数字化仿真实训探索

摘 要 随着数字化、信息化和智能化的高速发展，基于数字化平台，机械制造已逐步演变为机械智造，对应的产品设计环节也发生巨大变化。以三维数字化仿真实训课程为例，阐述该课程的课程目标、课程内容、教学实施步骤，并提出考核方法和评价标准，以满足机械智造对应用型高校人才培养的新需求。通过实训成果和校企合作的调研，该课程已经获得积极的反馈。

关键词 三维数字化仿真实训；有限元分析；实践教学；三维软件

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-0-04

0 引言

党的十六大报告提出“走新型工业化道路”[1]，国内制造业从设计到生产开始步入数字化阶段，三维软件逐步在企业中得到应用和普及。相对于传统设计工具，三维软件可大幅提高设计效率、节省成本、缩短周期[2]。与此同时，国内各高校机械制造专业相继开设了三维数字化、数字化设计与建模和三维数字化设计实训等课程。从企业到高校，三维数字化平台已趋于普及[3-4]，但这个阶段无论院校开设课程还是企业三维数字化应用，大部分停留在建模、装配和工程制图等方面。

随着《中国制造2025》的提出，企业对产品的设计制造提出更高的要求。企业发展讲究效率，较短的时间内完成产品的检验测试能够快速满足产品上市，今天还在设计师的概念中，一夜之间经过软件验证的产品已经成型。对于创新产品的开发更是如此。高速发展的制造业需要现代化的开发工具和手段作为支撑，单一三维软件的建模、装配和工程制图等基础应用显然已不能满足发展需求，数字化设计进入新的转型期[5]。

工科院校应尽早建立数字化仿真实训课程，为社会输送高端设计人才。上海电机学院通过广泛调研、认真论证，开设了三维数字化仿真实训课程。

1 三维数字化仿真实训课程的设计

三维数字化平台下的产品开发相对于传统机械

设计，融入了更多CAE（Computer Aided Engineer-

ing，计算机辅助工程）元素，其核心思想是基于三维软件，设计中实时通过运动仿真检验产品的功能或工艺性，实时完成重要受力件及产品的有限元分析，所获取后处理结果反过来指导并优化完善产品结构。这些元素的融入为设计注入了灵魂，使得产品设计不再仅仅停留在概念阶段。设计师无须再依赖烦琐的手工计算、实验验证或经验数据就能够直接获取产品的各项性能指标，从而缩短产品开发周期，能更好地满足工程要求。融入了三维软件的运动仿真和有限元分析的现代产品数字化设计如图1所示。

依据现代产品数字化设计流程，结合企业实际需求和对学生技能的培养要求，三维数字化仿真实训课程设立四个目标，如表1所示。

根据课程教学目标，课程团队通过校内校外资源整合，以UG NX三维软件为载体，开展相应教学活动。制定了具有自身特色的教学内容。

2 三维数字化仿真实训内容

实训内容涵盖三维软件（UG NX）学习、案例分析、学生实操、报告撰写和企业评价，具体如表2所示。从三维数字化仿真实训的内容看，通过校企导师联合指导，以接近产品实际的工况完成基于三维软件的模型建立、运动仿真、有限元分析和技术报告撰写为具体实训形式；以企业产品案例为辅，以学生实际学习掌握三维软件的高级CAE模块为主，最终使学生具备基于所学三维软件（UG NX）优化设计企业产品的实践能力。

3 三维数字化仿真实训教学实施

根据上述教学内容，笔者所在教学团队制定了较有特色的教学方法和实施步骤，如表3所示。教学项目整体围绕学生展开，课内课外服务到位，校内校外共同指导，将传统案例与企业实际案例相结合，并通过企业模式进行考核和答辩，鲜明地体现了实践教学的本质。

3.1 线下授课，线上答疑

三维数字化仿真实训属于操作类实践课程，授课地点在CAE实验室。三维软件实操类课程教学采用线下面对面授课比较合理，三维软件命令的使用方法、基本流程的操作过程需要实时解答和沟通。实训课时分配应相对集中，可以选择整个上午或者整个下午四个课时集中到一起，这样可以更好地学习和巩固。比较复杂的整机模型对于基础稍差的学生来讲，可能几个小时都难以完成。

三维软件仿真模块和有限元模块的学习以案例的操作作为主要手段，用到的重要命令专门讲，简单命令课下自学，这种方式既节省时间，又提高了软件学习质量。课堂教学的核心是对应模块操作步骤的详细讲解和特殊条件下各种边界条件设置

技巧。

为了解决部分基础差的学生学习困难的问题，本门课程所有例题均会录制视频并上传学生群，同时在群内答疑，还会发布相关视频、教材、网络学习资料等供学生自学和提升。

3.2 选择具有企业经验的校内教师授课

三维软件作为一种工具，体现的是操作者的意图，软件操作水平和产品设计理念不是正相关。前者代表了操作者的熟练程度，而后者则基于工厂实际、生产制造等条件，使用软件更具有准确性和针对性。具有企业经验和产学研经历的教师在教学上更能从工程实际思路出发，授课过程中融入企业思维，解决问题更容易找到根本，甚至将产学研项目融入课堂教学，理论联系实际，不仅增强实训的实用性，也能提高学生学习的兴趣。

3.3 聘用校外企业高工跟踪指导

企业导师在所从事行业具有较前卫的认识和见解，解决问题简单有效，往往同样的问题可以用更短的时间和更有效的手段来解决。如三维数字化仿真实训之类课程，无论是运动仿真还是有限元分析，其边界条件、使用工况、各种现场参数等的建立和赋予更接近事实。另外，作为生产一线的企业员工，他们的工作的性质决定了态度，所做的一切都是要被兑现的，画的图要制造，设计的产品要生产，一旦有误，小则造成经济损失，大则出现重大事故。因此，严谨是每个企业工程师必须具备的特质，对于在校大学生来说，这种特质是需要被培养的，在本实训课程中需要企业导师全程参与。具体表现为参与课堂教学、案例指导，提供实训项目，参与实训答辩和考核评价。整个过程中除了传授知识、经验，还可以传递态度，这是企业导师带给学生的不一样的感受，这些感受将会重塑学生的认知。

3.4 选用企业实际案例进行分析

教材的选用大同小异，案例也是大同小异，日常的产品无论用于仿真还是用于有限元分析，都没有带给学生太强烈的冲击和兴趣。课程所选风力发电机和万吨液压机等为常见的企业产品，前者有较为复杂的运动轨迹，其运动仿真分析具有一定难度和代表性，叶片和轮毂形状复杂，有一定的建模和受力分析难度，后者为大吨位高载荷设备，其有限元分析对设计和优化有决定性的指导意义，液压机的运动仿真及step函数等的运用也有一定的代

表性。

3.5 企业导师主持最终答辩

最终用于考核的分析案例产品由企业导师和校内导师商讨并由企业提供技术资料，答辩由企业导师主持，可邀请企业技术人员、校内教学团队等参加。采取企业项目答辩的形式既可以体现学生提交资料的重要程度，又能够体现企业的重视程度，企业技术人员可以提问或者给出指导建议，整体氛围严肃、过程严谨，学生在这种环境中可以获得不一样的体会，这些体验为学生成长为企业所需要的人才奠定基础。

4 考核

课程考核采取平时成绩、综合实训报告与综合实训汇报（答辩）相结合的方式进行。

1）平时成绩：根据学生日常上课中完成的课内练习情况、课后作业情况、日常表现及出勤率等给出综合评价。

2）综合实训报告：根据学生提交的实训报告进行评价，主要考查报告格式是否符合要求，报告内容是否完整、是否具有逻辑性，数据是否准确，图表是否清晰等。

3）综合实训汇报（答辩）：根据学生视频演示、汇报情况以及回答问题等进行考核。

具体如表4所示。

5 三维数字化仿真实训教学效果

5.1 内容方面

实训内容饱满充实，将前期理论知识、软件知识和后期运动仿真及有限元分析的实训综合到一起，结合企业在制产品，打破传统教学模式，师生互动、小组内交流，遇到问题当面解决。以工程案例为实际，充分调动学生的积极性。通过调查反馈，95%的学生认同该教学模式，91%的学生普遍认为这种授课方式能短时间内掌握大量实用知识和技能。

5.2 学生主观能动性方面

学生完成仿真及有限元分析并输出视频文件、技术报告时，不仅获得巨大的成就感，还激发了进一步学习的强烈愿望，并对产品设计及CAE技术产生浓厚兴趣。以三维软件的建模、仿真和有限元分析等手段解决企业实际问题开展实践教学，实践教学又倒逼学生熟练掌握三维软件，需求产生动力，迫使学生主动查阅资料、相互探讨，通过视频、网络平台等积极学习、主动跟教师沟通等，进而使本门实训课程得到很好的效果。

5.3 学生成绩方面

本门课程层次分明、主线明确，从理论出发，以软件为依托，以企业产品为案例，让学生完成对应项目的建模、仿真和有限元分析。从学生提交的视频文件、实训报告及学生答辩情况来看，他们所完成的项目成果真实可靠，具备的能力清晰可见。全班40人的平均分数为82.5分，其中优秀8人，良好22人。从分数分布和学生实际答辩情况来看，成绩优秀、评价合理，为后续教学提供了参考。

5.4 企业评价方面

本门实训课程有企业导师参与，对于教学成果和答辩表现，企业导师给了较高的评价，他们还将学生成果带到企业展示并得到企业主管人员和技术人员的赞许。部分基础好的学生在企业导师的跟踪下已经具有了为企业建立三维模型、完成运动仿真分析和有限元分析的能力，也得到了企业认可，甚至有企业提前预订了部分学生。另外，企业有意愿让新进员工参与此类实训课程学习，进一步提升其理论知识水平和三维软件的使用能力。本门实训课程的实施，为学生快速融入企业提供了直接帮助，得到学校和企业的肯定。

6 结束语

新时代机械产品的设计融入了运动仿真和有限元分析等高级CAE元素，工程师在设计过程中逐步升级传统较为简单的比例法或者经验法，更加注重以运动仿真的形式表达产品的功能、以有限元分析手段完成零件的结构优化等，提高了产品设计的效率和可靠性。上海电机学院开设的三维数字化仿真实训课程既帮助学生掌握了三维软件的运动仿真和有限元分析，又融入了企业思维，让学生按照企业标准完成报告。另外，由校企双方导师授课指导，以企业产品作为教学案例，将其有效地融入实践教学，以企业导师主导答辩和评价，考核方法更接近对学生实际能力的综合考评。通过最终的成绩和调研反馈看，学生和企业对本门课程的认可度极高。

7 参考文献

[1] 江燕.“千家万套”实现中国三维CAD产业化：访中国工程院院士、国家863/自动化领域首席专家孙家广[J].中国制造业信息化，2003（8）：18-20.

[2] 张淑琴，陈钢，刘秀琴.浅谈三维CAD系统技术在企业的应用[J].山西机械，2003（4）：71-72.

[3] 邹泽昌，陈忠士.基于三维数字化技术的机械制图教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2014（10）：98-99.

[4] 徐巍.培养创新人才 探索“数字化设计与制造”教学改革[J].实验室研究与探索，2014，33（7）：218-220，235.

[5] 徐伟良，肖冰.制造业企业数字化转型基础：构建三维标准化设计环境与模板[J].智能制造，2018（5）：23-26.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.

作者简介：刘加亮，博士，副教授。