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摘要：现代设计方法已成为当前机械设计的常用方法，高校毕业生需具有一定的现代设计方法应用能力。作为机械专业关键的实践课程，《机械设计》课程设计仍采用传统的设计方法已难以满足人才培养的需要。本文结合课程设计特点、学生基础和社会需求优选出3种常用的现代设计方法应用于课程设计中，并提出了具体实施措施，同时给出了相应的考核改革建议，最终达到提高学生设计能力的目的。
关键词：现代设计方法；机械设计；课程设计；实施措施；考核改革
《机械设计》课程设计是机械专业关键的一门实践课程，是学生除毕业设计外唯一一次专业基础知识的集中应用，是首次系统地使学生熟悉机器设计流程，锻炼并提高设计能力的一次练兵，同时为后续毕业设计及工作期间的研究工作打下坚实的基础。当前许多高校《机械设计》课程设计仍采用传统设计方法，其考核资料主要通过手工完成。随着计算机技术快速发展，现代设计方法已成为当前机械设计的常用方法。无论是学生毕业后从事机械设计工作还是进一步深造都需要至少掌握2~3种现代设计方法。机械类教学质量国标中规定人才培养基本要求在业务方面要求“具有在机械工程实践中选择、运用相应技术、资源、现代工程工具和信息技术工具的能力。”同时，提出机械工程专业核心知识领域要求包括“计算机应用技术”[1]。部分高校业已开展现代设计方法在《机械设计》课程设计中的应用研究，提出利用计算机技术进行二维绘图、三维建模、运动仿真及有限元仿真等改革思路[2-4]。但现代设计方法在课程设计中的具体实施措施及相应的考核改革措施，还需深入研究。本文以机械工程专业学生为研究对象，结合本校教学实际和当前社会需求研究现代设计方法在课程设计中的具体应用，同时研究相应的考核改革，从而达到提高学生设计能力的目的。
一现代设计方法的选用
现代设计方法有很多，在学生时间有限及精力有限的情况下，应结合学生实际和今后工作需要优选出常用的几种现代设计方法。
(一)现代设计方法特点
当前，设计已经从传统设计迈向了现代设计。传统设计是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行的设计。学生主要借助《理论力学》、《材料力学》、《机械原理》和《机械设计》等课程知识和《机械设计手册》进行设计。主要采用手工计算，为经验分析、近似计算，且设计速度慢、设计质量不高，仅能进行简单结构的宏观计算。而现代设计则在继承传统设计精华的基础上，吸收了当代科技成果和计算机技术，可实现定量化、最优化、动态化、可靠性化等设计，设计速度快、质量高，特别是对于结构不规则的复杂零件及动态工况下的零部件设计具有更大优势。目前现代设计方法主要有计算机辅助设计、有限元法、优化设计、可靠性设计、工业造型设计、绿色设计、动态设计、反求工程设计、人机工程、人工神经元计算方法等等[5]。每种现代设计方法侧重点及应用领域不同，并不是每台设备及其零部件的设计都需要应用上所有的现代设计方法。计算机辅助设计、有限元法、优化设计是当前机械设计最常用的现代设计方法。
（二）前期现代设计方法学习基础
作为培养高层次机械设计人员的高校需要紧跟时展，培养出满足社会需要的人才。现代设计方法已经成为当前主流设计方法，不仅企业、研究机构、高校设计人员需要掌握现代设计方法；当前本科毕业设计和研究生毕业设计也通常离不开现代设计方法；同时一些重要的学科竞赛也通常需要利用现代设计方法完成，如“全国大学生机械创新设计大赛”、“全国三维数字化创新设计大赛”、“全国大学生机械产品数字化设计大赛”等等。也因此，各高校不断地修改培养计划、调整课程体系来满足人才培养需要，以提高人才培养质量。以本校为例，当前要求机械专业学生在专业基础类课程《机械制图》、《机械原理》中学习计算机辅助设计技术。计算机辅助设计技术主要是指CAD二维绘图及三维建模技术，是现代设计技术在机械设计行业中最早也是最基础的应用。目前学生在学习《机械设计》理论课之前，基本掌握了CAD二维制图及三维建模方法；同时，在学习《机械原理》课程时，同学们对三维运动仿真有了初步入门。除此之外，学生已完成了一门计算机编程语言，如VC、VB或PYTHON等语言的学习。
（三）现代设计方法选用
《机械设计》课程设计只有短短的3周时间，不能应用大量的现代设计方法。需结合课程设计特点、学生基础和社会需求选择现代设计方法。《机械设计》课程设计通常是进行二级减速器设计。减速器主要由传动系统（通常为齿轮或蜗杆传动系统）、轴系（包含有轴及轴承）、箱体及减速器附件等组成。传统的课程设计方法是：学生运用前期课堂所学知识，按照经典理论、经验公式和经验数据进行各零部件的设计和选型。在二维设计中，一些同学投影知识薄弱且空间意识不强，图中经常缺线，甚至出现零件与箱体干涉、箱内齿轮外径超过箱体外壁等严重问题；由于学生工程知识薄弱，齿轮轴的结构设计常常不合理，要么无法定位，要么装配困难或无法装配；同时，大多数同学们仅从功能实现角度进行基本设计，未从整台设备的轻量化、小型化、经济性角度进行深入设计；此外，对于受力复杂的齿轮阶梯轴仅从理论上宏观地进行了危险截面的疲劳校核，而未深入分析局部结构、特别是具有应力集中部位的应力应变情况。鉴于学生在课程设计之前初步掌握了计算机辅助设计方法，同时为了让学生能直观地了解所设计零件的结构、装配情况及运动情况，因此，要求学生在课程设计中利用计算机辅助设计方法完成减速器的CAD二维制图、三维建模及三维运动仿真。通过本课程设计的实例练习，有利于学生熟练掌握计算机辅助设计方法。现代化产品通常对产品的轻量化、经济性都有较高要求，有必要培养学生相关的设计思想及设计技能。学生可在老师指导下利用现代设计方法中的有限元法和优化设计进行设计。这也可为学生下一步选修《机械CAD与CAE应用技术》和《现代设计理论及方法》课程打下基础；或为未选修这两门课程的同学提供入门教学，有利于学生在后续毕业设计及走上工作岗位后快速掌握这两种现代设计方法。通过上述分析，拟选计算机辅助设计、有限元法和优化设计三种现代设计方法应用于《机械设计》课程设计中。
二现代化设计方法的具体实施措施
结合学生软件学习情况、学生自身能力，并考虑课程设计时间因素，提出3种现代设计方法具体的实施措施。
（一）计算机辅助设计的应用实施措施
因学生基本掌握了CAD二维制图及三维建模，并对三维运动仿真有了初步入门。要求学生在理论课结束前利用三维软件完成整个减速器建模及组装（图1[6]），并在指导老师的指导下及查阅相关文献[7-9]进行运动仿真的设置。具体方法见本人论文《穿插式教学在《机械设计》理论课及其课程设计中的应用研究》[10]。计算机辅助设计软件可根据学生已掌握的软件自行选择，如AutoCAD、Pro/E、Creo、UG、CAXA等常用软件。预计2天时间完成减速器运动仿真分析。要求所有同学都必须完成减速器三维建模及其运动仿真分析。
（二）有限元仿真设计的应用实施措施
常规的课程设计时，学生是按照理论公式得到各零部件的尺寸，对于复杂结构处的局部应力强度难以进行精确校核。可通过有限元仿真对零部件，特别是应力集中处的应力强度进行精确校核。但在课程设计时学生未接触有限元仿真方法，在短时间内很难让学生熟练运用。基于此，可只分析复杂受力件析，比如仅对齿轮轴进行有限元分析。先将事先录制好的傻瓜式减速器齿轮轴有限元仿真教学视频发给学生，要求学生参照教学视频进行有限元仿真计算；考虑时间因素，要求学生只需在所设计的齿轮轴中选取一根轴进行仿真分析。预计3天时间完成减速器齿轮轴的限元仿真分析。要求所有同学都必须完成此任务。
（三）优化设计的应用实施措施
能进行机械优化设计的软件很多，如可通过ANSYS、MATALAB等具有优化模块的软件直接优化实现。然而，大部分学生前期未进行相关软件的学习，在课程设计期间也难以深入学习新的软件。此外，优化设计涉及的领域很多，可进行成本、寿命、体积、重量等多目标的优化。鉴于学生前期已进行了VC、VB、PYTHON等编程语言的学习，可建议优秀的学生利用编程软件进行重量优化，可参考《现代设计理论与方法》[3]中单级齿轮的优化实例或相关文献进行；对已掌握优化设计专用软件或自学能力强的优秀学生，可指导其利用优化软件直接进行优化。此次优化设计可以为后续《现代设计理论与方法》课程的学习进行铺垫。由于优化设计存在一定难度，只作为选做任务。
三考核改革建议
新的课程设计增加了计算机辅助设计、有限元法、优化设计（选做），则需在传统考核基础上进行改革，以体现并进而提升学生应用现代设计方法的能力。本校传统的考核方式：平时成绩占40%，期末成绩占60%。其中平时成绩主要由出勤、阶段成果检查和平时表现成绩组成。期末成绩主要由手绘图纸（一张0＃装配图和3张零件图）、手写说明书和现场答辩三部分成绩组成，依次占比30%、30%和40%。主要通过改革期末成绩考核方式来考核学生运用现代设计方法的能力。图纸资料中，考虑既要考核传统的手工绘图能力，又要考核计算机绘图能力，同时，也便于指导老师指导修改，则建议考核的图纸资料由手工图和计算机绘制图两种组成。建议草图和轴零件图保留手工绘制要求，其他图则可由计算机绘制。说明书资料可采用电子版本，内容不仅包括传统的撰写内容，还需增加三维建模、运动仿真和有限元仿真相关内容。现场答辩中，除了考查传统的设计知识外，还要求学生现场进行减速器运动仿真演示，并问询有关有限元仿真内容。改革后的期末成绩由图纸、报告、现场答辩、现代设计方法应用四部分成绩组成，依次占比30%、30%、30%和10%。此外，对于进行了优化设计分析的同学，可酌情在总分上加2~5分。
四结论
现代设计方法将是今后机械设计人员的常用设计方法，是现代设计人员必备的设计能力。作为高校，需采用多种方式培养学生的这种能力，从而满足社会对人才培养的要求。本文结合课程设计特点、学生基础和社会需求优选出计算机辅助设计、有限元法和优化设计三种现代设计方法应用于《机械设计》课程设计中，并提出了具体的实施措施，最后给出了相应的考核改革建议。本文研究的成果也可以作为其他高校《机械设计》课程设计改革的参考。
作者:肖仕红 黎伟 蒋发光 李成兵 马海峰 叶哲伟 单位:西南石油大学
