于國飛 盛精 王海兵

[ 摘 要 ] 以廈門理工學(xué)院研究生學(xué)位課程《車輛現(xiàn)代設(shè)計方法》為例，探討專業(yè)型碩士研究生的科研能力培養(yǎng)模式，針對不同專業(yè)的碩士生，選擇適合各自研究方向的車輛現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計方法，達(dá)到快速有效精確地設(shè)計車輛零部件、各總成和整車，預(yù)測分析車輛性能的能力目標(biāo)。匯總多種車輛現(xiàn)代設(shè)計方法，以歸納總結(jié)案例教學(xué)模式為主體，采用有效的教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高研究生獨立分析問題和解決問題的科研能力，使其盡快進(jìn)入所學(xué)專業(yè)研究方向的科研狀態(tài)，達(dá)到案例分析—課題研究一體化目的，為其后續(xù)順利進(jìn)入課題研究奠定良好的基礎(chǔ)。

[ 關(guān)鍵詞 ] 現(xiàn)代設(shè)計方法;專業(yè)碩士研究生;案例教學(xué);案例課題一體化

[ 中圖分類號 ] G643.2 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ] A [ 文章編號 ] 1005-4634（2018）03-0065-05 0 引言

廈門理工學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）研究生院招收專業(yè)型碩士研究生已有6屆 ，招生人數(shù)逐年增加，所招收專業(yè)以車輛工程和電氣工程為主，而研究的課題則因?qū)W生選擇導(dǎo)師不同而有明顯的差異。來自不同大學(xué)的學(xué)生，其本科階段的專業(yè)背景也有所不同，主要是以車輛工程專業(yè)、機(jī)械制造專業(yè)、汽車服務(wù)工程、汽車運用工程、電氣工程、自動化專業(yè)、材料科學(xué)與工程等專業(yè)為主?！盾囕v現(xiàn)代設(shè)計方法》課程（以下簡稱課程）是學(xué)院車輛工程專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)方案的專業(yè)學(xué)位課。首屆研究生授課時，并沒有合適的教材，而是選用機(jī)械類現(xiàn)代設(shè)計方法課程教材為試用教材，利用網(wǎng)上資料和筆者課題組多年的研究成果，歸納總結(jié)不同的車輛現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，以案例教學(xué)方式為研究生講解。從第3屆研究生開始，選擇適合車輛現(xiàn)代設(shè)計方法的教材，同時補(bǔ)充了科研新方法。

課程的教學(xué)方法以現(xiàn)代設(shè)計方法為主線，以案例設(shè)計分析方法為抓手，要求每位研究生在學(xué)習(xí)本課程各種現(xiàn)代設(shè)計方法后，掌握2～3種具體的設(shè)計方法或者綜合運用方法，并應(yīng)用到實際研究中。這種教學(xué)模式的運用，可以綜合培養(yǎng)在讀研究生科研能力，起到銜接理論教學(xué)與科研實際運用的橋梁作用，能將所學(xué)到的車輛現(xiàn)代設(shè)計方法快速有效精確地運用到實際研究中去。學(xué)院研究生院在研究生培養(yǎng)方案中明確規(guī)定，研究生在二年級階段，必須參與企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)與制造的全過程，重點結(jié)合研究課題方向參與企業(yè)實踐環(huán)節(jié)，加深理論知識的理解與運用。所以，這種科研案例分析—課題研究相融合的一體化教學(xué)模式，為每位研究生順利進(jìn)入下一階段的課題研究做好了充分的準(zhǔn)備。

1 學(xué)生分析

在講授課程之前，為了合理地組織教學(xué)內(nèi)容、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)計教學(xué)活動、選用合適的教學(xué)方法與教學(xué)手段等教學(xué)外因條件，需對研究生的基本情況進(jìn)行分析，做到真正的“因材施教”，提高教學(xué)的針對性和創(chuàng)新性[ 1，2 ]。

首先要了解每位在讀研究生的研究方向，學(xué)院車輛工程專業(yè)的研究方向有：（1）車輛安全、可靠性與整車設(shè)計工程化;（2）車輛性能試驗與檢測技術(shù);（3）車輛傳動、電控技術(shù)及其應(yīng)用;（4）車輛關(guān)鍵零部件材料、成型及產(chǎn)業(yè)化;（5）機(jī)動車污染控制與防治技術(shù)。平均每年有30%以上的研究生選擇研究方向1;選擇研究方向2～4的各占到20%左右;10%以下的研究生選擇研究方向5。每個研究方向都有合適的現(xiàn)代設(shè)計方法運用，而每位學(xué)生應(yīng)掌握設(shè)計方法的程度有所差異。目前，隨著汽車技術(shù)的日新月異，使用單一的傳統(tǒng)設(shè)計方法，如計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助分析（CAE）和機(jī)械優(yōu)化設(shè)計等方法已不能滿足現(xiàn)代車輛產(chǎn)品設(shè)計過程中的需求。應(yīng)根據(jù)汽車企業(yè)的具體需求、設(shè)計法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行必要的現(xiàn)代設(shè)計方法的更新[ 3，4 ]。在教學(xué)過程中，不斷以科研案例分析入手，引入最新的車輛設(shè)計方法：如CAE分析與優(yōu)化設(shè)計方法的結(jié)合運用;多體動力學(xué)和運動學(xué)仿真設(shè)計、穩(wěn)健設(shè)計、虛擬設(shè)計、綠色設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計等方法在車輛整車性能仿真預(yù)測分析、零部件設(shè)計、制造工藝、車輛安全、可靠性與整車性能優(yōu)化設(shè)計中的綜合運用;汽車電子技術(shù)的運用和實踐（目前該技術(shù)在汽車技術(shù)中所占比例近30%）。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

2.1 教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的車輛設(shè)計經(jīng)常運用二維計算機(jī)輔助設(shè)計CAD方法、優(yōu)化設(shè)計等，是行之有效的，但隨著車輛設(shè)計中現(xiàn)代方法與傳統(tǒng)方法的綜合運用帶來的突出成果，研究生們經(jīng)過多渠道不斷接受大量科技信息，也促使教學(xué)方法和教學(xué)手段的不斷更新與改進(jìn)。筆者在近幾年的研究生專業(yè)學(xué)位課程教學(xué)中，綜合運用“四新”方法，即新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法的講解，不斷更新講義、教案和PPT，并以科研課題研究過程中用到多種綜合方法為教授本課程的主線，以科研案例分析為主導(dǎo)。在課程開始前，熟悉學(xué)生的主要研究方向，將當(dāng)屆的研究生進(jìn)行大分類，使學(xué)生以研究方向為切入點，熟悉和掌握2～3種設(shè)計方法和流程，通過收集整理相關(guān)的資料，完成小、大作業(yè)，將自己的研究成果或者階段性的研究成果匯總成技術(shù)總結(jié)報告并撰寫小論文，將現(xiàn)代設(shè)計方法運用到實際科研課題中，提高研究生運用各種現(xiàn)代設(shè)計方法解決問題的能力和技巧，使他們能夠順利進(jìn)入課題的研究階段。

為達(dá)到理論與實踐的緊密結(jié)合，學(xué)院為教師和研究生搭建了從事科研的“車輛CAE性能安全可靠性檢測研發(fā)平臺”，該平臺由動力傳動裝置、變頻驅(qū)動裝置、應(yīng)力、扭矩、位移、溫度測量裝置、雙通道電液伺服控制裝置、圖像采集裝置、PLC控制器、32通道動態(tài)應(yīng)變儀、微位移發(fā)生裝置、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置、側(cè)翻試驗臺和移動式碰撞試驗臺等 20多個獨立的試驗裝置組成。除此之外，研究生院不定期召開科研講座和研討會，組織參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流會議，開闊研究生的視野，使他們掌握各自研究領(lǐng)域最新科研動態(tài)。

2.2 課程中的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

通常在課程的開始環(huán)節(jié)，先了解學(xué)生對汽車法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方面的認(rèn)識情況。學(xué)生一般認(rèn)為這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)從事標(biāo)準(zhǔn)工程師的工作范疇。所以，近幾屆，無論在本科生還是研究生的教學(xué)中都反復(fù)強(qiáng)調(diào)車輛設(shè)計中涉及到的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的重要性和意義所在，要求學(xué)生到校圖書館或者實習(xí)期間到企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化室學(xué)習(xí)有關(guān)的約定要求，強(qiáng)調(diào)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)在汽車產(chǎn)品設(shè)計中是第一要素，如果某一設(shè)計環(huán)節(jié)不滿足要求，就會造成此種車型無法公告走向市場[ 5 ]。教師由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生查閱學(xué)習(xí)有關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，如車身上部結(jié)構(gòu)安全性、側(cè)翻法規(guī)、安全座椅法規(guī)、排放等方面的要求。而對于非車輛專業(yè)的研究生，可根據(jù)各自專業(yè)的課程特點進(jìn)行相關(guān)約束標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)，這樣后續(xù)進(jìn)行設(shè)計可以有規(guī)可循、有據(jù)可查。

2.3 教學(xué)過程

1） 在課程教學(xué)過程中，教師精煉傳統(tǒng)設(shè)計方法的授課課時，預(yù)留部分自學(xué)內(nèi)容。同時，還開設(shè)了《車輛試驗與檢測技術(shù)》課程，配合理論教學(xué)，通過試驗檢驗設(shè)計的可行程度，做到理論和試驗同樣重視。

2） 課外自學(xué)部分新方法，并通過查找文獻(xiàn)資料舉例說明此方法在車輛設(shè)計環(huán)節(jié)中的具體運用效果。

3） 針對不同研究方向的研究生，自選某種或幾種現(xiàn)代設(shè)計方法運用到所研究領(lǐng)域中。以大作業(yè)的模式，用現(xiàn)代設(shè)計方法完成研究方向課題。

4） 針對每位研究生的課程研究內(nèi)容進(jìn)行一一檢查、點評和互評，給出成績，同時，根據(jù)教師的經(jīng)驗給出一些合理化建議。

2.4 教學(xué)方法改革

為保證各個章節(jié)的教學(xué)質(zhì)量及其連貫性，由多個教師共同完成本課程。根據(jù)教師研究課題方向的不同，講授自己最擅長的內(nèi)容、設(shè)計方法及流程，每位教師負(fù)責(zé)2～3章節(jié)的內(nèi)容，再由一個經(jīng)驗豐富的教師進(jìn)行系統(tǒng)把握和貫穿。這樣既可保證整個教學(xué)環(huán)節(jié)的完整性和系統(tǒng)性，又減少由于教學(xué)內(nèi)容寬廣，教師對不熟悉知識領(lǐng)域理解不深刻的問題。學(xué)院研究生院既定的車輛工程專業(yè)培養(yǎng)方向有5個，每個研究方向都有對應(yīng)采用的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，具體如表1所示。

在實際運用中，一個研究方向的問題可用一種或多種現(xiàn)代設(shè)計方法與理論結(jié)合得到解決;而同一種設(shè)計方法與理論也可以解決多種不同問題。將現(xiàn)代設(shè)計方法與理論結(jié)合的傳統(tǒng)設(shè)計方法能解決企業(yè)的一些實際問題。在教學(xué)中，以科研案例為引導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)、說明多種設(shè)計方法的綜合運用是解決科研課題的最佳途徑。

3 案例分析

學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院有相當(dāng)一部分的教師和研究生從事車輛輕量化設(shè)計、車輛被動安全設(shè)計和汽車電子控制等方面的課題研究，在這些方面積累了豐富的經(jīng)驗。從車輛外部造型設(shè)計到內(nèi)部的總布置設(shè)計，從零部件的安全設(shè)計到整車結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計等，都必須用到傳統(tǒng)的CAD軟件，而結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核分析、整車的碰撞、NVH、疲勞耐久性、流場分析和熱管理分析及各種性能預(yù)測分析等行業(yè)需求的研究內(nèi)容，又需要用到計算機(jī)輔助分析的各類軟件幫助實施，因而要求研究生深入學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識和有關(guān)軟件的操作技巧。

3.1 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)以車輛聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法為例，說明其設(shè)計的全過程。車輛優(yōu)化設(shè)計的主要流程[ 6 ]如圖1所示。

車輛優(yōu)化設(shè)計的主要流程依據(jù)研究對象的不同而有所差異。學(xué)院自主設(shè)計研發(fā)了一款電動觀光導(dǎo)覽車，從設(shè)計、分析、制造都由教師指導(dǎo)，本科生和研究生共同完成。圖2所示是電動車車架優(yōu)化設(shè)計的過程截圖。通過優(yōu)化設(shè)計后的電動車車架的變形和應(yīng)力值都在材料強(qiáng)剛度允許的范圍內(nèi)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。同時利用學(xué)校試驗室儀器測試必要輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計參數(shù)修改調(diào)整和優(yōu)化。隨后兩屆的研究生繼續(xù)以此為研究對象，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和參數(shù)靈敏度分析方法，達(dá)到更優(yōu)的設(shè)計效果，并將設(shè)計方案應(yīng)用到新一代電動觀光導(dǎo)覽車設(shè)計中。在企業(yè)實習(xí)的研究生用該聯(lián)合優(yōu)化方法解決客車輕量化設(shè)計問題，并運用到客車企業(yè)的實際生產(chǎn)中。

通過具體案例的典型分析過程，結(jié)合小例題的運算和計算結(jié)果的后處理過程，使研究生對車輛優(yōu)化設(shè)計的流程有了感性認(rèn)識，再經(jīng)過后期課題實戰(zhàn)的鍛煉，很快就可以成為利用CAE軟件與CAD設(shè)計結(jié)合進(jìn)行車輛優(yōu)化設(shè)計的能手。

3.2 電子器件的結(jié)構(gòu)—熱耦合分析—動態(tài)分析

所有設(shè)計方法的正確運用均需要理論知識的充實，鑒于研究生生源不同，所學(xué)專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課程存在差異，涉及到的車輛現(xiàn)代設(shè)計方法，不單單需要靜動態(tài)的設(shè)計，更需要進(jìn)行多場耦合分析，機(jī)械壽命、電壽命等性能是企業(yè)更迫切追求的指標(biāo)，企業(yè)更加關(guān)注這些指標(biāo)的達(dá)成度。以純電動汽車中用到的汽車關(guān)鍵零部件的設(shè)計過程為例，該過程包括結(jié)構(gòu)的有限元分析與熱場耦合分析電磁場與結(jié)構(gòu)力的耦合分析。結(jié)合優(yōu)化設(shè)計方法，使該型號電子產(chǎn)品質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，運動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力和磁場力達(dá)到合理匹配，機(jī)械壽命和電壽命等指標(biāo)均達(dá)到國外同類產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，滿足企業(yè)的設(shè)計要求。車用電子產(chǎn)品的設(shè)計分析過程中變形、熱場和動態(tài)設(shè)計的結(jié)果如圖3所示。

3.3 穩(wěn)健性設(shè)計與動態(tài)設(shè)計的結(jié)合

穩(wěn)健性設(shè)計方法是由日本著名質(zhì)量管理專家山口玄一博士創(chuàng)立的質(zhì)量管理新技術(shù)，是最新穎、科學(xué)、有效的現(xiàn)代設(shè)計方法之一，依據(jù)對產(chǎn)品設(shè)定的某些優(yōu)化目標(biāo)，通過動態(tài)設(shè)計和方法達(dá)到對產(chǎn)品的低成本、高效益的質(zhì)量管理。將穩(wěn)健性（魯棒性）設(shè)計方法運用到車輛制動系統(tǒng)中制動器關(guān)鍵參數(shù)的匹配優(yōu)化，并在優(yōu)化前后通過試驗驗證了制動器動態(tài)設(shè)計的效果，解決了此型號制動器低速制動噪聲問題。表2是利用穩(wěn)健性設(shè)計方法對有制動噪音的制動器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

利用穩(wěn)健性設(shè)計方法可以快速得到設(shè)計對象的性能參數(shù)值，通過排列組合獲得多組仿真試驗方案，經(jīng)過對比仿真試驗結(jié)果，輔以可行的試驗測試技術(shù)和動態(tài)設(shè)計方法，可以達(dá)到理想的設(shè)計效果。

4 結(jié)束語

課程以案例式教學(xué)方式為主，集合多名有實際課題運作經(jīng)驗的教師為主講，教學(xué)過程中避免“重理論、輕試驗、重課內(nèi)、輕課外”現(xiàn)象[ 7，8 ]。針對每種現(xiàn)代設(shè)計方法，都有實際案例的運行結(jié)果演示給學(xué)生，加深理論知識的理解與運用，讓每位研究生結(jié)合自身研究方向（具體的研究課題），選擇合適的設(shè)計方法，或者綜合設(shè)計手段，解決實際問題，提高學(xué)生獨立思考問題、解決問題能力，使其盡快進(jìn)入課題的研究階段。而研二階段的企業(yè)鍛煉，更加鞏固了現(xiàn)代設(shè)計理論與方法的實戰(zhàn)運用。該培養(yǎng)方式對實施研究生教育機(jī)制改革、提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的示范意義。

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Research ability of master degree training practical application based on modern design methods

—For modern design methods of vehicle course as an example

Yu Guo-fei1，2，Sheng Jing1，2，Wang Hai-bing1

（1. Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology School ，Xiamen， Fujian 361024， China; 2.Collaborative innovation Center for R&D Coach and Special Vehicle of

Xiamen Fujian Province， Xiamen， Fujian 361024， China）

Abstract Using Xiamen University of Technology school′s "modern design method of vehicle" in master′s degree course as an example， to discuss the scientific research ability of the professional master graduate student. For different degrees master student， choosing modern design methods of the vehicle to fit their research direction， to achieve efficiently and accurately design spare parts of vehicle， assemblies and the whole vehicle， and also be able to predict and analysis vehicle performance. To sum up a variety of modern vehicle design methods， using the conclusion of teaching model as the main part and adopt effective teaching methods and teaching approaches， improving graduate student scientific research ability of independently analyze and solving problems， also lead students to enter the scientific research attitude of their majoring research direction. To achieve the purpose of case analysis - project research integration， and lay a good foundation for their future case research.

Keywords modern design methods; master′s graduate student; case teaching; case-project integration