机械设计教学中的工程案例应用实践探讨
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摘要：机械设计作为机械学科本科专业基础课，在教学过程中结合工程實际案例进行讲解，不仅可以明显地提高学生理论联系工程实践的能力，而且可以增强学生分析和解决实际工程实践问题的能力，从而提高学生对机械学科的热情和对机械创新设计的探索。本文从机械设计行业面临的新机遇和新挑战，提出在机械设计课程教学中，需要重点关注的领域和案例，从而提升机械设计课程的实时性和专业性，增加学生对该课程的认可和学习热情。
关键词：机械设计；工程案例；应用教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0199-02
作为高等工科学校机械类本科专业的一门主干技术基础课，机械设计课程是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。它对后续相关机械工程的专业课程学习起到了承上启下的作用。本课程的培养目标是通过课程的学习使学生具有较强的机械创新设计能力、工程实践能力。和其他先修课程相对比，机械设计课程最显著的区别是实践性非常强，绝大多数内容与生产实践、生活实际密切相关，因此很多内容只有结合工程实践案例的讲解才能达到好的教学效果。
一、工程案例教学中的现状
然而目前机械设计类课程教学中，重理论原理，轻实践应用，重传授教学，轻学生参与。导致很多学生对于机械设计类课程，停留在书本理论和案例表面，无法参与实践。
案例教学比例不合理。与国外著名工学院相对比，国内高校工程案例教学在机械设计教育中所占比例还很少，不能满足专业人才培养的需求。以美国密歇根大学机械学院为例，机械设计类教学中，从工程案例出发进行教学实践，比例高达80%多，30个学时的课程，理论讲述只有2—6学时，剩余全是工程案例讲解和实践。
工程案例供应不足，质量不高，落后于现实发展。很多高校尽管重视工程实践案例教学的应用，但在案例的搜集、整理和分析等方面比较滞后。例如，在皮带轮传动部分，依然应用80年代的手动缝纫机，而目前此类产品已从市场消失，学生无法实现感官认识和切实理解。如果应用扫地机器人等现代产品，则受到关注，将大大提升。
二、机械设计行业面临的新形式
随着“工业4.0”和《中国制造2025》的推广，目前机械设计行业面临新的问题和挑战，包括以下几方面。
（一）机械设计手段的提升
在传统机械设计工程实践中，设计流程都是先对机械产品的性能和设计要求进行分解，然后进行模块设计和装配，最后进行样件试制和物理性能验证。在物理实验验证过程中，如果发现问题或者性能达不到设计要求，再返回进行设计更新，包括应用材料提升强度，增强结构设计刚度，改善传动方式，增加润滑等方式。这样一个周期下来，产品开发效率很难提升，产品性能也不容易达到最优。随着计算机技术和软件工程的发展，目前现代机械产品的开发设计流程中，大量采用有限元仿真分析和整体性能优化技术。其中，有限元仿真技术是将设计产品模型进行离散网格化，对网格化的模型参考实际条件，进行加载和边界约束，提交计算机通过数值计算，获得设计产品预期的变形、承载和应力状态等结构性能。如果达不到设计要求，也可以返回设计模型，进行设计参数调整，再进行产品性能的迭代虚拟验证，从而大大提升设计效率和机械产品的精确性。也实现了机械产品设计合理性、性能的预测以及使用方法等的虚拟评估与验证。而近年来发展的优化设计技术，则是在有限元仿真技术基础上发展起来的，将机械设计的主要尺寸进行参数化处理，通过实验设计等数值算法，进行寻优处理，实现产品设计过程中的优化处理，获得既满足产品设计要求，又能达到使用材料最少、重量最轻等轻量化和成本要求，从而实现通过优化设计技术来设计出最优化产品性能和要求的实际产品。
（二）网络化的运用
在网络不发达年代，对于企业特别是集团化的大型企业，每个工厂的设计部门都需要完整的设计团队，团队成员角色分工明确。而各部门之间的设计方案和流程，很难进行共享和交流。也就是说，机械设计同网络技术没有任何关系，这导致各设计团队之间无法实现共享和资源相互支持。而随着国际化进一步发展，各国各地区之间需要更多的协同设计和资源共享，包括模型更新、设计材料信息、设计规范统一等。在网络技术与信息技术不断发展的推动下，机械设计技术中不断应用新的网络技术，主要包括协同设计、远程设计和共享设计等。其中，协同设计主要功能是实现了团队各成员在网格上共同设计某一机械产品，实现不同国家地区的工程师可以共同完成某一设计任务。在协同设计中，远程设计则是针对某设计工程师，可以应用先进高速网络，远程操作设计工作站，实现家庭办公或出差远程操作。而共享设计，则将通用的设计部件包括标准件等，通过高速网格，分享给设计团队每个成员，从而减少设计工作量和重复设计。高速网络技术在机械设计中的深入应用，有利于设计开发过程中的远程控制与共享，有效提升设计效率，避免人工设计的失误，降低机械设计成本，提升机械设计的创新性。
（三）智能化技术的推广
随着“智能家居”“智能工厂”等智能化技术的逐渐推广，在机械设计制造中逐渐开始出现智能设计理念，从而实现机械设计过程的智能化。具体来说，对于一个机械产品，首先实现产品架构的分解，形成若干模块，每个模块可以定义一个关键特征和主要功能，这样一个复杂的机械产品，就由定义了关键特征和功能的模块组成，又可以称为智能模块库。形成智能模块库后，设计团队面对一个新的机械产品设计开发，首先从架构上分解成若干个功能模块，每个模块可以定义功能需求，设计系统和前期定义的智能模块库进行搜索匹配，快速地搜索到可以匹配的若干种模块设计，设计工程师可以从智能系统推荐的设计方案中进行人工对比，并确定最终设计方案。智能设计开发系统的推广和应用，从开发效率上解决了众多设计方案的建模和装配，节约了大量的工作时间，也给初级中级设计工程师提供了很多设计方案的选择，有助于提升设计工程师的设计水平和能力，实现设计工程师、设计软件系统和设计目标性能的三位一体的协调一致，明显地提升了产品开发过程的效率和设计方案种类，使得机械设计过程成了一个系统智能工程。
（四）绿色化的应用
目前环保要求越来越高，对产品的回收再利用的要求也越来越高。传统的机械设计对于报废部件或者易损部件的回收再利用，基本上考虑很少，导致很多报废的机械产品无法再次修复或者回收再利用，造成了资源的严重浪费。近年来，绿色设计的概念开始在机械设计行业逐渐推广开来，传统的机械设计领域逐渐开始并接受绿色设计的理念。绿色设计实质上是对设计过程进行优化计算，为了避免材料的浪费和污染，虽然部分机械产品模块在技术、原理、产品功能上没有发生任何变化，但在资源节约方针和绿色环保理念的指导下，深入理解材料的关键特征、主要性能和回收成本，在应用材料时考察材料的可回收性和重复利用性，从而避免出现材料浪费和污染，达到节约资源和绿色环保的作用。
三、工程案例教学的建议
根据目前机械设计教学的现状和机械设计行业发展新形式，对机械设计课程的工程实践教学，提出以下建议：第一，教师在工程实践案例教学前，需要了解该案例提出的背景和应用领域，查阅文献和目前应用领域，引导学生的学习积极性和主动创造性。第二，在教学过程中，需要对教学内容和教学方法和考核等方面进行科学性的优化和改革，对设计课堂问题和课后案例总结，融入创新性和趣味性，引导学生更多参与和理解该课程。第三，教师和教研组需要更多了解机械设计行业发展现状，针对目前行业发展和未来趋势，不断更新工程实践案例，与时俱进。
总之，针对机械设计课程工程案例教学的现状，需要任课教师、教研组和学校全体人员共同努力，不仅能通过案例教学进行理论讲授，更能让学生了解到机械行业的发展和机遇，让学生在案例实践中提升和感知，认可机械行业，增强对行业的投入和兴趣，从而为国家的机械工业发展培养更多专业人才。
参考文献：
[1]马先英，石米娜，高吭，谢忠东，蔡卫国.基于应用型人才培养的机械设计基础课程教学方法的改进[J].教育教学论坛，2018，（50）：69-70.
[2]于克强，陈国辉，刘秀莲.工程案例教学在机械设计教学中的应用[J].中国电力教育，2013，（19）：80-81.
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