現(xiàn)代設計方法在機械原理教學中應用

張超

【中圖分類號】G642.0 ??????【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）09-0013-01

一、現(xiàn)代設計方法

機械現(xiàn)代設計方法通常是與傳統(tǒng)設計方法比較而言。現(xiàn)代的設計方法的理論和思路處于不斷的更新?lián)Q代中，所以暫且還沒完整的界定。然而根據(jù)機械設計的發(fā)展方向，可以看出其日益與現(xiàn)代數(shù)學、力學、材料學、微電子及其計算機學科交叉發(fā)展。所以現(xiàn)代的機械設計方法是以計算機為依托、以CAD/CAM/CAE應用軟件為基礎、運用現(xiàn)代的設計理念為機械產(chǎn)品設計的一門多元交叉學科，目前廣泛應用的軟件有UG、CATIA、Pro/E、ADAMS、ANSYS、ABQUS、matlab等。

二、現(xiàn)代設計方法的特點

現(xiàn)代機械設計的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）靜態(tài)設計往動態(tài)設計的轉(zhuǎn)化。

（2）串行設計往并行設計的轉(zhuǎn)化。

（3）離散設計往系統(tǒng)設計的轉(zhuǎn)化。

（4）真實設計往虛擬設計的轉(zhuǎn)化。

（5）個別設計往系統(tǒng)設計的轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)代設計的方法優(yōu)點包括以下幾個方面：

（1）現(xiàn)代設計方法是在知識、經(jīng)驗積累的基礎之上，經(jīng)過推斷、思考、比較之后得出的最佳設計方案。

（2）大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，促使新產(chǎn)品盡早上市。

（3）通過部分參數(shù)的修改，便能達到系統(tǒng)的優(yōu)化和創(chuàng)新的設計。

（4）虛擬仿真技術(shù)的應用充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造力，利用相關(guān)的科技知識進行創(chuàng)新性的設計與構(gòu)思，設計出具有新穎的實用的機械裝置。

三、傳統(tǒng)機械原理教學中面臨的問題

《機械原理》是一門古老的學科，隨著時代的發(fā)展本課程的教學也出現(xiàn)一系列的問題，主要體現(xiàn)在以下四個方面：（1）傳統(tǒng)的課堂教學形式仍占主要地位課堂教學是傳授知識的主陣地和主渠道，《機械原理》課程內(nèi)容的廣泛性與授課方式及學時的有限性之間有矛盾，影響了學生掌握更多有關(guān)機械設計的知識，限制了學生分析、構(gòu)思和設計能力的培養(yǎng)，阻礙了教學改革進程。 （2）機械原理的教學過程中，有大量的知識點是采用基于理論力學的圖解法來解決的，對與一些機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)越多的機構(gòu)，如果采用此方法來解決，過程將是極其復雜晦澀。（3）實踐知識的匱乏?，F(xiàn)在的大學生尤其是近機專業(yè)類的，他們在平時的實踐和實驗課程中接觸機械方面的機會比較少，就是觀察到一些機械機構(gòu)與原理方面的現(xiàn)象，也不會刻意去留意。這樣的話，學習本課程，就更缺乏實踐方面的知識，甚至連感性認識都沒有。（4）現(xiàn)代設計理論及方法的出現(xiàn)。近些年來，現(xiàn)代機械設計方法取得了飛速的發(fā)展，目前常用的有：計算機輔助設計、優(yōu)化設計、可靠性設計、摩擦學設計、設計方法學設計、并行設計、人機工程學設計、虛擬現(xiàn)實、相似系列產(chǎn)品的設計、質(zhì)量驅(qū)動設計、工程反求設計和分型設計等。一個新的機械設計體系正在發(fā)展和形成，現(xiàn)代設計方法將不斷得到推廣和應用。這方面也是我們機械原理教學遇到的新的挑戰(zhàn)。（5）《機械原理》這門課程的實踐性非常強，尤其對于一些空間機構(gòu)的運動尤為突出，只憑教師口述無法達到理想的教學效果。但實際上由于學時所限，加之一般院校缺乏相關(guān)實驗、實習操作手段，很難達到上述要求。由于學生缺乏對實際機械系統(tǒng)的感性認識，所以教學效果不太理想。

四、現(xiàn)代設計方法融入機械原理教學中

1.課程教育與現(xiàn)代設計相結(jié)合注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

在機械設計中，建模方面常用的軟件有AUTOCAD、Pro/E、UG、Solidworks等。這些軟件均具備零部件的裝配及運動模擬功能。進入21世紀后，計算機集成了信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及工程技術(shù)的快速發(fā)展，對制造業(yè)和新產(chǎn)品開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)，也提供了新的機遇。經(jīng)不斷完善、長期的工業(yè)驗證并加以商品化，成為面向中國制造業(yè)的高性能繪圖設計軟件系統(tǒng)。國內(nèi)目前在制造業(yè)中使用軟件設計的設計汽車，電子，航空航天產(chǎn)業(yè)。在采用全局化系統(tǒng)理念的智能關(guān)系幾何建模技術(shù)，融合了高端三維CAD智能化的先進設計思想。撇開了CAD軟件只是取代了圖板和丁字尺的功能，機械設計中所創(chuàng)建的對象，幾何圖形具備了表達和處理設計關(guān)系、約束與特征等非圖形信息的能力，用戶能方便地對圖形可以進行參數(shù)化設計，為產(chǎn)品圖形的后期修改提供更大的靈活性。機械創(chuàng)新設計是一個傳統(tǒng)而現(xiàn)代的問題，制造業(yè)是一個國家的基礎，創(chuàng)新是制造業(yè)煥發(fā)生機的唯一可選之路，創(chuàng)新能力不是與生俱來的，是靠教育和引導培養(yǎng)出來的。為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力。必須讓學生盡量多地接觸生產(chǎn)實踐，教學過程中應理論聯(lián)系實際地分析一些具體機械中通用零部件的應用，注意觀察具體機械零件結(jié)構(gòu)設計上的特點，一方面使學生熟悉機械的工作原理，一方面逐漸培養(yǎng)學生對機械設計的興趣。引導學生學會利用各種機會通過事物的現(xiàn)象觀察其本質(zhì)。充分利用現(xiàn)代的設計手段，將傳統(tǒng)的機械原理教學更富有生機。

2.現(xiàn)代設計技術(shù)融入教學中培養(yǎng)學生的綜合分析和系統(tǒng)創(chuàng)造能力。

傳統(tǒng)的機械設計方法就是按部就班，逐層推進的設計模式。而現(xiàn)代的設計方法有并行設計以及逆向設計與嵌套式設計，系統(tǒng)化設計。其中逆向設計也是常用的方法。

逆反設計是一種從現(xiàn)有事物的原理機制的反面、構(gòu)成要素的反面或功能結(jié)構(gòu)的反面去思考、去求索，以發(fā)明創(chuàng)造的方法。它突破常規(guī)模式和超越傳統(tǒng)理論框架，把思路指向新的領域和新的客體。逆反思維體現(xiàn)了創(chuàng)造者對自然規(guī)律的深入領悟、對思維方法的高度提煉以及對創(chuàng)造意識的有力凝聚。

例如在曲柄搖桿機構(gòu)中，通常曲柄作為勻速圓周運動原動件，搖桿作變速運動從動件。應用急回特性原理，我們用的比較多的是，建筑工地的篩沙機構(gòu)和汽車的雨刮器。反之，如果以搖桿的來回搖動作為原動件，曲柄的轉(zhuǎn)動作為輸出件。典型的應用就是家庭用的縫紉機。再比如，內(nèi)燃機中的核心機構(gòu)就是曲柄滑塊機構(gòu)，它的原動件是滑塊，曲柄是輸出件，而在沖床的沖壓機構(gòu)中曲柄是原動件，滑塊即沖頭是輸出件，由于在沖破鋼板的瞬間的沖擊載荷比較大，故在設計曲柄的時候通常采用飛輪的結(jié)構(gòu)。

五、 總結(jié)

《機械原理》是一門非常重要的技術(shù)基礎課程，內(nèi)容多，課時少。研究如何解決當前機械原理教學中面臨的問題，我們一方面要從教學內(nèi)容，教學方法不斷提高和改進，另外還要培養(yǎng)在機械設計中融入現(xiàn)代的設計思想，增強他們學習的主動性為今后進行相關(guān)機械設計工作打好良好的基礎。同時培養(yǎng)學生的系統(tǒng)創(chuàng)新思維，從整體性、長遠性和綜合性的角度出發(fā)，鍛煉學生的思維模式和方式。

參考文獻

[1] 王素玲等.創(chuàng)新思維的機械原理課程教學模式的探索.黑龍江課程教學[J]，2010.