机械类专业学生产品三维开发创新能力培养的探索与实践

朱 昱王建萍

1.南通大学机械工程学院 江苏南通 226019 2.南通纺织职业技术学院机电系 江苏南通 226007

机械类专业学生产品三维开发创新能力培养的探索与实践

朱 昱1王建萍2

1.南通大学机械工程学院 江苏南通 226019 2.南通纺织职业技术学院机电系 江苏南通 226007

简要介绍了产品三维开发的范畴，论述了机械类专业学生三维开发创新能力培养体系的构成及其课程体系的主要内容，分析了培养体系在人才培养中取得的效果并探讨了实施过程中需注意的问题。

三维开发；创新能力；培养；实践

Abstract: It briefly introduced the scope of three-dimensional product development, brought out the structure and main content of cultivational system of mechanica talents’ three-dimensional product development innovationability, and analysed the effects of the construction, the focuses which should be paid attention to during the construction implementation was also discussed.

Key words: three-dimensional product development; innovationability cultivation; practice

21世纪是创新的世纪，而教育创新的核心在于培养学生的开拓意识和创新能力。创新能力的培养，并非是一二门课程就能解决的问题，它是一种观念、一个目标，也是一个过程。教学改革应在更高的层面上考虑人才培养模式，营造更加柔性、充满活力的氛围。在课程体系与教学内容及整个实践教学环节中，应注重学生的能力培养，从工程实际应用着眼，着重培养学生的创新设计能力 。

目前，基于数字化的产品开发技术越来越得到广泛应用，三维设计技术和制造方式已迅速全面地占据了传统的二维设计和制造方式领域，成为产品开发的核心。这些发展既为我国的制造业带来了革命性的变化，也给高校机械类专业人才培养工作提出了更高的要求。因此，为提高人才的适应性，加强产品三维开发创新能力培养已成为机械类专业学生培养的重要任务。

1 产品三维开发的范畴

1.1 产品的三维造型

包括三维造型理念的建立及零件造型方法的选择、装配约束方案的确定等具体建模手段的运用，充分利用参数化设计技术，完成产品的三维造型。

1.2 基于三维造型的优化设计

传统产品设计流程，各项产品的测试皆在设计流程后期进行，一旦发生问题，除了必须付出设计成本，相关前置作业也需改动，而且发现问题越晚，重新设计所付出的成本就会越高，若影响交货期或产品形象，损失更是难以估计。为了避免此类情形的发生，预期评估产品的特质便成为设计人员的重要课题。

1.2.1 行为建模

“行为建模”是软件提供的一组包含执行模型的多种分析并将分析结果合并到模型中的工具，能够实现按所需解决方案来修改模型的设计，便捷地进行优化设计。使用“行为建模”工具可以完成下列工作：

（1）创建基于模型测量和分析的特征参数；

（2）创建基于模型测量和分析的几何图元；

（3）创建符合特殊要求的测量新类型；

（4）分析变量尺寸和参数改变时测量参数的行为；

（5）自动查找满足所需模型行为的尺寸和参数值；

（6）分析指定设计空间内测量参数的行为。

通过行为建模，能够自动实现满足约束条件下经过优化设计的产品三维建模。

1.2.2 有限元分析

在三维造型的基础上，采用有限元法进行材料、约束、载荷的设置，网格的划分，求解器的选择，完成结构分析、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析等，实现模态分析、跌落测试、冲压回弹、轧制成形、冲击分析、侵彻分析、相变分析等具体工程运用，以模拟结果作为产品改进和定型的依据。

1.2.3 运动仿真

基于三维造型，将装配件创建为运动机构并分析其运动过程。它提供的信息涉及创建和使用机构模型，测量、观察与分析机构在受力和不受力情况下的运动，进行装配检验，并进行运动学、动力学仿真，将其分析结果进行工程实际应用的可行性分析，通过快速修改设计方案，最终获得满意的设计结果。

1.3 基于三维造型的数控加工

对于异形曲面的加工，通常无法由手工编制数控程序，而是借助图形交互编程技术，使用数控语言，从零件图样或三维造型获得零件特征数据，由计算机自动地进行数值计算及后置处理，编写出零件加工程序单，加工程序通过直接通信的方式送入数控机床，指挥机床工作。自动编程使得一些计算繁琐、手工编程困难或无法编出的程序能够顺利地完成。

基于三维造型的数控加工包括加工方案与加工参数的选择、刀具轨迹的生成、数控加工仿真、后置处理等内容。

2 机械类专业三维开发创新能力培养体系的构建

2.1 三维开发能力培养体系

机械类专业学生三维开发能力的培养，不能仅靠简单地增加几门软件使用操作课程，或仅仅在原来的培养体系中增加各自独立的数字化设计类课程，而是必须在明确三维产品开发能力培养的内涵和目标前提下，从师资、教学内容、教学模式和实践环节等多个方面统一部署、系统构建并落到实处。

三维开发创新能力培养体系主干部分（如图1所示）。该体系坚持知识、能力、素质协调发展，着力加强学生的基础知识、基本理论、基本技能的培养，切实增强学生的社会适应能力、市场竞争力和后续发展力。该体系建立在“平台＋模块”基本框架的基础上，把拓宽专业口径与灵活设置专业方向有机地结合起来，包含了机械工程及自动化专业内设的设计、制造、模具、机电等方向。学生可根据自身兴趣爱好及行业需求，自主选择相关课程，完成相应专业方向的修读。

图1 三维开发创新能力培养体系主干部分

2.2 三维开发创新能力培养的课程设置

三维开发创新能力培养体系的实现依赖于以代表现有生产实践中领先应用技术的相关软件为背景的课程体系建设，部分主干课程见表1。在具体实施过程中，针对同一课程内容可开设不同软件环境下的不同课程，如参数化设计技术应用基础，可开设Pro/ ENGINEER参数化设计基础、UG参数化设计基础、Solidworks参数化设计基础等课程，学生根据兴趣可自主选择。

表1 三维开发创新能力培养体系部分主干课程

课程体系中各课程既相互独立又相互关联，表现为：横向—不同软件环境下实施的同一课程要求；纵向—以同一软件的应用为主线，串起不同要求的相应课程，实施课程群建设，如以Pro/ENGINEER、UG等软件为授课环境，整合工程图学、工程力学、机械原理、机械设计、机械制造装备及设计、模具设计、数控加工技术等课程内容，使学生在掌握相关知识的理论背景同时循序渐进，逐渐掌握零件三维造型、装配能力；受力分析、动态仿真并执行机构分析和优化设计的能力；装备设计及数控加工能力等。

课程体系突出实践教学环节，强调推进实践教学内容和方法改革，增强实践教学的系统性、整体性、综合性。各课程均包含足量的上机环节，在各阶段相关的课程设计、工程训练、创新实践、毕业设计等环节，均以若干具体项目为对象，在三维基础上完成项目。

课程体系改变了课程内容陈旧、分割过细和简单拼凑的状况，避免了课程内容重复和脱节，实现了锤炼课程、优化体系的目的，为机械类学生三维开发创新能力的培养提供了强有力的保证。

3 实践效果与探讨

在机械类专业三维开发能力培养体系的逐步实施过程中，需注重讲解理论公式与软件中相关参数设置的关系，同时需合理分配理论授课学时与上机实训学时。

将三维软件的应用作为人才培养环节的主线，将深厚的理论与具体的软件应用相结合，不但使枯燥的理论以显式的结果吸引学生的学习兴趣，更培养了学生利用先进软件工具解决具体工程问题的能力。通过近5年来三维开发能力培养体系的逐步实施，学生开拓了视野、拓宽了思路，进一步提高了创新意识及创新能力，就业竞争能力和综合应用能力得到了进一步加强。

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Research in the cultivation of mechanical talents’ three-dimensional product development innovationability

Zhu Yu1,Wang Jianping2
1.School of mechanical engineering, Nantong university, Nantong, 226019, China 2.Nantong textile vocational technology college, Nantong, 226007, China

2011-01-10 稿件编号：1101033

朱昱，硕士，副教授。