现代设计方法在机械学科本科毕业设计中的应用

张付祥 李文忠

河北科技大学机械电子工程学院 河北石家庄 050018

☆课程建设与实践教学☆

现代设计方法在机械学科本科毕业设计中的应用

张付祥 李文忠

河北科技大学机械电子工程学院 河北石家庄 050018

分析了机械学科本科毕业设计中引入现代设计方法的必要性，指出了机械学科本科毕业设计中常用的现代设计方法及其应用范围，举例介绍了现代设计方法的实际应用情况及应用效果，教学改革实践表明现代设计方法在机械学科本科毕业设计中应用可以极大地提高毕业设计的设计效率和设计水平。

现代设计方法；机械学科；毕业设计

Abstract: The necessity of introducing modern design methods into graduation designs of mechanical subject is analyzed, and the commonly used modern design methods and their application area were also pointed out. Examples showed the overall status of application and its level. The teaching innovation showed that the application of modern design methods in graduation designs of mechanical subject can widely improve the eff ciency and level of design.

Key words: Modern Design Method; Mechanical Subject; Graduation Design

毕业设计（论文）教学过程是实现本科培养目标要求的重要阶段，是普通高等学校培养人才的最后一个教学环节。河北科技大学机械电子工程学院于2008年开始在机械本科专业开展了现代设计理论与方法的教学工作，几年来该课程的主讲教师在机械学科本科毕业设计环节中引导学生应用现代设计理论与方法进行设计，取得了可喜的效果，本文将结合指导机械学科本科毕业设计实际情况介绍现代设计方法的应用。

1 机械学科本科毕业设计中引入现代设计方法的必要性

机械学科传统毕业设计方法存在诸多问题，包括设计过程复杂、设计质量不高、复杂曲线和曲面设计困难、设计结果短时间内无法检验、设计方法难以调动学生的积极性等。另外，传统毕业设计缺乏创新的思想和方法，学生毕业的方案设计创新性普遍不高。

现代设计方法是在继承传统设计方法基础上不断吸收现代理论、方法、技术及相邻学科最新成果后发展起来的，主要内容包括：设计方法学、计算机辅助设计、工业造型设计、有限元法、虚拟设计、价值工程、模块化设计、反求工程、健壮性设计、优化设计、绿色设计、可靠性设计、相似性设计、疲劳设计、人机工程等。现代设计方法是以创新思维、动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计新方法，与传统设计方法相比发生了质的飞跃。目前，我国普通高等学校机械专业本科教育中正在推行此方法，对于当今机械学科大学生来说掌握现代设计方法并提高应用能力是创新型人才培养的关键。

在机械学科本科毕业设计中引入现代设计方法可以使学生从大量计算和绘图工作中解放出来，将更多的精力投入到创新设计上，从而提高毕业设计（论文）的质量。机械学科本科毕业设计题目和生产实际密切相关，学生可以结合设计题目涉及的具体问题，针对性的学习相关现代设计方法并在设计的过程中加以应用。通过现代设计方法在毕业设计中的应用，学生可以增进现代设计的理论素养和技术水平，提高设计素质，成为未来社会的重要设计力量。“现代设计理论与方法”作为一门综合性专业课程，具有理论难、设计方法复杂抽象的特征，对此课程而言，学生对知识的接受及教师的讲授都具有一定的难度。机械学科本科学生在通过对现代设计理论与方法课程的学习后，在毕业设计环节中进行实践，从而加深对现代设计方法的理解和掌握。同时，毕业设计指导老师通过指导学生在毕业设计环节中应用现代设计方法也极大地增强了对课程的把握，从而进一步促进课程建设。这样教学互长、教与学互动，形成良性循环。

2 机械学科本科毕业设计中常用的现代设计方法

机械学科本科毕业设计课题要符合专业的培养目标和教学基本要求，能使学生综合运用所学知识和技能，进行工程技术工作较全面的训练，提高分析问题和解决问题的能力；课题应力争结合生产、科研和实验室建设实际且具有先进性；毕业设计(论文)的内容侧重于工程设计、工程技术或实验研究、设备调试等课题；课题应力求有益于学生综合运用多学科的理论知识与技能，有利于培养学生的独立工作能力和创新精神。综合以上要求，机械专业本科毕业设计题目大量集中于机电一体化设备的创新型设计，其中机械结构设计又占有相当比重，下面对常用的现代设计方法进行介绍。

2.1 设计方法学

设计方法学（Design Methodology）是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法,研究内容包括：设计对象、设计过程及程序、设计思维、设计评价、设计信息管理及现代设计理论与方法的应用。设计方法学从系统观点分析,把设计系统看作具有时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统,主张用并行设计代替传统的顺序设计过程。方案的系统化设计是设计方法学的重要内容,其中功能分析法是探寻功能原理方案的主要方法,设计步骤可以分为分析、综合和评价决策,主要内容在明确设计要求的基础上采用黑箱模型、功能树等工具进行功能分析,通过解法目录等工具进行功能元求解并列出形态学矩阵,从而完成技术系统的方案设计。设计方法学还致力于创造性机理和创造技法的研究,主张在创新设计的基础上实现优势设计,使产品增强竞争力。TRIZ理论是设计方法学中的重要创新理论,主要利用冲突及其解决原理实现产品创新,总结出40个创新原理和39个技术特性并列出冲突解决矩阵,具有很强的操作性。目前已经有基于TRIZ理论的计算机辅助创新软件产品,如Innovation Machine公司的TechOptimizeer,Ideation International公司的Innovation Workbench（IWB）,忆维讯集团（IWINT, Inc.）的计算机辅助创新平台Pro/ Innovator和创新能力拓展平台CBT/NOVA等。采用设计方法学可以使学生在方案设计过程中提出创新性的技术方案、更好的解决技术问题。

2.2 CAD技术

CAD（Computer Aided Design）技术是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。以智能CAD为代表的现代设计技术是由设计专家系统完成的。这种系统能够模拟某一领域内专家的设计过程，采用单一知识领域的特定问题，把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多的是计算机参与方案的决策、性能分析等常规设计过程，从而大大地提高设计效率。CAD系统集成化是当前CAD技术发展的一个重要方向，可以把CAD，CAM，CAPP和CAT集成为CAE计算机辅助工程系统，使设计、制造、工艺、测试工作一体化。目前有很多成熟的CAD系统，如AutoCAD，SolidWorks，Pro/E，UG及国产软件CAXA。这些软件功能强大、各有特点，需要有选择性的使用。目前，AutoCAD更多用于二维工程图纸的绘制和二次开发；三维造型则采用SolidWorks，Pro/E和UG；国产软件CAXA集成了国标的零件库等内容，在二维工程图纸绘制和二次开发中被广泛采用。采用这些CAD软件能够直观构思零件并形成装配体，通过产品虚拟装配及时发现设计中存在的问题。

2.3 优化设计

优化设计又称最优化设计（Optimum Design），它是以数学规划理论为基础，以计算机为辅助工具的一种设计方法。这种方法首先确立优化目标，将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法、选择或编制计算程序，通过计算机自动获得最优设计方案。对于机械产品设计来说，常需要根据其设计要求合理确定各种参数，如重量、体积、运动速度、承载力、成本等，以期达到最佳设计指标。实践表明，优化设计方法是保证产品具有优良性能、减轻自重或体积、降低工程造价的一种有效设计方法，可以极大地提高设计效率，同时可以使设计者从大量繁琐、重复的计算工作中解脱出来。另外，通过优化设计可以得到技术条件限制下的优势设计，从而得到实际最优技术方案。常用的优化算法包括黄金分割法、鲍威尔法、变尺度法、惩罚函数法等等，前人已经开发出相应的BASIC，C和Matlab程序，操作起来比较便利。在毕业设计过程中采用优化设计方法对学生提出了更高的要求，即要求学生得到的技术方案不仅仅是正确的，而且还是最优的。

2.4 有限元法

有限元法（Finite Element Method）是以计算机为工具的一种现代数值计算方法，不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利工具。有限元不但可以求结构体的位移和应力，还可以对结构体进行稳定性分析和动力分析，求出结构的自激振动频率、振型等动力响应以及动变形和动应力等。目前，广泛应用的有限元软件有Ansys和Abaqus等，这些软件有强大的前处理（自动生成单元格、形成输入文件）和后处理（显示计算结果、绘制变形图、等直线图、振型图并可动态显示结构的动力响应等）程序。在机械学科本科毕业设计中常遇到的是结构分析，即研究重要的工程零部件的应力和变形问题，采用有限元法进行结构分析将极大地简化工程计算，其计算结果可以为实际的工程应用提供可靠的依据。

3 应用效果分析

河北科技大学机械电子工程学院于2008年开始在机械本科专业开展了“现代设计理论与方法”的教学工作，该课程的主讲教师在机械学科本科毕业设计环节中引导学生应用现代设计理论与方法进行设计已经整整3年了。作为教学实践改革的试点在本科毕业设计中普遍采用现代设计方法的同学共21人，其中设计获得优秀的5人、良好10人、中等4人、及格2人，其中还有2人获校级优秀毕业设计。学院推荐的成绩格次比例为优秀15%、良好35%、中等35%、及格15%，校级优秀毕业设计的比例为3%，可见试验组成绩格次明显高于推荐格次，说明在机械学科本科毕业设计中采用现代设计方法取得了较好的设计效果。

4 结束语

通过对河北科技大学机械电子工程学院本科毕业设计的教学实践改革研究发现，现代设计方法作为先进的设计工具在机械学科本科毕业设计中具有广泛应用前景，常用的有效工具包括设计方法学、CAD技术、优化设计和有限元法等，学生在毕业设计中普遍采用现代设计方法可以极大地提高设计效率和设计水平。

[1] 白晓虎，张祖立，辛明金.现代设计方法在机械类专业毕业设计中的应用[J].中国现代教育装备，2008，9：25～26

[2] 倪晓宇，刘英.现代设计方法教学方法的实践与初探[J].科技教育创新，2008，10：226～227

[3] 王凤岐.现代设计方法及其应用[M].天津大学出版社，2008

[4] 刘国强.应用CAD技术的现代机械设计[J].中国新技术新产品，2008，11：69

[5] 张付祥，刘振宇.基于现代设计方法学的平面研磨机设计[J].河北工业科技，2011，1

Application of modern design methods in the graduation designs of mechanical subject

Zhang Fuxiang, Li Wenzhong
School of mechanical and electronic engineering, Hebei university of science & technology, Shijiazhuang,050018,China

2011-01-04 稿件编号：1101007

张付祥，博士，副教授。

河北省教育科学研究“十一五”规划课题“机械专业基础课实践教学的研究”（编号：O8020382）；“河北科技大学博士科研启动基金项目”（编号：QD200936）。