现代设计方法在工程机械专业教学中的应用

王利英,上官林建,纪占玲,韩林山

(华北水利水电学院,河南郑州 450011)

现代设计方法在工程机械专业教学中的应用

王利英,上官林建,纪占玲,韩林山

(华北水利水电学院,河南郑州 450011)

根据社会对工程机械专业人才的实际需求,建立“工程机械”专业方向的现代机械设计创新人才培养体系。该体系以现代设计方法为核心,改革工程图学教学内容,强化现代设计方法的教学和实践,并在辅助课堂教学上应用现代设计方法来提高教学质量。

工程机械;创新人才;现代设计方法;培养模式

华北水利水电学院是 20世纪 50年代末期在我国最早设置工程机械专业的 3所高校之一,在多次专业变迁过程中,学校始终保留工程机械专业方向,具有鲜明的专业特色。目前我国的工程机械已进入快速发展时期,由以前的仿制为主转为自主创新、自主研发阶段,但工程机械产品大都结构复杂、庞大,由几千个甚至几十万个零部件组成,有的重量高达上千吨,若采用传统的设计计算方法和手段,设计周期长、设计成本高,无法满足市场需求,而先进的三维数字化设计、虚拟仿真等现代设计方法以其准确、快捷和高质量的特点被越来越多的企业所采用。因此,培养高素质创新人才是时代对高等学校工程机械专业提出的迫切要求,需要从培养目标、培养方案和教学组织管理等方面对工程机械专业的创新人才培养模式进行研究与实践,加强计算机三维辅助设计、优化技术、有限元分析技术、动态仿真模拟等技术理论和实践能力培养,满足社会对应用型、复合型、创新型工程机械专业人才的培养要求。为此,必须对“工程机械”专业方向的课程体系进行整体优化,建立以现代设计方法为核心的课程群。

一、改革工程图学教学内容,强化空间构思和三维设计能力

在完成工程图学教学目标,让学生掌握基本的手工绘图、二维绘图技能和方法的前提下,一方面加强学生实际动手绘图能力的培养,另一方面培养学生空间构思能力和创新能力。将画法几何、工程图学、AutoCAD、SolidWorks等内容融为一体,增加计算机三维几何造型理论及表示方法,强化三维思维方式,通过先进行三维造型,再生成二维工程图纸来强化现代设计与表达意识。在后续的教学中以设计为主线,按设计表达所需的理论、规律及方法集成组织教学,使学生掌握现代工程设计概念。

二、增设现代设计方法的课程

现代设计方法是在继承和发展传统设计方法的基础上,融汇新的科学理论和科技成果而形成的一个知识群体,经过 30多年的发展到现在已有几十种设计方法,而教学大纲计划的授课学时是有限的,为此,需要精心策划和组织教学内容,精心选择教材和教学内容,最终确定以学科基础课《现代设计方法》为基础,以《有限单元法》、《优化设计》、《可靠性设计 》、《机械创新设计 》、《虚拟设计 》、《SolidWorks三维实体设计》、《Ansys工程数值模拟技术》、《机械运动仿真模拟技术》、《人机工程学》、《并行工程设计》为专业任选课的核心课程群。充分利用三维设计软件的集成性,开设 CAD/CAM/PDM课程,使学生了解和掌握现代工程设计、分析、仿真、制造的全过程,培养学生现代工程素质和创新能力。

三、将有限元、优化技术、仿真技术引入到相关课程教学当中

将已完成的 DF50/160架桥机、DF900架桥机、DPG500铺轨机、动力平板车等科研课题的三维建模、优化设计、有限元分析、动态仿真模拟技术以浅显易懂的形式贯穿到《起重机械》课程案例教学当中,将深奥的理论融入到具体的工程实例当中,简单明了,启发学生举一反三,提高学生就业的实际技能。

四、利用现代设计方法进行毕业设计

毕业设计是培养学生综合运用所学基础理论、专业知识与技能,独立分析和解决问题的能力,使学生受到科学研究和工程设计的基本训练,达到专业素质培养目标的重要实践环节[1]。在 2004～2009届毕业设计当中,指导教师精选设计对象让学生利用现代设计方法完成相应的产品设计。因为毕业设计时间有限,为了让学生能圆满完成毕业设计任务,所给的命题一般都是以前完成的科研项目,如剪板机、架桥机、起重机等。首先将以前设计的产品演示给学生,让学生对该产品结构及运动过程有初步的认识,了解其设计计算流程;然后更改设计参数,确定学生设计的具体对象。学生首先进行机械结构的功能分析、概念设计、设计方案的对比论证,然后应用 SolidWorks、Pro/E、UG等三维设计软件进行零部件的建模,建立装配结构的实体模型;再对虚拟样机进行分析评价,应用 Ansys有限元分析软件对关键零件和主体结构进行边界处理、设置约束条件、输入载荷数据,建立求解模型,对其进行力学性能分析、疲劳分析、模态分析,最后进行结构优化分析计算,获得最优解。通过这样一个综合性的工程设计训练,使学生对工程机械产品的设计过程有了全面的了解,并领会到现代设计方法的先进性。

五、现代设计方法在辅助课堂教学上的应用

借助三维设计软件,利用虚拟现实技术,开发数控机床及其编程仿真系统,在计算机上模拟数控机床的控制系统、操作、编程和加工过程、故障检测;利用三维建模技术,建立复杂机械产品的三维模型,动画模拟其拆装过程、机构运动过程;利用MATLAB、LABV IEW软件开发虚拟仪器、虚拟仿真系统,实现对难以用语言描述的结构变化、形成过程等以动画形式直观体现出来,以提高教学的起点和授课信息量,提高教学的质量[2]。

以《机械原理》连杆机构课堂教学内容为例,以前老师讲课只能在黑板上画机构的一两个位置,急回、慢进、偏置等运动状态完全依靠老师的讲解和学生的想象,空间思维差的学生只能死记硬背,很难根本理解。借助三维设计软件,建立四连杆机构的装配体模型,动画模拟各个运动情况,让学生生动、形象地了解运动情况及产生的原因,学生既容易理解,还记得牢,深受学生的欢迎。

我校工程机械专业独具特色的“工程机械驾驶实习”和“工程机械拆装实验”因招生规模的扩大学校投入的减少等多方面原因也面临困境。利用三维设计软件建立装载机、挖掘机等工程机械模型,在电脑上完成这些机械产品的拆装和模拟驾驶操作,既能减少设备投资,避免一人操作,别的学生无法动手的现状,还能减少拆装困难,减少学生磕碰工伤事故的发生,达到生动、形象地了解其结构组成、运动方式和动手操作的教学目的。

经过近 5年的实践,并通过对到郑州大方桥梁机械有限公司、国电郑州机械设计研究所的毕业生跟踪调查表明,加强现代设计方法在工程机械专业上的教学和实践比重,使学生能够更好地满足社会需求,更能突出我校工程机械专业学生“用得上”的办学特色。

[1]白晓虎,张祖立,辛明金.现代设计方法在机械类专业毕业设计中的应用[J].中国现代教育装备,2008,(9).

[2]黄长浩.浅探机械专业实践教学改革 [J].职业教育,2009,(10).

Abstract:According to the times and communities’actual needs of the mechanical engineering professionals,the modern mechanical design innovative personnel training system in"mechanical engineering"professional direction is established.This system is in modern design method for the core,refor ming of the engineering graphics teaching content,strengthening the teaching methods of modern design and practice,and improving the teaching quality by the application ofmodem design methods in the auxiliary teaching.

Key words:Engineeringmachinery;Innovative talents;Modern design methods;Trainingmode

(责任编辑:宋孝忠)

The exploration and practice of tra in ing mode in mechan ical engineering innovation talents

WANGLi-ying,SHANG GUAN Lin-jian,J I Zhan-ling,HAN Lin-shan
(North China Institute of W ater Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou450011,China)

G642.0

A

1008—4444(2010)04—0161—02

2010-06-25

华北水利水电学院教改项目 (20090023)。

王利英 (1962—),女,河南郑州人,华北水利水电学院机械学院高级工程师。