1 引言

　　機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的一個(gè)重要的實(shí)踐家學(xué)環(huán)節(jié)。也是學(xué)生第一次進(jìn)行全面地的機(jī)械設(shè)計(jì)的系統(tǒng)綜合訓(xùn)練。設(shè)計(jì)題目一般為通用機(jī)械或其他簡(jiǎn)單機(jī)械的傳動(dòng)裝置，如各種減速器的設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包括：傳動(dòng)方案的擬定，傳動(dòng)參數(shù)的選擇計(jì)算，傳動(dòng)零件、軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，總裝圖和零件圖的繪制，設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書的撰寫。課程設(shè)計(jì)的主要目的是指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程和其他先修課程的知識(shí)分析和解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般方法，掌握通用機(jī)械零部件、機(jī)械傳動(dòng)裝置或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方式，培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。通過(guò)設(shè)計(jì)和繪圖，學(xué)會(huì)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料，培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能。

　　傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)手段是手工設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖，設(shè)計(jì)計(jì)算繁雜，設(shè)計(jì)、繪圖和修改很不方便。學(xué)生依樣畫虎，大部分時(shí)間和精力用在設(shè)計(jì)計(jì)算和畫圖上，方案和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)考慮的比較少。前幾年我們通過(guò)改變課程設(shè)計(jì)題目的出題形式、內(nèi)容和要求，改革指導(dǎo)方法和教學(xué)手段，改革考核方法和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，收到一定成效。隨著CAD/CAE發(fā)展和普及，出現(xiàn)很多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析軟件，利用這些軟件來(lái)完成機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，將學(xué)生從繁雜的設(shè)計(jì)計(jì)算中解脫出來(lái)，把時(shí)間和精力集中到方案創(chuàng)新和零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上來(lái)，提高設(shè)計(jì)興趣和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

　　2 CAD/CAE簡(jiǎn)介

　　計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)是利用計(jì)算機(jī)的高速處理能力，使人們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)得到和處理大量的數(shù)據(jù)，拓展人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的能力，減輕人們的體力和腦力勞動(dòng)。CAE是一個(gè)總的名稱，從廣義上講，其內(nèi)容很多，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(CAI)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAA)、計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化(CAO)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)等。目前人們通常從狹義上來(lái)講計(jì)算機(jī)輔助工程，CAE是指計(jì)算機(jī)輔助工程分析，是指依據(jù)科學(xué)理論利用計(jì)算機(jī)建立反映工程問(wèn)題中多個(gè)參數(shù)之間相互影響和相互作用的關(guān)系式并進(jìn)行求解，主要內(nèi)容包括計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(FEA，有限元分析)、計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(CMD)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)。CAE已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、鑄造、噪聲控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是指利用計(jì)算機(jī)軟件和硬件來(lái)輔助完成一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的一切實(shí)用技術(shù)的總和，如模型的建立、修改、分析和優(yōu)化等。它是一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，也是一門學(xué)科綜合應(yīng)用的技術(shù)。

　　3 CAD在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用

　　十年前，我們就將自編的帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序給學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中使用。隨著機(jī)械CAD機(jī)械的發(fā)展，出現(xiàn)了很多完整的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，例如機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件版中的計(jì)算程序。2008年，我校選用吳宗澤主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，該書的配套光盤中的帶有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算程序，包括有V帶、同步帶、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和滾動(dòng)軸承等，完全能滿足課程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)計(jì)算的要求，并且利用計(jì)算結(jié)果在AutoCAD可自動(dòng)生成主要的視圖，為后續(xù)二維工程圖的繪制帶來(lái)許多方便。

　　4 由三維到二維繪制二維工程圖

　　AutoCAD這類二維CAD軟件在一定程度上減輕了二維工程圖的繪制和修改的工作量，但二維圖形表達(dá)的內(nèi)容不夠直觀，有的學(xué)生參考圖冊(cè)依葫蘆畫瓢，并沒(méi)有真正理解設(shè)計(jì)意圖。由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件水平的不斷提高，很多三維CAD軟件在PC機(jī)上早能方便地運(yùn)行，例如Pro/E、Solidwrks、UG等。我校在2007年專業(yè)教學(xué)計(jì)劃修訂時(shí)將三維實(shí)體造型作為選修課在大二的上學(xué)期開(kāi)設(shè)，學(xué)生選修的積極性很高，機(jī)制專業(yè)的全部學(xué)生均選修了三維實(shí)體造型。三年級(jí)上學(xué)期開(kāi)設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，推薦學(xué)生應(yīng)用三維CAD軟件建立零部件的三維實(shí)體模型，虛擬裝配成裝配體，再生成二維工程圖。由于在三維軟件中零件實(shí)體模型、裝配體模型和二維工程圖是相互關(guān)聯(lián)的，零件和裝配體模型的任何修改，在二維工程圖中就會(huì)自動(dòng)的修改。三維實(shí)體模型直觀，外觀材質(zhì)豐富，設(shè)計(jì)和修改很方便。學(xué)生興趣濃厚，將較多的時(shí)間和精力花在零部件的結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上，真正提高了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。　

　　5 借助于三維CAD進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)

　　專業(yè)的CAE軟件很多，如ANSYS、Nastran、ADINA等，但這些專業(yè)的分析軟件功能強(qiáng)大也比較復(fù)雜，要一個(gè)本科生花費(fèi)較多的時(shí)間從頭學(xué)好一個(gè)分析軟件，學(xué)時(shí)有限。實(shí)際上，上述幾種主流三維CAD軟件也有CAE模塊，并且功能齊全、計(jì)算精確、簡(jiǎn)單好用。例如，Solidwrks的CosmsWorks插件可以進(jìn)行線性靜態(tài)分析、非線性分析、頻率分析、扭曲分析、疲勞分析、熱分析和優(yōu)化分析等。機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中主要需要對(duì)傳動(dòng)零件、軸、軸承等進(jìn)行強(qiáng)度校核。因此，這些三維CAD的CAE的模塊完全可滿足計(jì)算分析要求。學(xué)生在上述第二階段已建立三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，不必進(jìn)行文件類型的轉(zhuǎn)換，在CAE模塊下，通過(guò)定義材料及其他屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷，即可求得結(jié)果。并且結(jié)果還可通過(guò)云圖、線圖、動(dòng)畫等多種形式表達(dá)出來(lái)。

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)修訂教學(xué)計(jì)劃，創(chuàng)建由三維到二維的機(jī)械設(shè)計(jì)模式。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，利用三維CAD軟件建立零部件的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，再用有限元分析的模塊，對(duì)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

　　(1)由于三維CAD軟件有強(qiáng)大的虛擬裝配能力，裝配過(guò)程可動(dòng)態(tài)顯示，裝配后可進(jìn)行干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真，從而檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。如有錯(cuò)誤，零部件結(jié)構(gòu)修改后，重建模型，再次檢查，操作方便。學(xué)生完整體驗(yàn)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求和全過(guò)程，真正受到機(jī)械工程師專業(yè)技能的訓(xùn)練。

　　(2)應(yīng)用有限元進(jìn)行零部件的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，運(yùn)算結(jié)果表達(dá)方式多樣，形象直觀。模型修改和重新計(jì)算方便，可很好的貫徹課程設(shè)計(jì)的邊計(jì)算、邊繪圖、邊修改的“三邊”原則。

　　(3)在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD/CAE，學(xué)生對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有了初步的認(rèn)識(shí)，改變傳統(tǒng)的錯(cuò)誤的觀念。舊的觀念認(rèn)為機(jī)械設(shè)計(jì)就是翻書查表，手段落后。過(guò)程枯燥。應(yīng)用CAD/CAE作課程設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)計(jì)計(jì)算和修改工程圖的工作量，三維實(shí)體模型的建立也為后續(xù)的計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)奠定基礎(chǔ)。