(jì)算機(jī)輔助工程）元素，其核心思想是基于三維軟件，設(shè)計(jì)中實(shí)時通過運(yùn)動仿真檢驗(yàn)產(chǎn)品的功能或工藝性，實(shí)時完成重要受力件及產(chǎn)品的有限元分析，所獲取后處理結(jié)果反過來指導(dǎo)并優(yōu)化完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。這些元素的融入為設(shè)計(jì)注入了靈魂，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再僅僅停留在概念階段。設(shè)計(jì)師無須再依賴煩瑣的手工計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)就能夠直接獲取產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，能更好地滿足工程要求。融入了三維軟件的運(yùn)動仿真和有限元分析的現(xiàn)代產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)如圖1所示。

依據(jù)現(xiàn)代產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)流程，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求和對學(xué)生技能的培養(yǎng)要求，三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程設(shè)立四個目標(biāo)，如表1所示。

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，課程團(tuán)隊(duì)通過校內(nèi)校外資源整合，以UG NX三維軟件為載體，開展相應(yīng)教學(xué)活動。制定了具有自身特色的教學(xué)內(nèi)容。

2 三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容涵蓋三維軟件（UG NX）學(xué)習(xí)、案例分析、學(xué)生實(shí)操、報告撰寫和企業(yè)評價，具體如表2所示。從三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容看，通過校企導(dǎo)師聯(lián)合指導(dǎo)，以接近產(chǎn)品實(shí)際的工況完成基于三維軟件的模型建立、運(yùn)動仿真、有限元分析和技術(shù)報告撰寫為具體實(shí)訓(xùn)形式；以企業(yè)產(chǎn)品案例為輔，以學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)掌握三維軟件的高級CAE模塊為主，最終使學(xué)生具備基于所學(xué)三維軟件（UG NX）優(yōu)化設(shè)計(jì)企業(yè)產(chǎn)品的實(shí)踐能力。

3 三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施

根據(jù)上述教學(xué)內(nèi)容，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)制定了較有特色的教學(xué)方法和實(shí)施步驟，如表3所示。教學(xué)項(xiàng)目整體圍繞學(xué)生展開，課內(nèi)課外服務(wù)到位，校內(nèi)校外共同指導(dǎo)，將傳統(tǒng)案例與企業(yè)實(shí)際案例相結(jié)合，并通過企業(yè)模式進(jìn)行考核和答辯，鮮明地體現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)的本質(zhì)。

3.1 線下授課，線上答疑

三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)屬于操作類實(shí)踐課程，授課地點(diǎn)在CAE實(shí)驗(yàn)室。三維軟件實(shí)操類課程教學(xué)采用線下面對面授課比較合理，三維軟件命令的使用方法、基本流程的操作過程需要實(shí)時解答和溝通。實(shí)訓(xùn)課時分配應(yīng)相對集中，可以選擇整個上午或者整個下午四個課時集中到一起，這樣可以更好地學(xué)習(xí)和鞏固。比較復(fù)雜的整機(jī)模型對于基礎(chǔ)稍差的學(xué)生來講，可能幾個小時都難以完成。

三維軟件仿真模塊和有限元模塊的學(xué)習(xí)以案例的操作作為主要手段，用到的重要命令專門講，簡單命令課下自學(xué)，這種方式既節(jié)省時間，又提高了軟件學(xué)習(xí)質(zhì)量。課堂教學(xué)的核心是對應(yīng)模塊操作步驟的詳細(xì)講解和特殊條件下各種邊界條件設(shè)置

技巧。

為了解決部分基礎(chǔ)差的學(xué)生學(xué)習(xí)困難的問題，本門課程所有例題均會錄制視頻并上傳學(xué)生群，同時在群內(nèi)答疑，還會發(fā)布相關(guān)視頻、教材、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資料等供學(xué)生自學(xué)和提升。

3.2 選擇具有企業(yè)經(jīng)驗(yàn)的校內(nèi)教師授課

三維軟件作為一種工具，體現(xiàn)的是操作者的意圖，軟件操作水平和產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念不是正相關(guān)。前者代表了操作者的熟練程度，而后者則基于工廠實(shí)際、生產(chǎn)制造等條件，使用軟件更具有準(zhǔn)確性和針對性。具有企業(yè)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)學(xué)研經(jīng)歷的教師在教學(xué)上更能從工程實(shí)際思路出發(fā)，授課過程中融入企業(yè)思維，解決問題更容易找到根本，甚至將產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目融入課堂教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，不僅增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)的實(shí)用性，也能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3.3 聘用校外企業(yè)高工跟蹤指導(dǎo)

企業(yè)導(dǎo)師在所從事行業(yè)具有較前衛(wèi)的認(rèn)識和見解，解決問題簡單有效，往往同樣的問題可以用更短的時間和更有效的手段來解決。如三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)之類課程，無論是運(yùn)動仿真還是有限元分析，其邊界條件、使用工況、各種現(xiàn)場參數(shù)等的建立和賦予更接近事實(shí)。另外，作為生產(chǎn)一線的企業(yè)員工，他們的工作的性質(zhì)決定了態(tài)度，所做的一切都是要被兌現(xiàn)的，畫的圖要制造，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要生產(chǎn)，一旦有誤，小則造成經(jīng)濟(jì)損失，大則出現(xiàn)重大事故。因此，嚴(yán)謹(jǐn)是每個企業(yè)工程師必須具備的特質(zhì)，對于在校大學(xué)生來說，這種特質(zhì)是需要被培養(yǎng)的，在本實(shí)訓(xùn)課程中需要企業(yè)導(dǎo)師全程參與。具體表現(xiàn)為參與課堂教學(xué)、案例指導(dǎo)，提供實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，參與實(shí)訓(xùn)答辯和考核評價。整個過程中除了傳授知識、經(jīng)驗(yàn)，還可以傳遞態(tài)度，這是企業(yè)導(dǎo)師帶給學(xué)生的不一樣的感受，這些感受將會重塑學(xué)生的認(rèn)知。

3.4 選用企業(yè)實(shí)際案例進(jìn)行分析

教材的選用大同小異，案例也是大同小異，日常的產(chǎn)品無論用于仿真還是用于有限元分析，都沒有帶給學(xué)生太強(qiáng)烈的沖擊和興趣。課程所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)和萬噸液壓機(jī)等為常見的企業(yè)產(chǎn)品，前者有較為復(fù)雜的運(yùn)動軌跡，其運(yùn)動仿真分析具有一定難度和代表性，葉片和輪轂形狀復(fù)雜，有一定的建模和受力分析難度，后者為大噸位高載荷設(shè)備，其有限元分析對設(shè)計(jì)和優(yōu)化有決定性的指導(dǎo)意義，液壓機(jī)的運(yùn)動仿真及step函數(shù)等的運(yùn)用也有一定的代

表性。

3.5 企業(yè)導(dǎo)師主持最終答辯

最終用于考核的分析案例產(chǎn)品由企業(yè)導(dǎo)師和校內(nèi)導(dǎo)師商討并由企業(yè)提供技術(shù)資料，答辯由企業(yè)導(dǎo)師主持，可邀請企業(yè)技術(shù)人員、校內(nèi)教學(xué)團(tuán)隊(duì)等參加。采取企業(yè)項(xiàng)目答辯的形式既可以體現(xiàn)學(xué)生提交資料的重要程度，又能夠體現(xiàn)企業(yè)的重視程度，企業(yè)技術(shù)人員可以提問或者給出指導(dǎo)建議，整體氛圍嚴(yán)肅、過程嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)生在這種環(huán)境中可以獲得不一樣的體會，這些體驗(yàn)為學(xué)生成長為企業(yè)所需要的人才奠定基礎(chǔ)。

4 考核

課程考核采取平時成績、綜合實(shí)訓(xùn)報告與綜合實(shí)訓(xùn)匯報（答辯）相結(jié)合的方式進(jìn)行。

1）平時成績：根據(jù)學(xué)生日常上課中完成的課內(nèi)練習(xí)情況、課后作業(yè)情況、日常表現(xiàn)及出勤率等給出綜合評價。

2）綜合實(shí)訓(xùn)報告：根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)訓(xùn)報告進(jìn)行評價，主要考查報告格式是否符合要求，報告內(nèi)容是否完整、是否具有邏輯性，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，圖表是否清晰等。

3）綜合實(shí)訓(xùn)匯報（答辯）：根據(jù)學(xué)生視頻演示、匯報情況以及回答問題等進(jìn)行考核。

具體如表4所示。

5 三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果

5.1 內(nèi)容方面

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容飽滿充實(shí)，將前期理論知識、軟件知識和后期運(yùn)動仿真及有限元分析的實(shí)訓(xùn)綜合到一起，結(jié)合企業(yè)在制產(chǎn)品，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，師生互動、小組內(nèi)交流，遇到問題當(dāng)面解決。以工程案例為實(shí)際，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。通過調(diào)查反饋，95%的學(xué)生認(rèn)同該教學(xué)模式，91%的學(xué)生普遍認(rèn)為這種授課方式能短時間內(nèi)掌握大量實(shí)用知識和技能。

5.2 學(xué)生主觀能動性方面

學(xué)生完成仿真及有限元分析并輸出視頻文件、技術(shù)報告時，不僅獲得巨大的成就感，還激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的強(qiáng)烈愿望，并對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及CAE技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣。以三維軟件的建模、仿真和有限元分析等手段解決企業(yè)實(shí)際問題開展實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)又倒逼學(xué)生熟練掌握三維軟件，需求產(chǎn)生動力，迫使學(xué)生主動查閱資料、相互探討，通過視頻、網(wǎng)絡(luò)平臺等積極學(xué)習(xí)、主動跟教師溝通等，進(jìn)而使本門實(shí)訓(xùn)課程得到很好的效果。

5.3 學(xué)生成績方面

本門課程層次分明、主線明確，從理論出發(fā)，以軟件為依托，以企業(yè)產(chǎn)品為案例，讓學(xué)生完成對應(yīng)項(xiàng)目的建模、仿真和有限元分析。從學(xué)生提交的視頻文件、實(shí)訓(xùn)報告及學(xué)生答辯情況來看，他們所完成的項(xiàng)目成果真實(shí)可靠，具備的能力清晰可見。全班40人的平均分?jǐn)?shù)為82.5分，其中優(yōu)秀8人，良好22人。從分?jǐn)?shù)分布和學(xué)生實(shí)際答辯情況來看，成績優(yōu)秀、評價合理，為后續(xù)教學(xué)提供了參考。

5.4 企業(yè)評價方面

本門實(shí)訓(xùn)課程有企業(yè)導(dǎo)師參與，對于教學(xué)成果和答辯表現(xiàn)，企業(yè)導(dǎo)師給了較高的評價，他們還將學(xué)生成果帶到企業(yè)展示并得到企業(yè)主管人員和技術(shù)人員的贊許。部分基礎(chǔ)好的學(xué)生在企業(yè)導(dǎo)師的跟蹤下已經(jīng)具有了為企業(yè)建立三維模型、完成運(yùn)動仿真分析和有限元分析的能力，也得到了企業(yè)認(rèn)可，甚至有企業(yè)提前預(yù)訂了部分學(xué)生。另外，企業(yè)有意愿讓新進(jìn)員工參與此類實(shí)訓(xùn)課程學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升其理論知識水平和三維軟件的使用能力。本門實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)施，為學(xué)生快速融入企業(yè)提供了直接幫助，得到學(xué)校和企業(yè)的肯定。

6 結(jié)束語

新時代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)融入了運(yùn)動仿真和有限元分析等高級CAE元素，工程師在設(shè)計(jì)過程中逐步升級傳統(tǒng)較為簡單的比例法或者經(jīng)驗(yàn)法，更加注重以運(yùn)動仿真的形式表達(dá)產(chǎn)品的功能、以有限元分析手段完成零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和可靠性。上海電機(jī)學(xué)院開設(shè)的三維數(shù)字化仿真實(shí)訓(xùn)課程既幫助學(xué)生掌握了三維軟件的運(yùn)動仿真和有限元分析，又融入了企業(yè)思維，讓學(xué)生按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成報告。另外，由校企雙方導(dǎo)師授課指導(dǎo)，以企業(yè)產(chǎn)品作為教學(xué)案例，將其有效地融入實(shí)踐教學(xué)，以企業(yè)導(dǎo)師主導(dǎo)答辯和評價，考核方法更接近對學(xué)生實(shí)際能力的綜合考評。通過最終的成績和調(diào)研反饋看，學(xué)生和企業(yè)對本門課程的認(rèn)可度極高。

7 參考文獻(xiàn)

[1] 江燕.“千家萬套”實(shí)現(xiàn)中國三維CAD產(chǎn)業(yè)化：訪中國工程院院士、國家863/自動化領(lǐng)域首席專家孫家廣[J].中國制造業(yè)信息化，2003（8）：18-20.

[2] 張淑琴，陳鋼，劉秀琴.淺談三維CAD系統(tǒng)技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用[J].山西機(jī)械，2003（4）：71-72.

[3] 鄒澤昌，陳忠士.基于三維數(shù)字化技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2014（10）：98-99.

[4] 徐巍.培養(yǎng)創(chuàng)新人才 探索“數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（7）：218-220，235.

[5] 徐偉良，肖冰.制造業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)：構(gòu)建三維標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)環(huán)境與模板[J].智能制造，2018（5）：23-26.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.

作者簡介：劉加亮，博士，副教授。