軟件在機(jī)械工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用(全文)

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機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)生作為我國機(jī)械類企業(yè)人才的重要組成部分,其不僅要具有較高的專業(yè)知識,還要具有較高的動(dòng)手能力,以適應(yīng)當(dāng)今企業(yè)對人才的需求。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,中國國際化步伐的進(jìn)一步加快,各大企業(yè)面臨的競爭環(huán)境日趨激烈,其產(chǎn)品面對的不僅是國內(nèi)產(chǎn)品的競爭,并且還受到國外產(chǎn)品的沖擊。企業(yè)要在其市場上占有一席之地,必須依靠優(yōu)秀的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出具有競爭力的產(chǎn)品,人才資源重要性變得越來越重要。機(jī)械類專業(yè)學(xué)生畢業(yè)的主要就業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備的維護(hù)、采購等。無論從事哪方面的工作,較強(qiáng)的動(dòng)手能力是完成工作的重要基礎(chǔ),而創(chuàng)新能力則是工作水平進(jìn)一步提升的重要保障。因此,為適應(yīng)企業(yè)對機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的需求,使機(jī)械專業(yè)畢業(yè)學(xué)生在未來的工作中能夠設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、在市場上具有競爭力的產(chǎn)品,一方面要求高等學(xué)校在人才培養(yǎng)的過程中讓學(xué)生學(xué)好基礎(chǔ)課程,能系統(tǒng)地掌握專業(yè)知識;另一方面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,以提高其綜合素質(zhì),以適應(yīng)日益激烈的競爭環(huán)境[1]。實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面有著十分重要的作用,是培養(yǎng)現(xiàn)代應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才素質(zhì)的重要途徑,國內(nèi)外各知名院校對教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)都非常重視[2]。國內(nèi)各高校也都對現(xiàn)有的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱進(jìn)行了重大的修改,新的培養(yǎng)方案增強(qiáng)了實(shí)踐能力的培養(yǎng),注重了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)本文由論文聯(lián)盟收集整理新能力等綜合素質(zhì)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,其硬件的運(yùn)算處理能力提高很快,目前一些典型的機(jī)械類軟件如:autocad、pr/e、ug、catia、adams、simulationx、msc、ansys、hyperworks、mastercam、modelflow等在微機(jī)上都能運(yùn)行起來。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中讓學(xué)生合理運(yùn)用各種仿真分析軟件,其通過建立模型進(jìn)行分析,在計(jì)算機(jī)上就可以虛擬完成在實(shí)驗(yàn)室里才可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn),并且時(shí)間不受限制,可重復(fù)性高。有效的緩解實(shí)驗(yàn)室的壓力,甚至能完成現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件所不能開設(shè)的實(shí)驗(yàn),能作為各門課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的一種有效補(bǔ)充手段。機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要由參觀實(shí)習(xí)、各課程講授期間相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)、srt等環(huán)節(jié)構(gòu)成[3]。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)首先要對所學(xué)理論知識有一個(gè)較深刻的理解,并且使學(xué)生能理論聯(lián)系實(shí)際,解決一些實(shí)際工程問題。但是實(shí)際工程問題往往具有一定的復(fù)雜性,理論上建立其數(shù)學(xué)模型需要作很多簡化,并且許多數(shù)學(xué)模型都是非線性的,求解比較困難。而在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用軟件建立模型之后,讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解,并運(yùn)用所學(xué)的知識對分析結(jié)果進(jìn)行評判,從而得到較為可靠的分析結(jié)果,不僅能使學(xué)生較圓滿地完成教學(xué)實(shí)踐的任務(wù),同時(shí)對提高學(xué)生解決實(shí)際問題的積極性也起到促進(jìn)作用。因此,在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中,要鼓勵(lì)學(xué)生對較復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)問題進(jìn)行建模分析,把仿真結(jié)果運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。實(shí)踐證明學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中運(yùn)用仿真分析方法后,其課程設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量都有不同程度的提高,同時(shí)其動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也得到了很大程度的鍛煉和提升[4]。

1制圖軟件的應(yīng)用

目前機(jī)械專業(yè)常用的制圖軟件包括二維制圖軟件和三維制圖軟件兩大類。最常用的二維制圖軟件有autocad、caxa等。由于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是用二維視圖來表達(dá)三維結(jié)構(gòu),此方法是基于畫法幾何中的投影規(guī)律,理論體系很成熟,一直被稱為"工程的語言'。二維制圖軟件在精確性和制圖效率上的優(yōu)勢較為明顯,在二維零件圖的表達(dá)上應(yīng)用十分廣泛。目前實(shí)際生產(chǎn)用的圖紙基本仍然都是二維的平面圖形。雖然從二維圖紙到實(shí)際零件加工需要中間的轉(zhuǎn)換,直觀性遠(yuǎn)不及三維圖紙,三維圖紙是未來的發(fā)展方向,但是短時(shí)間內(nèi)三維圖紙標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)馬上出臺,二維圖紙?jiān)谖磥韼啄陜?nèi)仍然是主要的零件表達(dá)方式。許多教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)如"機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝課程設(shè)計(jì)'等需要繪制零件圖的環(huán)節(jié)都可以應(yīng)用到二維設(shè)計(jì)軟件來出圖。除此之外,在"機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)'的課程設(shè)計(jì)中也可以運(yùn)用到它,如根據(jù)輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖,采用"反轉(zhuǎn)作圖法'來設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的時(shí),可以應(yīng)用二維制圖軟件的精確劃分角度和截取位移尺寸的方法來設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展,特別是三維cad設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用的普及,機(jī)械設(shè)計(jì)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了直接三維零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)方法具有形象、直觀、快速的特點(diǎn)[5～6]。國外一些企業(yè)甚至實(shí)現(xiàn)了無圖紙加工,即從設(shè)計(jì)到加工,全部由三維圖形來實(shí)現(xiàn),中間不需要再轉(zhuǎn)換成二維圖紙了。目前三維設(shè)計(jì)軟件的種類很多,如普遍使用的有ugⅱ、pro/e、catia、ideas、solidedge等,功能也不斷增強(qiáng),而其中從三維到二維的投影又可以完全自動(dòng)實(shí)現(xiàn),并且可實(shí)現(xiàn)任意視圖的表達(dá),包括局部視圖,放大視圖等。我國不少大中企業(yè)目前都已投入應(yīng)用,盡管沒有全部普及,但未來的發(fā)展必將全部實(shí)現(xiàn)直接的三維零件設(shè)計(jì)和制造。并且三維建模是進(jìn)行裝配分析、外觀設(shè)計(jì)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、數(shù)控加工仿真等分析的基礎(chǔ)。一旦設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的三維模型,能快捷地生成二維圖紙,并且修改三維模型后,二維圖紙也隨之改變,能保證圖紙的一致性。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)是對學(xué)生最基本能力的訓(xùn)練,必須加以重視。實(shí)踐也證明了按這樣的知識結(jié)構(gòu)所培養(yǎng)出來的人才更能勝任當(dāng)今企業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)。因此,三維制圖軟件在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用也越來越多,如在"機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)'中已經(jīng)有部分學(xué)生嘗試運(yùn)用三維建模方法首先建立減速器的三維模型,然后再生成二維圖紙。雖然在首次運(yùn)用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中遇到了不少困難,所花的時(shí)間也比手工繪圖的同學(xué)耗費(fèi)的時(shí)間要多,但是學(xué)生的訓(xùn)練項(xiàng)目包括了二維和三維圖形的建模,雖然工作量大了,但是后期的修改十分便捷,出圖的質(zhì)量和規(guī)范程度上要比手工繪圖的要高;其三維建模能力也得到了很大的鍛煉與提高。

2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件的應(yīng)用

機(jī)械原理是機(jī)械類專業(yè)的一門核心課程,其對各機(jī)構(gòu)的原理進(jìn)行了較細(xì)致的講解。對應(yīng)于該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要是實(shí)驗(yàn)和"機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)'。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的測繪實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中都要求學(xué)生繪制或一些典型機(jī)構(gòu)或機(jī)器模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,并采用圖形法對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的分析方法是通過作圖法或者解析法進(jìn)行分析,這兩種方法各弊端。手工作圖法精確性較差,而采用計(jì)算機(jī)繪圖的方法,雖然能保證足夠精度,但是分析效率比較低,而解析法繁瑣且直觀性較差。而機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)需求,使用所學(xué)的理論、方法和原理,綜合運(yùn)用所學(xué)的各種機(jī)構(gòu),進(jìn)行新的構(gòu)思、設(shè)計(jì)出新穎、有創(chuàng)造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)或裝置[7]。機(jī)構(gòu)一般都較為復(fù)雜,要較為系統(tǒng)的分析機(jī)構(gòu)的特性,難度更大。通過運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件可以較好的完成這些任務(wù)。典型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件有pro/e等三維設(shè)計(jì)軟件中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊、sam、adams等。若僅對運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行原理方面的分析,而不需要建立詳細(xì)的實(shí)物模型,sam軟件是一個(gè)值得推薦的小軟件,其可以快速地建立包含多桿機(jī)構(gòu)、齒輪、帶輪等機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,可以作為產(chǎn)品開發(fā)時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的初步分析參考,同時(shí)通過建立機(jī)構(gòu)模型,對課程中的運(yùn)動(dòng)副、自由度的概念會(huì)有更加深刻的理解。通過對現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或全新設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)建立模型進(jìn)行分析,評價(jià)其優(yōu)缺點(diǎn),并加以改進(jìn),從而獲得結(jié)構(gòu)新穎,性能更加優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案。最后可以將設(shè)計(jì)的方案在機(jī)構(gòu)搭接實(shí)驗(yàn)臺上,將自己設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)用構(gòu)件按照自己確定機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)裝配成機(jī)器模型,通過機(jī)電控制,實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng),將紙上的設(shè)計(jì)變?yōu)檎鎸?shí)的機(jī)構(gòu)模型,并且實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)只搭接一次便成功的目標(biāo)。通過紙上的方案設(shè)計(jì),再到計(jì)算機(jī)上的軟件分析,再到實(shí)驗(yàn)臺上的搭接的一系列訓(xùn)練,對學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)有極大促進(jìn)作用,既鞏固了理論知識,又培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)技能,極大地提高了學(xué)習(xí)興趣。

3力學(xué)分析軟件的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常要對零部件的強(qiáng)度進(jìn)行分析,對簡單的零部件運(yùn)用理論力學(xué)或材料力學(xué)的理論知識可以進(jìn)行強(qiáng)度分析,但首先必須簡化模型,得到的計(jì)算結(jié)果精度不是很高。如果機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量較多,且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí),且涉及到非線性問題時(shí),解析計(jì)算就很困難,這時(shí)就需要依靠一些力學(xué)分析軟件來解決問題了。機(jī)械專業(yè)常用的力學(xué)分析軟件主要是一些cae軟件,如:abaqus、ansys、hyperworks、modelfolw、msc等,目前大多數(shù)三維建模軟件如pro/e、catia等中也都帶有力學(xué)分析功能。在物理實(shí)驗(yàn)、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)、各種競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要運(yùn)用到這些軟件。例如設(shè)計(jì)一些高速機(jī)械或?qū)C(jī)械零部件的某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,這就需要對所設(shè)計(jì)的機(jī)械進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)的力學(xué)分析,期間必須綜合運(yùn)用各種軟件才能完成任務(wù)。在對高速運(yùn)動(dòng)的零部件及整機(jī)分析時(shí),首先要保證零部件的強(qiáng)度和剛度,此時(shí)可以運(yùn)用三維建模軟件建立其三維實(shí)體模型,然后在有限元分析軟件中進(jìn)行力學(xué)分析,保證產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度;為了避免產(chǎn)品工作時(shí)出現(xiàn)過大的振動(dòng),從而影響工作精度,則需要對零部件及整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析,同樣可以運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析和響應(yīng)分析,根據(jù)分析結(jié)構(gòu)修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu),使零部件與整機(jī)的固有頻率與激振頻率盡可能地錯(cuò)開;若需要設(shè)計(jì)隔振裝置來減少產(chǎn)品的振動(dòng)或噪音,此時(shí),可以運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件如adams或simulationx對產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析,從而優(yōu)化隔振裝置的參數(shù)[8];若要對產(chǎn)品中某一零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),則需要采用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析,許多有限元分析軟件都具備優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,其中較為專業(yè)的軟件是hyperworks中optistruct模塊,其具有拓?fù)溥壿媰?yōu)化功能,可以根據(jù)零部件的加載環(huán)境,軟件可以在設(shè)計(jì)域內(nèi)搜索獲得材料的最佳布局形態(tài),再根據(jù)制造工藝等要求進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并且還可以對承力構(gòu)件的截面進(jìn)行再次優(yōu)化,從而獲得較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[9];若需要對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行分析,則需要運(yùn)用疲勞分析軟件如msc/fatigue等軟件進(jìn)行疲勞壽命的估計(jì);若要對對某零部件設(shè)計(jì)其模具,當(dāng)模具設(shè)計(jì)完成之后,可以運(yùn)用成型分析軟件如modelfolw等對模具的澆鑄或注塑過程進(jìn)行分析,從而對所設(shè)計(jì)的模具的合理性進(jìn)行評判,并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4數(shù)控仿真軟件的應(yīng)用

當(dāng)產(chǎn)品的力學(xué)性能分析完成之后,即進(jìn)入制造工藝分析階段。隨著數(shù)控設(shè)備的逐漸普及,在計(jì)算機(jī)上建立的三維模型,通過計(jì)算機(jī)上數(shù)控仿真軟件與機(jī)床的通訊,可以向數(shù)控機(jī)床直接輸出數(shù)控代碼,從而完成產(chǎn)品的制造。在產(chǎn)品制造之前,為了產(chǎn)品保證制造的質(zhì)量,通過數(shù)控仿真軟件在計(jì)算機(jī)上就能完成產(chǎn)品的虛擬制造。數(shù)控技術(shù)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)是在計(jì)算機(jī)上采用數(shù)控仿真軟件訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)控編程能力,對所要求加工的零件進(jìn)行加工仿真,通過仿真可以檢查數(shù)控代碼的準(zhǔn)確性和執(zhí)行效率,從而對原代碼作出相應(yīng)的修正,保證代碼的準(zhǔn)確無誤,并且提高執(zhí)行效率;最后在數(shù)控機(jī)床上輸入優(yōu)化之后的代碼,完成零件的加工。數(shù)控仿真軟件在數(shù)控加工的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)發(fā)揮了很重要的作用[10]。

5結(jié)語

為適應(yīng)企業(yè)對機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)生綜合素質(zhì)的需求,高等學(xué)校在人才培養(yǎng)的過程中必須提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生所學(xué)知識的鞏固和提高,以及培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力有著十分重要的作用,在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各種軟件進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)的能力。實(shí)踐證明學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中合理運(yùn)用軟件完成設(shè)計(jì)任務(wù),其設(shè)計(jì)水平和任務(wù)完成質(zhì)量都有不同程度的提高,同時(shí)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也得到了很大程度的訓(xùn)練。在機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,要鼓勵(lì)學(xué)生合理運(yùn)