软件在机械工程专业实践教学中的应用

摘 要:实践教学环节对学生所学知识的巩固和提高,以及培养学生的动手能力和创新能力有着十分重要的作用。在实践教学环节中培养和引导学生学会运用各种工程软件,对不同问题建立模型进行分析,把分析结果运用到产品设计中。实践证明在各教学实践环节中应用软件之后,其设计水平和质量都有不同程度的提高,同时,学生的动手能力和创新能力也得到了很大程度的训练。

关键词:机械专业 软件 实践教学 创新

中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2013)01(b)-0200-03

机械类专业毕业生作为我国机械类企业人才的重要组成部分,其不仅要具有较高的专业知识,还要具有较高的动手能力,以适应当今企业对人才的需求。随着社会的不断进步和科学技术的迅猛发展,中国国际化步伐的进一步加快,各大企业面临的竞争环境日趋激烈,其产品面对的不仅是国内产品的竞争,并且还受到国外产品的冲击。企业要在其市场上占有一席之地,必须依靠优秀的设计团队开发出具有竞争力的产品,人才资源重要性变得越来越重要。机械类专业学生毕业的主要就业方向为机械设计、工艺设计、机械设备的维护、采购等。无论从事哪方面的工作,较强的动手能力是完成工作的重要基础,而创新能力则是工作水平进一步提升的重要保障。因此,为适应企业对机械类专业毕业生综合素质和创新能力的需求,使机械专业毕业学生在未来的工作中能够设计出性能优良、在市场上具有竞争力的产品,一方面要求高等学校在人才培养的过程中让学生学好基础课程,能系统地掌握专业知识;另一方面培养学生的动手能力和创新能力,以提高其综合素质,以适应日益激烈的竞争环境[1]。实践教学在培养学生的动手能力和创新能力方面有着十分重要的作用,是培养现代应用型、创新型人才素质的重要途径,国内外各知名院校对教学实践环节都非常重视[2]。国内各高校也都对现有的培养方案和教学大纲进行了重大的修改,新的培养方案增强了实践能力的培养,注重了学生动手能力和创新能力等综合素质的发展。随着计算机技术的飞速发展,其硬件的运算处理能力提高很快,目前一些典型的机械类软件如:AutoCAD、PR/E、UG、CATIA、ADAMS、SimulationX、MSC、ANSYS、Hyperworks、MasterCAM、Modelflow等在微机上都能运行起来。在实践教学环节中让学生合理运用各种仿真分析软件,其通过建立模型进行分析,在计算机上就可以虚拟完成在实验室里才可以开设的实验,并且时间不受限制,可重复性高。有效的缓解实验室的压力,甚至能完成现有实验室条件所不能开设的实验,能作为各门课程教学实验环节的一种有效补充手段。机械类专业实践教学环节主要由参观实习、各课程讲授期间相应的实验和课程设计、SRT等环节构成[3]。学生创新能力的培养首先要对所学理论知识有一个较深刻的理解,并且使学生能理论联系实际,解决一些实际工程问题。但是实际工程问题往往具有一定的复杂性,理论上建立其数学模型需要作很多简化,并且许多数学模型都是非线性的,求解比较困难。而在计算机上运用软件建立模型之后,让计算机进行求解,并运用所学的知识对分析结果进行评判,从而得到较为可靠的分析结果,不仅能使学生较圆满地完成教学实践的任务,同时对提高学生解决实际问题的积极性也起到促进作用。因此,在教学实践环节中,要鼓励学生对较复杂的机械设计问题进行建模分析,把仿真结果运用到产品设计中。实践证明学生在实践教学环节中运用仿真分析方法后,其课程设计水平和质量都有不同程度的提高,同时其动手能力和创新能力也得到了很大程度的锻炼和提升[4]。

1 制图软件的应用

目前机械专业常用的制图软件包括二维制图软件和三维制图软件两大类。最常用的二维制图软件有AutoCAD、CAXA等。由于传统的机械设计方法是用二维视图来表达三维结构,此方法是基于画法几何中的投影规律,理论体系很成熟,一直被称为“工程的语言”。二维制图软件在精确性和制图效率上的优势较为明显,在二维零件图的表达上应用十分广泛。目前实际生产用的图纸基本仍然都是二维的平面图形。虽然从二维图纸到实际零件加工需要中间的转换,直观性远不及三维图纸,三维图纸是未来的发展方向,但是短时间内三维图纸标准不会马上出台,二维图纸在未来几年内仍然是主要的零件表达方式。许多教学实践环节如“机械设计课程设计、机械制造工艺课程设计”等需要绘制零件图的环节都可以应用到二维设计软件来出图。除此之外,在“机械创新设计”的课程设计中也可以运用到它,如根据输出构件的运动规律图,采用“反转作图法”来设计凸轮轮廓曲线的时,可以应用二维制图软件的精确划分角度和截取位移尺寸的方法来设计凸轮轮廓曲线。随着计算机硬件技术的发展,特别是三维CAD设计软件应用的普及,机械设计方法已经实现了直接三维零件的结构设计,这种设计方法具有形象、直观、快速的特点[5～6]。国外一些企业甚至实现了无图纸加工,即从设计到加工,全部由三维图形来实现,中间不需要再转换成二维图纸了。目前三维设计软件的种类很多,如普遍使用的有UGⅡ、Pro/E、CATIA、Ideas、SolidEdge等,功能也不断增强,而其中从三维到二维的投影又可以完全自动实现,并且可实现任意视图的表达,包括局部视图,放大视图等。我国不少大中企业目前都已投入应用,尽管没有全部普及,但未来的发展必将全部实现直接的三维零件设计和制造。并且三维建模是进行装配分析、外观设计、静力学、动力学、数控加工仿真等分析的基础。一旦设计出产品的三维模型,能快捷地生成二维图纸,并且修改三维模型后,二维图纸也随之改变,能保证图纸的一致性。在实践教学环节中运用三维设计软件进行设计是对学生最基本能力的训练,必须加以重视。实践也证明了按这样的知识结构所培养出来的人才更能胜任当今企业机械设计的任务。因此,三维制图软件在实践教学环节中应用也越来越多,如在“机械设计课程设计”中已经有部分学生尝试运用三维建模方法首先建立减速器的三维模型,然后再生成二维图纸。虽然在首次运用三维软件进行设计过程中遇到了不少困难,所花的时间也比手工绘图的同学耗费的时间要多,但是学生的训练项目包括了二维和三维图形的建模,虽然工作量大了,但是后期的修改十分便捷,出图的质量和规范程度上要比手工绘图的要高;其三维建模能力也得到了很大的锻炼与提高。

2 机构运动仿真软件的应用

机械原理是机械类专业的一门核心课程,其对各机构的原理进行了较细致的讲解。对应于该课程的实践教学环节主要是实验和“机械创新设计课程设计”。在机构运动简图的测绘实验和创新设计环节中都要求学生绘制或一些典型机构或机器模型的机构运动简图,并采用图形法对机构的运动特性进行分析。传统的分析方法是通过作图法或者解析法进行分析,这两种方法各弊端。手工作图法精确性较差,而采用计算机绘图的方法,虽然能保证足够精度,但是分析效率比较低,而解析法繁琐且直观性较差。而机械创新设计环节中要求学生根据设计需求,使用所学的理论、方法和原理,综合运用所学的各种机构,进行新的构思、设计出新颖、有创造性及实用性的机构或装置[7]。机构一般都较为复杂,要较为系统的分析机构的特性,难度更大。通过运用机构运动仿真软件可以较好的完成这些任务。典型的机构运动仿真软件有Pro/E等三维设计软件中的机构运动分析模块、SAM、ADAMS等。若仅对运动方案进行原理方面的分析,而不需要建立详细的实物模型,SAM软件是一个值得推荐的小软件,其可以快速地建立包含多杆机构、齿轮、带轮等机构的机构运动简图,并进行运动学和动力学分析,可以作为产品开发时机构运动方案的初步分析参考,同时通过建立机构模型,对课程中的运动副、自由度的概念会有更加深刻的理解。通过对现有机构或全新设计的机构建立模型进行分析,评价其优缺点,并加以改进,从而获得结构新颖,性能更加优良的设计方案。最后可以将设计的方案在机构搭接实验台上,将自己设计的机构用构件按照自己确定机构几何参数装配成机器模型,通过机电控制,实现预先设计机构的运动轨迹,实现特定的运动,将纸上的设计变为真实的机构模型,并且实验中实现只搭接一次便成功的目标。通过纸上的方案设计,再到计算机上的软件分析,再到实验台上的搭接的一系列训练,对学生的动手能力和创新意识的培养有极大促进作用,既巩固了理论知识,又培养了实验技能,极大地提高了学习兴趣。

3 力学分析软件的应用

机械产品设计中经常要对零部件的强度进行分析,对简单的零部件运用理论力学或材料力学的理论知识可以进行强度分析,但首先必须简化模型,得到的计算结果精度不是很高。如果机械结构零部件数量较多,且结构较为复杂时,且涉及到非线性问题时,解析计算就很困难,这时就需要依靠一些力学分析软件来解决问题了。机械专业常用的力学分析软件主要是一些CAE软件,如:ABAQUS、ANSYS、Hyperworks、Modelfolw、MSC等,目前大多数三维建模软件如Pro/E、CATIA等中也都带有力学分析功能。在物理实验、材料力学实验、各种竞赛和毕业设计中经常需要运用到这些软件。例如设计一些高速机械或对机械零部件的某些结构进行优化,这就需要对所设计的机械进行动、静态的力学分析,期间必须综合运用各种软件才能完成任务。在对高速运动的零部件及整机分析时,首先要保证零部件的强度和刚度,此时可以运用三维建模软件建立其三维实体模型,然后在有限元分析软件中进行力学分析,保证产品的强度和刚度;为了避免产品工作时出现过大的振动,从而影响工作精度,则需要对零部件及整机的动态性能进行分析,同样可以运用有限元分析软件进行模态分析和响应分析,根据分析结构修改产品结构,使零部件与整机的固有频率与激振频率尽可能地错开;若需要设计隔振装置来减少产品的振动或噪音,此时,可以运用多体动力学分析软件如ADAMS或SimulationX对产品进行仿真分析,从而优化隔振装置的参数[8];若要对产品中某一零部件的结构进行结构优化设计,则需要采用优化设计软件进行分析,许多有限元分析软件都具备优化设计功能,其中较为专业的软件是Hyperworks中OptiStruct模块,其具有拓扑逻辑优化功能,可以根据零部件的加载环境,软件可以在设计域内搜索获得材料的最佳布局形态,再根据制造工艺等要求进行详细结构设计,并且还可以对承力构件的截面进行再次优化,从而获得较优的设计方案[9];若需要对产品的设计寿命进行分析,则需要运用疲劳分析软件如MSC/Fatigue等软件进行疲劳寿命的估计;若要对对某零部件设计其模具,当模具设计完成之后,可以运用成型分析软件如Modelfolw等对模具的浇铸或注塑过程进行分析,从而对所设计的模具的合理性进行评判,并进行相应的改进。

4 数控仿真软件的应用

当产品的力学性能分析完成之后,即进入制造工艺分析阶段。随着数控设备的逐渐普及,在计算机上建立的三维模型,通过计算机上数控仿真软件与机床的通讯,可以向数控机床直接输出数控代码,从而完成产品的制造。在产品制造之前,为了产品保证制造的质量,通过数控仿真软件在计算机上就能完成产品的虚拟制造。数控技术课程的实践环节是在计算机上采用数控仿真软件训练学生的数控编程能力,对所要求加工的零件进行加工仿真,通过仿真可以检查数控代码的准确性和执行效率,从而对原代码作出相应的修正,保证代码的准确无误,并且提高执行效率;最后在数控机床上输入优化之后的代码,完成零件的加工。数控仿真软件在数控加工的教学实践环节发挥了很重要的作用[10]。

5 结语

为适应企业对机械类专业毕业生综合素质的需求,高等学校在人才培养的过程中必须提高学生的动手能力和创新能力。实践教学环节对学生所学知识的巩固和提高,以及培养学生的动手能力和创新能力有着十分重要的作用,在实践教学环节中培养学生综合运用各种软件进行产品的开发的能力。实践证明学生在实践教学环节中合理运用软件完成设计任务,其设计水平和任务完成质量都有不同程度的提高,同时学生的动手能力和创新能力也得到了很大程度的训练。在机械类专业实践教学环节中,要鼓励学生合理运用各种工程软件对所面对的实际问题进行分析,把分析结果运用到产品设计中,引导学生结合生产和生活实际多观察、积极思考。当然扎实的理论基础也是必不可少的,对仿真的结果做出合理的分析,对结果的正确性进行评判都需要理论知识作为支撑。当然,要做到这一点并不容易,需要在学习中不断总结经验。当然让学生在大学期间精通所有机械类分析软件是不现实的,但是通过实践教学环节的训练,使学生在大学阶段能对大多数典型的机械类工程软件有所了解,在学习过程中有目的的掌握3～5种软件的运用,对其今后从事机械产品的设计会有比较大的帮助。

参考文献

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