汪昌盛

摘要：機械設(shè)計作為機械學(xué)科本科專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)過程中結(jié)合工程實際案例進行講解，不僅可以明顯地提高學(xué)生理論聯(lián)系工程實踐的能力，而且可以增強學(xué)生分析和解決實際工程實踐問題的能力，從而提高學(xué)生對機械學(xué)科的熱情和對機械創(chuàng)新設(shè)計的探索。本文從機械設(shè)計行業(yè)面臨的新機遇和新挑戰(zhàn)，提出在機械設(shè)計課程教學(xué)中，需要重點關(guān)注的領(lǐng)域和案例，從而提升機械設(shè)計課程的實時性和專業(yè)性，增加學(xué)生對該課程的認可和學(xué)習(xí)熱情。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；工程案例；應(yīng)用教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0199-02

作為高等工科學(xué)校機械類本科專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，機械設(shè)計課程是學(xué)習(xí)專業(yè)課程和從事機械產(chǎn)品設(shè)計的必備基礎(chǔ)。它對后續(xù)相關(guān)機械工程的專業(yè)課程學(xué)習(xí)起到了承上啟下的作用。本課程的培養(yǎng)目標是通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生具有較強的機械創(chuàng)新設(shè)計能力、工程實踐能力。和其他先修課程相對比，機械設(shè)計課程最顯著的區(qū)別是實踐性非常強，絕大多數(shù)內(nèi)容與生產(chǎn)實踐、生活實際密切相關(guān)，因此很多內(nèi)容只有結(jié)合工程實踐案例的講解才能達到好的教學(xué)效果。

一、工程案例教學(xué)中的現(xiàn)狀

然而目前機械設(shè)計類課程教學(xué)中，重理論原理，輕實踐應(yīng)用，重傳授教學(xué)，輕學(xué)生參與。導(dǎo)致很多學(xué)生對于機械設(shè)計類課程，停留在書本理論和案例表面，無法參與實踐。

案例教學(xué)比例不合理。與國外著名工學(xué)院相對比，國內(nèi)高校工程案例教學(xué)在機械設(shè)計教育中所占比例還很少，不能滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。以美國密歇根大學(xué)機械學(xué)院為例，機械設(shè)計類教學(xué)中，從工程案例出發(fā)進行教學(xué)實踐，比例高達80%多，30個學(xué)時的課程，理論講述只有2—6學(xué)時，剩余全是工程案例講解和實踐。

工程案例供應(yīng)不足，質(zhì)量不高，落后于現(xiàn)實發(fā)展。很多高校盡管重視工程實踐案例教學(xué)的應(yīng)用，但在案例的搜集、整理和分析等方面比較滯后。例如，在皮帶輪傳動部分，依然應(yīng)用80年代的手動縫紉機，而目前此類產(chǎn)品已從市場消失，學(xué)生無法實現(xiàn)感官認識和切實理解。如果應(yīng)用掃地機器人等現(xiàn)代產(chǎn)品，則受到關(guān)注，將大大提升。

二、機械設(shè)計行業(yè)面臨的新形式

隨著“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》的推廣，目前機械設(shè)計行業(yè)面臨新的問題和挑戰(zhàn)，包括以下幾方面。

（一）機械設(shè)計手段的提升

在傳統(tǒng)機械設(shè)計工程實踐中，設(shè)計流程都是先對機械產(chǎn)品的性能和設(shè)計要求進行分解，然后進行模塊設(shè)計和裝配，最后進行樣件試制和物理性能驗證。在物理實驗驗證過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題或者性能達不到設(shè)計要求，再返回進行設(shè)計更新，包括應(yīng)用材料提升強度，增強結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度，改善傳動方式，增加潤滑等方式。這樣一個周期下來，產(chǎn)品開發(fā)效率很難提升，產(chǎn)品性能也不容易達到最優(yōu)。隨著計算機技術(shù)和軟件工程的發(fā)展，目前現(xiàn)代機械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計流程中，大量采用有限元仿真分析和整體性能優(yōu)化技術(shù)。其中，有限元仿真技術(shù)是將設(shè)計產(chǎn)品模型進行離散網(wǎng)格化，對網(wǎng)格化的模型參考實際條件，進行加載和邊界約束，提交計算機通過數(shù)值計算，獲得設(shè)計產(chǎn)品預(yù)期的變形、承載和應(yīng)力狀態(tài)等結(jié)構(gòu)性能。如果達不到設(shè)計要求，也可以返回設(shè)計模型，進行設(shè)計參數(shù)調(diào)整，再進行產(chǎn)品性能的迭代虛擬驗證，從而大大提升設(shè)計效率和機械產(chǎn)品的精確性。也實現(xiàn)了機械產(chǎn)品設(shè)計合理性、性能的預(yù)測以及使用方法等的虛擬評估與驗證。而近年來發(fā)展的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，則是在有限元仿真技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，將機械設(shè)計的主要尺寸進行參數(shù)化處理，通過實驗設(shè)計等數(shù)值算法，進行尋優(yōu)處理，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程中的優(yōu)化處理，獲得既滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，又能達到使用材料最少、重量最輕等輕量化和成本要求，從而實現(xiàn)通過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)來設(shè)計出最優(yōu)化產(chǎn)品性能和要求的實際產(chǎn)品。

（二）網(wǎng)絡(luò)化的運用

在網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達年代，對于企業(yè)特別是集團化的大型企業(yè)，每個工廠的設(shè)計部門都需要完整的設(shè)計團隊，團隊成員角色分工明確。而各部門之間的設(shè)計方案和流程，很難進行共享和交流。也就是說，機械設(shè)計同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)沒有任何關(guān)系，這導(dǎo)致各設(shè)計團隊之間無法實現(xiàn)共享和資源相互支持。而隨著國際化進一步發(fā)展，各國各地區(qū)之間需要更多的協(xié)同設(shè)計和資源共享，包括模型更新、設(shè)計材料信息、設(shè)計規(guī)范統(tǒng)一等。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，機械設(shè)計技術(shù)中不斷應(yīng)用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要包括協(xié)同設(shè)計、遠程設(shè)計和共享設(shè)計等。其中，協(xié)同設(shè)計主要功能是實現(xiàn)了團隊各成員在網(wǎng)格上共同設(shè)計某一機械產(chǎn)品，實現(xiàn)不同國家地區(qū)的工程師可以共同完成某一設(shè)計任務(wù)。在協(xié)同設(shè)計中，遠程設(shè)計則是針對某設(shè)計工程師，可以應(yīng)用先進高速網(wǎng)絡(luò)，遠程操作設(shè)計工作站，實現(xiàn)家庭辦公或出差遠程操作。而共享設(shè)計，則將通用的設(shè)計部件包括標準件等，通過高速網(wǎng)格，分享給設(shè)計團隊每個成員，從而減少設(shè)計工作量和重復(fù)設(shè)計。高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機械設(shè)計中的深入應(yīng)用，有利于設(shè)計開發(fā)過程中的遠程控制與共享，有效提升設(shè)計效率，避免人工設(shè)計的失誤，降低機械設(shè)計成本，提升機械設(shè)計的創(chuàng)新性。

（三）智能化技術(shù)的推廣

隨著“智能家居”“智能工廠”等智能化技術(shù)的逐漸推廣，在機械設(shè)計制造中逐漸開始出現(xiàn)智能設(shè)計理念，從而實現(xiàn)機械設(shè)計過程的智能化。具體來說，對于一個機械產(chǎn)品，首先實現(xiàn)產(chǎn)品架構(gòu)的分解，形成若干模塊，每個模塊可以定義一個關(guān)鍵特征和主要功能，這樣一個復(fù)雜的機械產(chǎn)品，就由定義了關(guān)鍵特征和功能的模塊組成，又可以稱為智能模塊庫。形成智能模塊庫后，設(shè)計團隊面對一個新的機械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，首先從架構(gòu)上分解成若干個功能模塊，每個模塊可以定義功能需求，設(shè)計系統(tǒng)和前期定義的智能模塊庫進行搜索匹配，快速地搜索到可以匹配的若干種模塊設(shè)計，設(shè)計工程師可以從智能系統(tǒng)推薦的設(shè)計方案中進行人工對比，并確定最終設(shè)計方案。智能設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，從開發(fā)效率上解決了眾多設(shè)計方案的建模和裝配，節(jié)約了大量的工作時間，也給初級中級設(shè)計工程師提供了很多設(shè)計方案的選擇，有助于提升設(shè)計工程師的設(shè)計水平和能力，實現(xiàn)設(shè)計工程師、設(shè)計軟件系統(tǒng)和設(shè)計目標性能的三位一體的協(xié)調(diào)一致，明顯地提升了產(chǎn)品開發(fā)過程的效率和設(shè)計方案種類，使得機械設(shè)計過程成了一個系統(tǒng)智能工程。

（四）綠色化的應(yīng)用

目前環(huán)保要求越來越高，對產(chǎn)品的回收再利用的要求也越來越高。傳統(tǒng)的機械設(shè)計對于報廢部件或者易損部件的回收再利用，基本上考慮很少，導(dǎo)致很多報廢的機械產(chǎn)品無法再次修復(fù)或者回收再利用，造成了資源的嚴重浪費。近年來，綠色設(shè)計的概念開始在機械設(shè)計行業(yè)逐漸推廣開來，傳統(tǒng)的機械設(shè)計領(lǐng)域逐漸開始并接受綠色設(shè)計的理念。綠色設(shè)計實質(zhì)上是對設(shè)計過程進行優(yōu)化計算，為了避免材料的浪費和污染，雖然部分機械產(chǎn)品模塊在技術(shù)、原理、產(chǎn)品功能上沒有發(fā)生任何變化，但在資源節(jié)約方針和綠色環(huán)保理念的指導(dǎo)下，深入理解材料的關(guān)鍵特征、主要性能和回收成本，在應(yīng)用材料時考察材料的可回收性和重復(fù)利用性，從而避免出現(xiàn)材料浪費和污染，達到節(jié)約資源和綠色環(huán)保的作用。

三、工程案例教學(xué)的建議

根據(jù)目前機械設(shè)計教學(xué)的現(xiàn)狀和機械設(shè)計行業(yè)發(fā)展新形式，對機械設(shè)計課程的工程實踐教學(xué)，提出以下建議：第一，教師在工程實踐案例教學(xué)前，需要了解該案例提出的背景和應(yīng)用領(lǐng)域，查閱文獻和目前應(yīng)用領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動創(chuàng)造性。第二，在教學(xué)過程中，需要對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法和考核等方面進行科學(xué)性的優(yōu)化和改革，對設(shè)計課堂問題和課后案例總結(jié)，融入創(chuàng)新性和趣味性，引導(dǎo)學(xué)生更多參與和理解該課程。第三，教師和教研組需要更多了解機械設(shè)計行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，針對目前行業(yè)發(fā)展和未來趨勢，不斷更新工程實踐案例，與時俱進。

總之，針對機械設(shè)計課程工程案例教學(xué)的現(xiàn)狀，需要任課教師、教研組和學(xué)校全體人員共同努力，不僅能通過案例教學(xué)進行理論講授，更能讓學(xué)生了解到機械行業(yè)的發(fā)展和機遇，讓學(xué)生在案例實踐中提升和感知，認可機械行業(yè)，增強對行業(yè)的投入和興趣，從而為國家的機械工業(yè)發(fā)展培養(yǎng)更多專業(yè)人才。

參考文獻：

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