關(guān)于CAD/CAE技術(shù)的機械綜合設計性實(shí)驗教學(xué)體系的構建論文
近年來(lái)，隨著(zhù)機械科學(xué)的飛速發(fā)展，我國高等學(xué)校機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)施了寬口徑的人才培養模式，以應對21世紀人才培養的需求。在新的形勢下，機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才除了應具有開(kāi)拓創(chuàng )新精神和團隊協(xié)作精神外，還應具有很強的實(shí)際操作能力、工程設計能力、綜合應用能力、科學(xué)研究能力、獨立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。因此，利用機械綜合性、設計性實(shí)驗提高教學(xué)和人才培養質(zhì)量是實(shí)驗教學(xué)改革的方向。隨著(zhù)計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助工程(CAE)技術(shù)的出現與應用，使教學(xué)方式更加多樣化，將CAD/CAE技術(shù)運用到機械類(lèi)實(shí)驗教學(xué)中，能更好地發(fā)揮實(shí)驗教學(xué)的直觀(guān)性、實(shí)踐性、綜合性與創(chuàng )新性，從而增強學(xué)生的創(chuàng )新能力、動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題的能力。
一、CAD/CAE技術(shù)在機械設計中的應用
利用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行分析和解決問(wèn)題一般包括幾何建模、模型分析、控制參數優(yōu)化、模型與方法優(yōu)化處理、仿真分析等5大基本模塊，針對具體問(wèn)題還可能有結構分析、運動(dòng)控制等模塊。過(guò)去一款新產(chǎn)品只有等實(shí)物樣機制造完成樣品后，才能進(jìn)行實(shí)驗，得到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的第一手數據后才能對產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。而利用CAD/CAE技術(shù)，在產(chǎn)品的設計過(guò)程中，可隨時(shí)對3D模型進(jìn)行虛擬實(shí)驗，及時(shí)找出設計中的不足，優(yōu)化設計結果。在機械產(chǎn)品幾何建模方面，主要的造型軟件包括 Pro/E，CATIA，SolidWorks，AutoCAD以及北京航空大學(xué)設計的CAXA等;在機械系統建模與動(dòng)力學(xué)仿真方面，目前比較成熟的軟件是 MSC.Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS等[6];在復雜環(huán)境下對構件力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等分析方面，ANSYS軟件已經(jīng)廣泛應用在相關(guān)領(lǐng)域;在數控加工系統開(kāi)發(fā) 方 面 主 要 軟 件 有MasterCAM，Pro/E，Del睠AM等。在高校機械專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中，教學(xué)儀器和設備的`更新率遠達不到當前技術(shù)與設備的發(fā)展速度，為了適應現代機械設計方法的教學(xué)，機械實(shí)驗教學(xué)也應當引入虛擬實(shí)驗的理念與技術(shù)，將虛擬樣機技術(shù)、計算機仿真技術(shù)等現代設計方法與專(zhuān)業(yè)理論知識結合起來(lái)解決專(zhuān)業(yè)課程中的問(wèn)題或難點(diǎn)，在有限的硬件設施條件下，可極大地提高教學(xué)效果，既節省了教學(xué)成本，也縮短了設計研發(fā)的周期。
二、引入CAD/CAE技術(shù)開(kāi)展機械綜合設計性實(shí)驗需要注意的問(wèn)題
(一)建立實(shí)驗室開(kāi)放運行機制機械類(lèi)綜合設計性實(shí)驗要求以學(xué)生為主導，鼓勵學(xué)生開(kāi)拓創(chuàng )新，因此實(shí)驗室應具有開(kāi)放的實(shí)踐環(huán)境，給學(xué)生提供基本的操作工具、儀器，同時(shí)也要求實(shí)驗指導教師有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗去指導學(xué)生進(jìn)行基本零件的加工與制造。因此實(shí)驗室應健全管理機構、完善管理制度、搭建好梯度化的實(shí)驗室開(kāi)放硬件平臺，更重要的是豐富綜合設計性實(shí)驗和研究探索性實(shí)驗的內容。同時(shí)，研究生助教應加入到實(shí)驗室開(kāi)放性建設的團隊中來(lái)，調動(dòng)其積極性，統籌規劃安排實(shí)驗室值班制度。學(xué)院應進(jìn)一步完善本科實(shí)驗教學(xué)網(wǎng)上預約系統，提高實(shí)驗室的使用效率。
(二)加強實(shí)驗教學(xué)隊伍的建設建設高水平的機械綜合性實(shí)驗教學(xué)體系，必須有一支高水平的實(shí)驗教學(xué)隊伍，在實(shí)驗室改革與建設過(guò)程中，需要建立實(shí)驗教學(xué)隊伍與理論教學(xué)隊伍在教學(xué)、科研和實(shí)驗技術(shù)上相結合的有效機制，實(shí)現實(shí)驗教學(xué)隊伍的整體優(yōu)化。同時(shí)，實(shí)驗中心要制定對青年實(shí)驗員定期進(jìn)行新知識、新技術(shù)培訓的有效機制，改變實(shí)驗教學(xué)隊伍的知識結構，提高教學(xué)能力，從而提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。
(三)設置層次化的實(shí)驗內容機械類(lèi)綜合性實(shí)驗是以機械基礎實(shí)驗為基礎，以“工程制圖”“互換性與公差測量”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機械原理”“機械設計”等理論課程為先導的實(shí)踐課程。學(xué)生對理論知識掌握的層次不同，因此在實(shí)驗內容的設置上應當滿(mǎn)足不同水平學(xué)生的需求。對于基于 CAD/CAE技術(shù)的驗證性實(shí)驗和機械實(shí)例分析與設計實(shí)驗，要求學(xué)生組隊完成，是必做部分;對于典型機械設計部分，屬于完全開(kāi)放式實(shí)驗，學(xué)生自由組隊，課題可以選擇教師布置的，也可以根據情況自己選擇題目，但需要提前通過(guò)指導教師的審核;學(xué)生還可以以科技創(chuàng )新大賽為契機，如機構創(chuàng )新設計大賽、機電綜合訓練、機器人創(chuàng )新設計大賽等，選擇合適的課題進(jìn)行研究。
(四)設立科學(xué)合理的實(shí)驗考核與評定標準經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗教學(xué)訓練，學(xué)生已具備良好的專(zhuān)業(yè)素養和工程意識。因此實(shí)驗成績(jì)的評定應打破傳統的重報告、輕實(shí)踐的模式，考核方式應全面化，考核內容應包括實(shí)驗操作能力、軟件應用能力、實(shí)驗數據分析與總結能力、團隊意識及答辯環(huán)節的考核。實(shí)驗課程的考核評價(jià)體系應更加符合實(shí)驗教學(xué)的特點(diǎn)，有效調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的積極性，應全面地、綜合地對學(xué)生參加實(shí)驗教學(xué)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行考核。因此建立科學(xué)合理的實(shí)驗考核評定體系，有利于學(xué)生將理論知識與實(shí)際應用相結合，有利于培養學(xué)生的探究精神。
三、基于CAD/CAE技術(shù)的機械綜合設計性實(shí)驗教學(xué)體系的構建
在“機械原理”“機械設計”“金屬切削機床”等專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)過(guò)程中，各種機械傳動(dòng)裝置及機械零件涉及的理論知識較多，傳統的機械類(lèi)課程的實(shí)踐教學(xué)存在著(zhù)實(shí)驗項目少、多以驗證性實(shí)驗為主、設計選題單一、與工程實(shí)際脫節、缺乏系統性、缺少設計成分等問(wèn)題，難以培養學(xué)生的實(shí)踐能力。而綜合性實(shí)驗可測試其各種運動(dòng)參數，驗證工作原理，分析比較其工作性能，從而進(jìn)一步進(jìn)行機構選型和優(yōu)化設計。筆者將 CAD/CAE等現代設計技術(shù)與機械實(shí)驗相結合，將各門(mén)機械課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化整合，建立了典型驗證性實(shí)驗、機械實(shí)例分析與設計及典型機械設計3個(gè)層次的新的實(shí)踐教學(xué)體系。
(一)更新典型的驗證性實(shí)驗將計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與現代實(shí)驗技術(shù)應用到傳統的典型驗證性實(shí)驗教學(xué)中，可以提高實(shí)驗的綜合性與創(chuàng )新性，培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和設計能力。例如筆者將原來(lái)的機構測繪實(shí)驗更新為基于A(yíng)DAMS的機構運動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗，要求學(xué)生對機構模型進(jìn)行結構分析，然后畫(huà)出機構的運動(dòng)簡(jiǎn)圖，再利用 ADAMS對該模型進(jìn)行運動(dòng)學(xué)仿真驗證;又如通過(guò)搭建虛擬實(shí)驗平臺，讓學(xué)生在計算機上完成曲柄搖桿機構的參數設計、機構設計后，學(xué)生可進(jìn)行相應的曲柄、連桿運動(dòng)仿真測試、機構振動(dòng)仿真測試，并可對機構進(jìn)行即時(shí)運動(dòng)模擬及任一點(diǎn)的運動(dòng)軌跡仿真。實(shí)驗更新后，原本枯燥乏味的驗證性實(shí)驗與虛擬樣機技術(shù)相結合，形成了開(kāi)放性實(shí)驗，訓練了學(xué)生的軟件應用能力。
(二)增設基于 CAD/CAE 技術(shù)的機械實(shí)例分析與設計實(shí)驗高校機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室都存在著(zhù)大量陳舊的實(shí)驗教學(xué)儀器與設備，這些設備由于生產(chǎn)年代較早，加之存放時(shí)間過(guò)長(cháng)，或多或少地存在著(zhù)故障，無(wú)法滿(mǎn)足正常的實(shí)驗教學(xué)需求。北京林業(yè)大學(xué)在進(jìn)行實(shí)驗室規劃與建設時(shí)，將部分結構完整、機械傳動(dòng)系統典型的設備進(jìn)行了維護，如 YJ79插齒機、自動(dòng)包裝機等，將這些維護好的設備重新應用到教學(xué)當中，學(xué)生可對這些設備進(jìn)行拆裝、參數測量，并利用 CAD/CAE技術(shù)對其進(jìn)行幾何建模、運動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化設計�，F以 YJ79插齒機傳動(dòng)系統運動(dòng)學(xué)仿真分析為例，介紹基于CAD/CAE技術(shù)的機械實(shí)例分析與設計實(shí)驗。
(三)增設依托 CAD/CAE 技術(shù)的典型機械設計實(shí)驗經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)環(huán)節的教學(xué)，學(xué)生對 CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)有了較為全面的了解，對相關(guān)的軟件的應用也比較熟悉了，將現代設計方法與綜合課程設計相結合，從題目的選擇到實(shí)施過(guò)程，更加符合現代機械設計的思路。筆者把過(guò)去進(jìn)行的機構和零件的尺度綜合、運動(dòng)分析和動(dòng)力分析實(shí)驗改變?yōu)闄C械系統綜合設計實(shí)驗，將有生產(chǎn)背景的實(shí)際課題布置給學(xué)生，要求學(xué)生結合實(shí)驗室現有的儀器與設備，在4周的時(shí)間內，從工程的角度進(jìn)行方案設計、動(dòng)力機選擇和傳動(dòng)系統設計，利用 CAE技術(shù)對系統進(jìn)行運動(dòng)學(xué)設計，在此基礎上利用CAD進(jìn)行建模、零部件工作能力設計和結構設計，建立由三維設計到二維設計的新模式。
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