三维数字化设计和仿真技术在机械基础课教学中的应用与实践

王本永， 刘元林， 樊秀芹

（黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022）

0 引言

为了加强师资队伍建设、学科专业建设和教学基础设施建设，提高教育质量、科研水平和办学效益，重点培养服务区域经济社会发展所需要的应用型、技术技能型、复合型人才。要求既具有扎实的基础理论知识、专业知识，又具有较强的工程意识、解决实际问题的实践应用能力和知识在实践中应用的再自主创造、再自主学习的能力。机械设计制造及其自动化专业作为黑龙江省重点特色专业，在以后的发展中被给予更高的要求，尤其是在机械基础课程建设和改革上，要求积极探究教学方法、创新教学内容，使学生打好基础，逐渐培养其具有工程意识和创新能力。在这样的背景下，根据工程现场实际要求和现代技术发展状况，本文提出通过三维数字化设计和仿真技术应用到机械基础课程教学中，从教学内容、方法和手段上进行研究，不仅使学生加深对课程内容的理解，提高学习兴趣和实践创新能力，而且可以使学生掌握三维数字化设计和仿真技术，达到了全面提升课程的教学水平和创新人才培养的目的。

1 机械基础课教学现状和工程现场实际要求

机械基础课包括机械制图、机械原理、机械设计基础及其相应的课程设计，开设在大一和大二学年，学生的工程意识和设计概念几乎没有，课程中所涉及的概念抽象、原理复杂、知识的专业性很强，课程的理论性和实践性联系紧密，学生反映难以接受和理解，是学生难学、教师难教的课程，对教学提出了挑战。现阶段机械基础课教学中存在以下的问题：

1）学生的空间想象能力不足，而教材中多采用平面图形，缺少对应的立体图，阻碍了对工程图的理解能力和表达能力的培养，影响了对后续专业课程的学习和掌握。

2）缺少与教材配套的实物模型，教学中所用的实物模型数量不足，不能跟随教学内容的更新而及时更换。实物模型的使用受到时间和空间上的限制，只能在课堂和实验室展示，缺乏灵活性。

3）由于机械基础课存在概念的抽象性、原理规律的隐蔽性，目前常用的教学方法和手段不适合教学内容阐述和表达，结果造成无法发现和理解原理背后的本质规律，学生的认知只是停留在文字的表面叙述上，达不到深层次的拓展，思维和视野受到了限制。

4）机械基础课之间以及与机械专业课之间存在着教学内容重复、衔接不够完善的问题，在课时有限的情况下，影响了教学时间的合理分配，影响了学生学习的系统性和综合性。

5）部分教学内容陈旧，符合时代发展要求的新内容没有及时引入到课程教学中，对学生的职业发展不利。

现代化制造业对高校毕业生的要求是，既要有扎实的专业理论知识，又能将最新的技术应用到新产品开发上，提高产品设计质量，缩短开发周期，减少设计费用，提高个人的竞争力。目前在产品设计制造中，已经不再使用图板绘图，而是追求绿色设计、绿色制造理念，广泛使用计算机绘图和测量技术，三维数字化造型和仿真技术在工程现场得到重视和推广使用［1］。

机械基础课教学中存在的不足和工程现场实际情况，为课程的教学改革指明了方向，必须尽快将三维数字化设计和仿真技术纳入到课程的教学改革中，及时调整教学方案，以机械基础课程的教学改革为契机，推动专业课改革建设，提升人才培养的市场竞争力。

2 三维数字化设计和仿真技术及对课程教学的作用

三维数字化设计和仿真技术是在计算机技术、仿真技术、现代设计理论不断发展和机械产品开发时迫切需要提高设计质量、完善整机性能、缩短开发周期、降低成本等要求的背景下产生的，是机械产品设计方法和设计手段的一次重大变革。采用三维数字化设计和仿真可以使产品验证和设计修改交替并行进行，全方位模拟测试产品各组成部分的运行状态和整机性能，达到产品的最佳设计方案，解决了传统设计中只用物理样机进行模拟试验费工费时、出错返工率高、某些性能参数无法测试的局限性和弊端。三维数字化设计和仿真技术的有效性已为众多的成功设计所证实，比较典型的应用是美国波音公司的波音777客机的全数字化研制过程，其设计、装机和测试都是在计算机上进行，做到了无图纸化设计，保证一次试制成功。与传统设计方法相比，研制周期缩短了50%，成本降低了25%，此外，还有通用动力公司全数字化机车虚拟样机的使用，工程机械制造商Caterpillar公司采用数字化设计和仿真技术对大型设备进行改进和试验等［2］。

三维数字化设计和仿真的主要工作包括产品的数字化定义、数字化预装配、产品的数据管理、并行工程和虚拟制造等，其特征表现为分析设计的智能性、可视性、信息性、集成性和网络性等,在具体的产品设计中体现了如下特点：1）能从系统层次上掌控产品的功能和行为要求。2）可以协同物理样机对产品进行设计验证和测试。3）能同时对多种设计方案进行仿真模拟、分析比较，从而易于得到最优设计方案。4）贯穿于产品开发的整个过程和全生命周期，并随着产品的进一步开发而不断得到完善。5）与常规的单领域仿真相比，涉及学科领域更广，考虑问题更全面，能够提高产品的整体设计质量。6）支持不同工程领域人员对同一数字化产品进行并行测试与评估。7）易于产品开发后期的设计更改，从而能显著减小整个产品的开发周期，缩短产品上市时间。8）降低了设计成本。

基于以上对三维数字化设计和仿真技术的认识，可以将其引入到机械基础课程教学中，并进行研究，有助于教学质量、人才培养质量和就业竞争力的提高。对课程教学的具体作用可概括为以下几个方面：

1）帮助学生建立空间立体的概念，提高课程教学的直观性，利用三维实体建模软件能将三维实体模型转化为二维平面工程图的功能，使学生易于将三维立体和二维平面联系起来，提高了学生对工程平面图的理解力和表达力，简化了课程内容的教学难度。

2）利用三维仿真软件的运动模拟，可动态实时地显示与三维实体模型的运动状态相对应的任意参数，揭示机械工作原理背后隐藏的本质规律，化解抽象概念的教学难度，并可激发学生的学习和探索知识的兴趣。

3）用三维数字化设计和仿真技术建立起来的虚拟样机代替实物模型进行教学，能够节省大量教学时间和资金投入，增加教学的信息量，由于不受时间和空间的限制，操作起来方便灵活，通过引导学生参与三维数字化模型的制作，可充分调动学生学习的主动积极性，培养学生使用新技术新手段解决实际问题的自主创新能力。

4）三维数字化设计和仿真技术是工程领域中一种新的现代化设计手段，在追求利益最大化的原则推动下，企业推广这种技术的使用，可使企业在产品开发时，降低成本，提高质量和市场竞争力。目前国内缺少大量的掌握三维数字化设计和仿真技术专业人才，使得企业不能靠自身力量来解决一些关键问题，只能求助于科研院所或者高校，给产品开发带来了诸多不便，因此将三维数字化设计和仿真技术引入到课程教学中，既丰富了课程的教学方法、教学手段和教学内容，又能使学生掌握新技术领域的知识，可大大提高学生的就业竞争力。

3 三维数字化设计和仿真技术在课程教学中的应用

常 用 的 三 维 软 件 有 CATIA、UG、Pro/E、Inventor、SolidWorks、SolidEdge等，它们各有侧重点，但从目前的市场占有率来看，SolidWorks居于首位。该软件最容易掌握，带有很多无缝连接的功能强大的工程分析插件。例如，有限元分析插件COSMOSWorks、运动分析插件COSMOSMotion等，采用的建模核心形式为Parasolid，与一些专业仿真分析软件兼容，所用的算法得到支持，在数据传递时不会产生或较少产生信息损失［3］。因此，从操作灵活性和功能可升级的角度，选用SolidWorks作为机械基础课教学辅助软件。

在机械制图课中，运用SolidWorks先建立三维实体模型，按照三维到二维，再由二维到三维的方式进行教学，更符合学生的认知规律。复杂组合体中截交线和相贯线的表示，第三视图的补画，剖视图中剖切面的确定和表示，装配体中各部分的连接和装配关系的表达等，是教学中的难点。SolidWorks制作组合体三维模型的过程中，能从不同角度演示截交线和相贯线，生成二维工程图非常方便，能动态修改剖切面的位置，多方位展示形体经过剖切后的三维效果，通过零件的虚拟装配和爆炸图的建立，对装配图的理解更加深刻。SolidWorks软件的应用使得机械制图中的难点迎刃而解。

在机械原理课中，可用COSMOSMotion插件辅助教学。首先通过SolidWorks建立机构各组成部分的三维实体模型并装配，然后转换到COSMOSMotion环境中，装配约束会自动转化为仿真模型的约束，添加必要的运动、驱动力、工作负载阻力以及COSMOSMotion特有的其它约束，建立仿真模型，就可以模拟机构的运行状况，进行运动和动力分析。仿真结果可以用动画、图形、数据等多种形式输出，为教学质量的提升提供了一种切实有效的手段和途径。

在机械设计基础课中，可用COSMOSWorks插件进行零件的强度校核和设计，让学生感知新的设计和解决问题的有效方法。用COSMOSWorks进行强度校核，过程很简单，将建立好的实体转换到COSMOSWorks环境中，添加材料，施加约束和力，进行网格划分，最后运行就可得到分析结果，一目了然。

4结语

将三维建模的方法和技能融合到机械基础系列课程中，形成新的教学理论和内容，能够从根本上体现技术更新对课程的影响，使学生掌握三维数字化设计和仿真技术，达到了全面提升课程的教学水平和创新人才培养的目的。因此，在确定具体的融合方式时，在保留原有课程内容结构的基础上，根据课程学习的不同阶段的需要，稳步引入三维数字化设计和仿真技术内容，进而形成完整的教学体系。

［1］ 徐建新,杨传东.三维数字化设计及其应用［J］.煤炭科技，2010（4）：72-73.

［2］ 王本永,刘春生,孙月华.液压与气压传动课程虚拟样机仿真教学探究［J］.黑龙江教育：高教研究与评估，2013(5)：56-57.

［3］ 王本永，刘春生，孙月华，等.基于三维实体造型和虚拟仿真技术的液压与气动课教学资源的制作［J］.中国现代教育装备，2013（9）：11－13.