三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)在機(jī)械基礎(chǔ)課教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

王本永， 劉元林， 樊秀芹

（黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

0 引言

為了加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)、學(xué)科專業(yè)建設(shè)和教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高教育質(zhì)量、科研水平和辦學(xué)效益，重點(diǎn)培養(yǎng)服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需要的應(yīng)用型、技術(shù)技能型、復(fù)合型人才。要求既具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)、專業(yè)知識(shí)，又具有較強(qiáng)的工程意識(shí)、解決實(shí)際問題的實(shí)踐應(yīng)用能力和知識(shí)在實(shí)踐中應(yīng)用的再自主創(chuàng)造、再自主學(xué)習(xí)的能力。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)作為黑龍江省重點(diǎn)特色專業(yè)，在以后的發(fā)展中被給予更高的要求，尤其是在機(jī)械基礎(chǔ)課程建設(shè)和改革上，要求積極探究教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生打好基礎(chǔ)，逐漸培養(yǎng)其具有工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。在這樣的背景下，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，本文提出通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中，從教學(xué)內(nèi)容、方法和手段上進(jìn)行研究，不僅使學(xué)生加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力，而且可以使學(xué)生掌握三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，達(dá)到了全面提升課程的教學(xué)水平和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目的。

1 機(jī)械基礎(chǔ)課教學(xué)現(xiàn)狀和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求

機(jī)械基礎(chǔ)課包括機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，開設(shè)在大一和大二學(xué)年，學(xué)生的工程意識(shí)和設(shè)計(jì)概念幾乎沒有，課程中所涉及的概念抽象、原理復(fù)雜、知識(shí)的專業(yè)性很強(qiáng)，課程的理論性和實(shí)踐性聯(lián)系緊密，學(xué)生反映難以接受和理解，是學(xué)生難學(xué)、教師難教的課程，對(duì)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段機(jī)械基礎(chǔ)課教學(xué)中存在以下的問題：

1）學(xué)生的空間想象能力不足，而教材中多采用平面圖形，缺少對(duì)應(yīng)的立體圖，阻礙了對(duì)工程圖的理解能力和表達(dá)能力的培養(yǎng)，影響了對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和掌握。

2）缺少與教材配套的實(shí)物模型，教學(xué)中所用的實(shí)物模型數(shù)量不足，不能跟隨教學(xué)內(nèi)容的更新而及時(shí)更換。實(shí)物模型的使用受到時(shí)間和空間上的限制，只能在課堂和實(shí)驗(yàn)室展示，缺乏靈活性。

3）由于機(jī)械基礎(chǔ)課存在概念的抽象性、原理規(guī)律的隱蔽性，目前常用的教學(xué)方法和手段不適合教學(xué)內(nèi)容闡述和表達(dá)，結(jié)果造成無法發(fā)現(xiàn)和理解原理背后的本質(zhì)規(guī)律，學(xué)生的認(rèn)知只是停留在文字的表面敘述上，達(dá)不到深層次的拓展，思維和視野受到了限制。

4）機(jī)械基礎(chǔ)課之間以及與機(jī)械專業(yè)課之間存在著教學(xué)內(nèi)容重復(fù)、銜接不夠完善的問題，在課時(shí)有限的情況下，影響了教學(xué)時(shí)間的合理分配，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和綜合性。

5）部分教學(xué)內(nèi)容陳舊，符合時(shí)代發(fā)展要求的新內(nèi)容沒有及時(shí)引入到課程教學(xué)中，對(duì)學(xué)生的職業(yè)發(fā)展不利。

現(xiàn)代化制造業(yè)對(duì)高校畢業(yè)生的要求是，既要有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，又能將最新的技術(shù)應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)上，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高個(gè)人的競(jìng)爭(zhēng)力。目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中，已經(jīng)不再使用圖板繪圖，而是追求綠色設(shè)計(jì)、綠色制造理念，廣泛使用計(jì)算機(jī)繪圖和測(cè)量技術(shù)，三維數(shù)字化造型和仿真技術(shù)在工程現(xiàn)場(chǎng)得到重視和推廣使用［1］。

機(jī)械基礎(chǔ)課教學(xué)中存在的不足和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為課程的教學(xué)改革指明了方向，必須盡快將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)納入到課程的教學(xué)改革中，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方案，以機(jī)械基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革為契機(jī)，推動(dòng)專業(yè)課改革建設(shè)，提升人才培養(yǎng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)及對(duì)課程教學(xué)的作用

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論不斷發(fā)展和機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)時(shí)迫切需要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、完善整機(jī)性能、縮短開發(fā)周期、降低成本等要求的背景下產(chǎn)生的，是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段的一次重大變革。采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真可以使產(chǎn)品驗(yàn)證和設(shè)計(jì)修改交替并行進(jìn)行，全方位模擬測(cè)試產(chǎn)品各組成部分的運(yùn)行狀態(tài)和整機(jī)性能，達(dá)到產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)方案，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中只用物理樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)費(fèi)工費(fèi)時(shí)、出錯(cuò)返工率高、某些性能參數(shù)無法測(cè)試的局限性和弊端。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)的有效性已為眾多的成功設(shè)計(jì)所證實(shí)，比較典型的應(yīng)用是美國(guó)波音公司的波音777客機(jī)的全數(shù)字化研制過程，其設(shè)計(jì)、裝機(jī)和測(cè)試都是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，做到了無圖紙化設(shè)計(jì)，保證一次試制成功。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，研制周期縮短了50%，成本降低了25%，此外，還有通用動(dòng)力公司全數(shù)字化機(jī)車虛擬樣機(jī)的使用，工程機(jī)械制造商Caterpillar公司采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和試驗(yàn)等［2］。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真的主要工作包括產(chǎn)品的數(shù)字化定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造等，其特征表現(xiàn)為分析設(shè)計(jì)的智能性、可視性、信息性、集成性和網(wǎng)絡(luò)性等,在具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了如下特點(diǎn)：1）能從系統(tǒng)層次上掌控產(chǎn)品的功能和行為要求。2）可以協(xié)同物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測(cè)試。3）能同時(shí)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真模擬、分析比較，從而易于得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。4）貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程和全生命周期，并隨著產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)而不斷得到完善。5）與常規(guī)的單領(lǐng)域仿真相比，涉及學(xué)科領(lǐng)域更廣，考慮問題更全面，能夠提高產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。6）支持不同工程領(lǐng)域人員對(duì)同一數(shù)字化產(chǎn)品進(jìn)行并行測(cè)試與評(píng)估。7）易于產(chǎn)品開發(fā)后期的設(shè)計(jì)更改，從而能顯著減小整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。8）降低了設(shè)計(jì)成本。

基于以上對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)，可以將其引入到機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中，并進(jìn)行研究，有助于教學(xué)質(zhì)量、人才培養(yǎng)質(zhì)量和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提高。對(duì)課程教學(xué)的具體作用可概括為以下幾個(gè)方面：

1）幫助學(xué)生建立空間立體的概念，提高課程教學(xué)的直觀性，利用三維實(shí)體建模軟件能將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為二維平面工程圖的功能，使學(xué)生易于將三維立體和二維平面聯(lián)系起來，提高了學(xué)生對(duì)工程平面圖的理解力和表達(dá)力，簡(jiǎn)化了課程內(nèi)容的教學(xué)難度。

2）利用三維仿真軟件的運(yùn)動(dòng)模擬，可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示與三維實(shí)體模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的任意參數(shù)，揭示機(jī)械工作原理背后隱藏的本質(zhì)規(guī)律，化解抽象概念的教學(xué)難度，并可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索知識(shí)的興趣。

3）用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)建立起來的虛擬樣機(jī)代替實(shí)物模型進(jìn)行教學(xué)，能夠節(jié)省大量教學(xué)時(shí)間和資金投入，增加教學(xué)的信息量，由于不受時(shí)間和空間的限制，操作起來方便靈活，通過引導(dǎo)學(xué)生參與三維數(shù)字化模型的制作，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)積極性，培養(yǎng)學(xué)生使用新技術(shù)新手段解決實(shí)際問題的自主創(chuàng)新能力。

4）三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)是工程領(lǐng)域中一種新的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段，在追求利益最大化的原則推動(dòng)下，企業(yè)推廣這種技術(shù)的使用，可使企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，降低成本，提高質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)缺少大量的掌握三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)專業(yè)人才，使得企業(yè)不能靠自身力量來解決一些關(guān)鍵問題，只能求助于科研院所或者高校，給產(chǎn)品開發(fā)帶來了諸多不便，因此將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)引入到課程教學(xué)中，既豐富了課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容，又能使學(xué)生掌握新技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，可大大提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

常 用 的 三 維 軟 件 有 CATIA、UG、Pro/E、Inventor、SolidWorks、SolidEdge等，它們各有側(cè)重點(diǎn)，但從目前的市場(chǎng)占有率來看，SolidWorks居于首位。該軟件最容易掌握，帶有很多無縫連接的功能強(qiáng)大的工程分析插件。例如，有限元分析插件COSMOSWorks、運(yùn)動(dòng)分析插件COSMOSMotion等，采用的建模核心形式為Parasolid，與一些專業(yè)仿真分析軟件兼容，所用的算法得到支持，在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)不會(huì)產(chǎn)生或較少產(chǎn)生信息損失［3］。因此，從操作靈活性和功能可升級(jí)的角度，選用SolidWorks作為機(jī)械基礎(chǔ)課教學(xué)輔助軟件。

在機(jī)械制圖課中，運(yùn)用SolidWorks先建立三維實(shí)體模型，按照三維到二維，再由二維到三維的方式進(jìn)行教學(xué)，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。復(fù)雜組合體中截交線和相貫線的表示，第三視圖的補(bǔ)畫，剖視圖中剖切面的確定和表示，裝配體中各部分的連接和裝配關(guān)系的表達(dá)等，是教學(xué)中的難點(diǎn)。SolidWorks制作組合體三維模型的過程中，能從不同角度演示截交線和相貫線，生成二維工程圖非常方便，能動(dòng)態(tài)修改剖切面的位置，多方位展示形體經(jīng)過剖切后的三維效果，通過零件的虛擬裝配和爆炸圖的建立，對(duì)裝配圖的理解更加深刻。SolidWorks軟件的應(yīng)用使得機(jī)械制圖中的難點(diǎn)迎刃而解。

在機(jī)械原理課中，可用COSMOSMotion插件輔助教學(xué)。首先通過SolidWorks建立機(jī)構(gòu)各組成部分的三維實(shí)體模型并裝配，然后轉(zhuǎn)換到COSMOSMotion環(huán)境中，裝配約束會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束，添加必要的運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)力、工作負(fù)載阻力以及COSMOSMotion特有的其它約束，建立仿真模型，就可以模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析。仿真結(jié)果可以用動(dòng)畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出，為教學(xué)質(zhì)量的提升提供了一種切實(shí)有效的手段和途徑。

在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課中，可用COSMOSWorks插件進(jìn)行零件的強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)，讓學(xué)生感知新的設(shè)計(jì)和解決問題的有效方法。用COSMOSWorks進(jìn)行強(qiáng)度校核，過程很簡(jiǎn)單，將建立好的實(shí)體轉(zhuǎn)換到COSMOSWorks環(huán)境中，添加材料，施加約束和力，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后運(yùn)行就可得到分析結(jié)果，一目了然。

4結(jié)語

將三維建模的方法和技能融合到機(jī)械基礎(chǔ)系列課程中，形成新的教學(xué)理論和內(nèi)容，能夠從根本上體現(xiàn)技術(shù)更新對(duì)課程的影響，使學(xué)生掌握三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，達(dá)到了全面提升課程的教學(xué)水平和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目的。因此，在確定具體的融合方式時(shí)，在保留原有課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)課程學(xué)習(xí)的不同階段的需要，穩(wěn)步引入三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)內(nèi)容，進(jìn)而形成完整的教學(xué)體系。

［1］ 徐建新,楊傳東.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.煤炭科技，2010（4）：72-73.

［2］ 王本永,劉春生,孫月華.液壓與氣壓傳動(dòng)課程虛擬樣機(jī)仿真教學(xué)探究［J］.黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2013(5)：56-57.

［3］ 王本永，劉春生，孫月華，等.基于三維實(shí)體造型和虛擬仿真技術(shù)的液壓與氣動(dòng)課教學(xué)資源的制作［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013（9）：11－13.