現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張付祥 李文忠

河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 河北石家莊 050018

☆課程建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)☆

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張付祥 李文忠

河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 河北石家莊 050018

分析了機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的必要性，指出了機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用范圍，舉例介紹了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用情況及應(yīng)用效果，教學(xué)改革實(shí)踐表明現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用可以極大地提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；機(jī)械學(xué)科；畢業(yè)設(shè)計(jì)

Abstract: The necessity of introducing modern design methods into graduation designs of mechanical subject is analyzed, and the commonly used modern design methods and their application area were also pointed out. Examples showed the overall status of application and its level. The teaching innovation showed that the application of modern design methods in graduation designs of mechanical subject can widely improve the eff ciency and level of design.

Key words: Modern Design Method; Mechanical Subject; Graduation Design

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)過程是實(shí)現(xiàn)本科培養(yǎng)目標(biāo)要求的重要階段，是普通高等學(xué)校培養(yǎng)人才的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院于2008年開始在機(jī)械本科專業(yè)開展了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的教學(xué)工作，幾年來該課程的主講教師在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了可喜的效果，本文將結(jié)合指導(dǎo)機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)際情況介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。

1 機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的必要性

機(jī)械學(xué)科傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)方法存在諸多問題，包括設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、設(shè)計(jì)質(zhì)量不高、復(fù)雜曲線和曲面設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)結(jié)果短時(shí)間內(nèi)無(wú)法檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)方法難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性等。另外，傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新的思想和方法，學(xué)生畢業(yè)的方案設(shè)計(jì)創(chuàng)新性普遍不高。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在繼承傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上不斷吸收現(xiàn)代理論、方法、技術(shù)及相鄰學(xué)科最新成果后發(fā)展起來的，主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、有限元法、虛擬設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、模塊化設(shè)計(jì)、反求工程、健壯性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、相似性設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、人機(jī)工程等?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以創(chuàng)新思維、動(dòng)態(tài)分析、精確計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAD為特征的設(shè)計(jì)新方法，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比發(fā)生了質(zhì)的飛躍。目前，我國(guó)普通高等學(xué)校機(jī)械專業(yè)本科教育中正在推行此方法，對(duì)于當(dāng)今機(jī)械學(xué)科大學(xué)生來說掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并提高應(yīng)用能力是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。

在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以使學(xué)生從大量計(jì)算和繪圖工作中解放出來，將更多的精力投入到創(chuàng)新設(shè)計(jì)上，從而提高畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的質(zhì)量。機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目和生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)，學(xué)生可以結(jié)合設(shè)計(jì)題目涉及的具體問題，針對(duì)性的學(xué)習(xí)相關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并在設(shè)計(jì)的過程中加以應(yīng)用。通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，學(xué)生可以增進(jìn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論素養(yǎng)和技術(shù)水平，提高設(shè)計(jì)素質(zhì)，成為未來社會(huì)的重要設(shè)計(jì)力量?！艾F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法”作為一門綜合性專業(yè)課程，具有理論難、設(shè)計(jì)方法復(fù)雜抽象的特征，對(duì)此課程而言，學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受及教師的講授都具有一定的難度。機(jī)械學(xué)科本科學(xué)生在通過對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程的學(xué)習(xí)后，在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中進(jìn)行實(shí)踐，從而加深對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的理解和掌握。同時(shí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師通過指導(dǎo)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法也極大地增強(qiáng)了對(duì)課程的把握，從而進(jìn)一步促進(jìn)課程建設(shè)。這樣教學(xué)互長(zhǎng)、教與學(xué)互動(dòng)，形成良性循環(huán)。

2 機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)課題要符合專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)基本要求，能使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，進(jìn)行工程技術(shù)工作較全面的訓(xùn)練，提高分析問題和解決問題的能力；課題應(yīng)力爭(zhēng)結(jié)合生產(chǎn)、科研和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)際且具有先進(jìn)性；畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的內(nèi)容側(cè)重于工程設(shè)計(jì)、工程技術(shù)或?qū)嶒?yàn)研究、設(shè)備調(diào)試等課題；課題應(yīng)力求有益于學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論知識(shí)與技能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神。綜合以上要求，機(jī)械專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目大量集中于機(jī)電一體化設(shè)備的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又占有相當(dāng)比重，下面對(duì)常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。

2.1 設(shè)計(jì)方法學(xué)

設(shè)計(jì)方法學(xué)（Design Methodology）是以系統(tǒng)的觀點(diǎn)來研究產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)中的思維與工作方法,研究?jī)?nèi)容包括：設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)過程及程序、設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)信息管理及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的應(yīng)用。設(shè)計(jì)方法學(xué)從系統(tǒng)觀點(diǎn)分析,把設(shè)計(jì)系統(tǒng)看作具有時(shí)間維、邏輯維和方法維組成的三維系統(tǒng),主張用并行設(shè)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的順序設(shè)計(jì)過程。方案的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方法學(xué)的重要內(nèi)容,其中功能分析法是探尋功能原理方案的主要方法,設(shè)計(jì)步驟可以分為分析、綜合和評(píng)價(jià)決策,主要內(nèi)容在明確設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上采用黑箱模型、功能樹等工具進(jìn)行功能分析,通過解法目錄等工具進(jìn)行功能元求解并列出形態(tài)學(xué)矩陣,從而完成技術(shù)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法學(xué)還致力于創(chuàng)造性機(jī)理和創(chuàng)造技法的研究,主張?jiān)趧?chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì),使產(chǎn)品增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。TRIZ理論是設(shè)計(jì)方法學(xué)中的重要?jiǎng)?chuàng)新理論,主要利用沖突及其解決原理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新,總結(jié)出40個(gè)創(chuàng)新原理和39個(gè)技術(shù)特性并列出沖突解決矩陣,具有很強(qiáng)的操作性。目前已經(jīng)有基于TRIZ理論的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,如Innovation Machine公司的TechOptimizeer,Ideation International公司的Innovation Workbench（IWB）,憶維訊集團(tuán)（IWINT, Inc.）的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新平臺(tái)Pro/ Innovator和創(chuàng)新能力拓展平臺(tái)CBT/NOVA等。采用設(shè)計(jì)方法學(xué)可以使學(xué)生在方案設(shè)計(jì)過程中提出創(chuàng)新性的技術(shù)方案、更好的解決技術(shù)問題。

2.2 CAD技術(shù)

CAD（Computer Aided Design）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。以智能CAD為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是由設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成的。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家的設(shè)計(jì)過程，采用單一知識(shí)領(lǐng)域的特定問題，把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來，盡可能多的是計(jì)算機(jī)參與方案的決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過程，從而大大地提高設(shè)計(jì)效率。CAD系統(tǒng)集成化是當(dāng)前CAD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，可以把CAD，CAM，CAPP和CAT集成為CAE計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)、制造、工藝、測(cè)試工作一體化。目前有很多成熟的CAD系統(tǒng)，如AutoCAD，SolidWorks，Pro/E，UG及國(guó)產(chǎn)軟件CAXA。這些軟件功能強(qiáng)大、各有特點(diǎn)，需要有選擇性的使用。目前，AutoCAD更多用于二維工程圖紙的繪制和二次開發(fā)；三維造型則采用SolidWorks，Pro/E和UG；國(guó)產(chǎn)軟件CAXA集成了國(guó)標(biāo)的零件庫(kù)等內(nèi)容，在二維工程圖紙繪制和二次開發(fā)中被廣泛采用。采用這些CAD軟件能夠直觀構(gòu)思零件并形成裝配體，通過產(chǎn)品虛擬裝配及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)又稱最優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimum Design），它是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為輔助工具的一種設(shè)計(jì)方法。這種方法首先確立優(yōu)化目標(biāo)，將設(shè)計(jì)問題按規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，并選擇合適的優(yōu)化算法、選擇或編制計(jì)算程序，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說，常需要根據(jù)其設(shè)計(jì)要求合理確定各種參數(shù)，如重量、體積、運(yùn)動(dòng)速度、承載力、成本等，以期達(dá)到最佳設(shè)計(jì)指標(biāo)。實(shí)踐表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良性能、減輕自重或體積、降低工程造價(jià)的一種有效設(shè)計(jì)方法，可以極大地提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)可以使設(shè)計(jì)者從大量繁瑣、重復(fù)的計(jì)算工作中解脫出來。另外，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到技術(shù)條件限制下的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)，從而得到實(shí)際最優(yōu)技術(shù)方案。常用的優(yōu)化算法包括黃金分割法、鮑威爾法、變尺度法、懲罰函數(shù)法等等，前人已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)的BASIC，C和Matlab程序，操作起來比較便利。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)學(xué)生提出了更高的要求，即要求學(xué)生得到的技術(shù)方案不僅僅是正確的，而且還是最優(yōu)的。

2.4 有限元法

有限元法（Finite Element Method）是以計(jì)算機(jī)為工具的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法，不僅能用于工程中復(fù)雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題的求解，還可以用于工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)力分析，并能準(zhǔn)確計(jì)算形狀復(fù)雜零件的應(yīng)力分布和變形，成為復(fù)雜零件強(qiáng)度和剛度計(jì)算的有利工具。有限元不但可以求結(jié)構(gòu)體的位移和應(yīng)力，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行穩(wěn)定性分析和動(dòng)力分析，求出結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)頻率、振型等動(dòng)力響應(yīng)以及動(dòng)變形和動(dòng)應(yīng)力等。目前，廣泛應(yīng)用的有限元軟件有Ansys和Abaqus等，這些軟件有強(qiáng)大的前處理（自動(dòng)生成單元格、形成輸入文件）和后處理（顯示計(jì)算結(jié)果、繪制變形圖、等直線圖、振型圖并可動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)等）程序。在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中常遇到的是結(jié)構(gòu)分析，即研究重要的工程零部件的應(yīng)力和變形問題，采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析將極大地簡(jiǎn)化工程計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可以為實(shí)際的工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

3 應(yīng)用效果分析

河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院于2008年開始在機(jī)械本科專業(yè)開展了“現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法”的教學(xué)工作，該課程的主講教師在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)整整3年了。作為教學(xué)實(shí)踐改革的試點(diǎn)在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中普遍采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同學(xué)共21人，其中設(shè)計(jì)獲得優(yōu)秀的5人、良好10人、中等4人、及格2人，其中還有2人獲校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)。學(xué)院推薦的成績(jī)格次比例為優(yōu)秀15%、良好35%、中等35%、及格15%，校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)的比例為3%，可見試驗(yàn)組成績(jī)格次明顯高于推薦格次，說明在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法取得了較好的設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐改革研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法作為先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具在機(jī)械學(xué)科本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景，常用的有效工具包括設(shè)計(jì)方法學(xué)、CAD技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元法等，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中普遍采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以極大地提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

[1] 白曉虎，張祖立，辛明金.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008，9：25～26

[2] 倪曉宇，劉英.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法教學(xué)方法的實(shí)踐與初探[J].科技教育創(chuàng)新，2008，10：226～227

[3] 王鳳岐.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用[M].天津大學(xué)出版社，2008

[4] 劉國(guó)強(qiáng).應(yīng)用CAD技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2008，11：69

[5] 張付祥，劉振宇.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的平面研磨機(jī)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2011，1

Application of modern design methods in the graduation designs of mechanical subject

Zhang Fuxiang, Li Wenzhong
School of mechanical and electronic engineering, Hebei university of science & technology, Shijiazhuang,050018,China

2011-01-04 稿件編號(hào)：1101007

張付祥，博士，副教授。

河北省教育科學(xué)研究“十一五”規(guī)劃課題“機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)踐教學(xué)的研究”（編號(hào)：O8020382）；“河北科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目”（編號(hào)：QD200936）。