机械设计课程引入衍生式设计方法的探索与实践

李一浩 吴昊 张琦

[摘           要]  以机械设计基础课程大纲为出发点，分析传统教学中对学生创新思维培养存在的问题。为加深学生对机构创新设计及优化的理解和拓展应用，将衍生式设计教学融入传统课程教学中，引导学生发挥想象，对一些常用的机械机构进行衍生式设计，使其更加富有创意和个性化。通过此类教学方法，使学生可以更直观地掌握和巩固所学知识、拓展设计出创新机构，为学生在将来的产品设计中可以解决实际工程问题打下坚实基础。

[关    键   词]  机械设计;衍生式设计;教学改革;创新意识

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）36-0076-02

一、课程教学中存在的问题

机械设计基础作为一门兼顾理论知识和实践设计的综合性课程，兼具理论性、实践性和知识综合性的特点。目前课程教学中，通常强调的是理论知识部分的学习，对实践设计强调的力度不够及课程实验学时过少，导致学生在机构创新设计和应用方面思考较少，不能够独自设计一些非标件或是考虑已有机构的应用场景，这是学生学习的薄弱点。因此，本文将“衍生式设计方法”穿插引入在当下的课堂理论教学与实验实践设计中，使学生在学到书本理论知识外，也能积极地思考机构应用和创新设计的全局问题，从而提高教学质量。

二、采用衍生式设计以培养学生创新素质和解决实际工程问题的能力

衍生式设计（Generative Design），不同于传统的设计方法，这是一种在设计过程中模仿自然进化的设计方法。衍生式设计的概念和想法最早由Frazer在20世纪70年代提出，Fracalanza等人使用了衍生式设计方法设计了机器人手臂并且对其进行了优化。它采用深度迭代遗传算法，将功能强大的分析工具引入前期设计流程，根据零部件的承载进行应力分析和拓扑优化，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性部位的材料，同时利用已给定的设计规则计算出多种设计变体，设计者可从中找到功能和性能符合要求的解决方案。

衍生式设计方法的三大优势：（1）减重，衍生式设计以最小化质量为目标，使用保证高性能标准的材料，可满足工程和制造的限制;（2）改善性能，可以改善或优化产品机构的耐用性，消除脆弱点;（3）减少零件数，衍生式设计可以把多个零部件合并成一个零件。将这三个特点融入机械设计基础课程的理论知识结构，同时也为大学生学习有限元分析、工程材料及数控加工等知识提供了一定的帮助。

三、衍生式设计在课程教学中的应用实例

衍生式设计方法依托于Fusion 360软件。Fusion 360是美国Autodesk公司开发的一款集设计、制造及使用为一体的云设计平台。该软件广泛应用于工程机械、航天航空、汽车工程等领域。衍生式设计模块通过定义设计目标的结构载荷和应力、体积和尺寸要求、安装方式和位置限制、材料选用、制造方法和安全系数等参数，利用基于遗传算法和云计算能力，同时生成多个满足产品性能要求的结构模型，并通过提供多种方式对不同的设计结果进行对比分析，过滤和选择满足需求的结果。本文以生活中常见的摩托车三角轧头为例，探讨分析衍生式设计在该课程教学中的具体应用。图1是三角轧头在摩托车前叉的位置，使用衍生式设计的目的是重新设计摩托车三角轧头。在保障性能要求的同时，以达到大幅减轻重量并选择最佳制造方法的目标。

（一）创建基本单元模型

建立前叉支杆的基本模型，为制作轧头做定位作用;建立轧头的必备单元，以确保衍生后的轧头能与前叉保持准确的配合关系;同时还要建立空间限制隔板，以保障衍生后的轧头能在预定设计范围内。将建模中的倒角等细节简化，使模型达到合理的最简状态。

（二）划分设计空间

衍生式设计需要划分保留几何图元和障碍物几何图元，保留几何图元是指新设计的部件中必要的组成元素，障碍物几何图元是指现已存在的区域或需要限制新设计部件几何尺寸的区域。在本案例中，前叉支杆属于已经存在的物体，为障碍物几何图元;轧头必备单元是新设计的轧头中所必需的一部分，为保留几何图元;两块方隔板用来限制新轧头的生成空间，为障碍物几何图元。

（三）添加设计条件

添加结构约束和结构载荷，计算机会根据约束和载荷生成相应的符合条件的计算结果。将轧头必备单元中间部件的内壁面分别在x、y、z轴方向上完全固定。所施加的结构载荷分别有系统内部所有构件的自重及受到沿前叉支杆方向上的压力。

（四）设定设计标准

设计标准包括设计目标、制造方法和选定材料。设计目标分为最小化质量和最大化刚度两种选择，这里我们要求的是减轻轧头的质量，所以选择最小化质量为目标并取其安全系数为2。制造方法是衍生后的新轧头的制造方法，有无限制、增材、铣削、两轴切削和铸造共5种加工方式，选用这5种加工方式进行设计。在制造方法選择的同时，也可以设置产量，拟定产量为500件，以便预估加工成本。选择材料是为新设计的轧头选择加工材质，材料可以在材料库中选择，本次选择铝6061、铝7075、不锈钢316L和钛6AL-4V等材料，这些材料都是平时常用的材料。

（五）生成及查看结果

在完成以上步骤后，通过预检查确保各种设置满足要求，检查无误后，可以提交衍生式设计的计算，计算机在云端处理完毕后，经过多次衍生迭代，会自动生成结果。整个衍生过程处于监视状态，可以实时查看衍生的情况。计算完毕后，浏览生成结果，（见图2）。在缩略图显示中可以按照处理状态、分析、视觉相似性、制造方法、材料、价格、质量和体积等多种排列依据来自由组合浏览视图。

除缩略图显示外，还有特性视图、散布图视图和表视图等显示方案。特性视图即是在缩略图视图的下方增添衍生的信息方案，显示出模型和具体参数（见图3）。

通过不同的视图，使用者可以从不同的衍生方案中挑选满足实际情况的模型，将合适的方案导出，再配合相应的加工方法即可生产制造。

在整个设计过程中，设计者将部分设计工作交给了计算机和云端服务器，依托人工智能的帮助，减轻设计者的工作量，这就大大降低了本科院校学生在学习使用计算机三维辅助设计软件过程中的门槛。对一些刚刚接触三维设计软件的学生来说，这种全新的设计模式和方法能让他们在了解机械零部件设计本身的同时，保持对机械零部件设计的探索欲望，能使学生更好地融入机械设计课程中。

四、结语

本文旨在探索在传统机械设计课程中引入衍生式设计技术，使课程的理论教学与实践设计环节相结合，培养学生的创造思维和工程实践能力，达到在课堂中学知识、在课后实践应用知识的目的，促进机械学科教学模式的发展。建议在机械设计基础课程中引入衍生式设计技术，以适应时代的要求，全面提高学生的创新素质和工程实践能力，培养出掌握现代设计方法的新型机械类人才。

衍生式设计技术是当下机械产品设计的先进技术，为设计者提供了多元的设计方案与创新思路，使设计不再拘泥于单一种类的数字建模。衍生式设计正迅速改变设计者创造下一代产品的方式，可以利用新的生产方式，为新产品提供性能更好、重量更轻以及满足客户独特性定制的创新設计方案。

学校引入衍生式设计技术，可与其他课程相互配合，强化学生对机械设计的认识。衍生式设计中，可利用其制图建模、应力分析、加工制造、干涉检查、动画渲染等功能，为学生学习机械制图、工程材料、数控技术和机械制造技术等课程奠定基础，培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力，全面提高学生的工程素质。

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编辑 赵瑞峰