CAD/CAE在机械设计课程设计中的应用

张友湖，李芯

（武汉工程职业技术学院，武汉 430415）

0 引言

机械设计基础是高等职业教育机械类学生的必修课，而机械设计课程设计，是机械类设计课程教学的综合性和实践性教学环节，是多门专业基础课的综合运用，可以培养学生的设计思想以及分析问题、解决问题的实际应用能力。高职院校机械类专业，非常重视机械设计课程设计的教学工作，也对机械设计课程设计的教学进行了一系列改革，形成了一整套机械设计课程设计任务指导书及检验评价标准，对完成机械设计课程设计的教学，使其达到目标规定的教学效果起到了很好的促进作用。随着高等职业教育教学改革不断深入、职业院校生源变化、社会对技能型人才要求的提高，机械设计课程设计也需进一步地适应社会发展需要，作出相应的调整。

1 CAD/CAE 在机械设计中的应用

利用CAD/CAE 技术，进行产品的三维造型设计，由产品的三维造型，通过数控机床生成实体零件，已在许多制造企业成为现实。高等职业院校机械类相关专业，基本上都开设了三维设计类软件课程。三维CAD/CAE 技术在产品的三维造型、虚拟装配、工程图生成、动态干涉检验、运动仿真和机构运动分析以及结构受力分析等方面，都有非常强大的功能。三维CAD/CAE 的应用，极大地提高了设计效率和设计效果，在设计及后续处理过程中，优势更是明显。在一些大的关联设计工程中，可以使得复杂的问题简单化，通过给设计人员细分项目，使得各个设计人员既可互相关联，又可各自独立地进行设计工作。基于CAD/CAE 的产品设计基本步骤如图1 所示。

图1 CAD/CAE 产品设计步骤

2 应用实例

2.1 任务分配

产品设计可以在没有参照的情况进行，也可以在原有实体的基础上改进创新。我校机械设计课程设计，都是让学生根据实体总成作为参照，完成设计过程。参照件一般都是普通圆柱齿轮减速器。学生通过零件测绘过程，得出相关外形参数，根据测绘得到的外型参数，进行零件和总成的设计。课程设计分小组进行，各小组根据减速器输出轴输出功率不同，经过相应校核计算，选择材料、计算轴径、齿轮参数等，完成各自的设计任务。

2.2 三维模型设计

我校是PTC 授权教学培训基地，Pro/E 是我校机械类学生必修课程，通过Pro/E 课程的学习，学生基本上能够熟练使用Pro/E 进行机械零件的三维造型设计，虚拟装配及运动仿真。利用三维设计软件Pro/E，进行三维零件的造型设计，可以非常直观地表现设计者的设计意图，而且设计过程中，可以很容易地对设计任务进行修改，也可在较复杂的大型设计项目中，实现团队合作，分工设计。作为传统的机械设计课程设计题目，减速器涵盖了机械设计中基本典型零件的设计。减速器中的主要零部件，如上箱体、下箱体、减速齿轮、传动轴、齿轮轴等三维造型如图2所示。三维零件造型完成之后，再将各三维零件造型进行虚拟装配，对虚拟装配图，可通过爆炸图查看零件的装配情况，通过装配体干涉检查，可查看三维建模效果。如存在干涉现象，则根据需要，修改零件的三维建模。减速器未装配上箱体三维图、完整装配图及爆炸图如图3 所示。

图2 减速器主要零件图

图3 减速器装配及爆炸图

2.3 运动和受力分析

通过对减速器的运动分析，可进一步查看减速器整体设计状况，由输入轴的速度，可通过运动分析中的测量得到输出轴的速度，从而知道齿轮参数是否满足设计要求。由运动干涉分析，可进一步查看零部件的设计及装配是否合理。由输入轴的输入功率，可对装配体进行机械分析，也可对关键零件进行单体机械分析，进一步检验零部件和减速器整体设计装配是否合理。如某个零件受力超过材料许用应力，则需重新修改零部件设计，直至符合受力要求。

2.4 零部件的二维工程图

将定型的零件，由Pro/E 的工程图模块，转换成二维三视图，再根据需要，输出二维工程图。图4 所示为减速器下箱体三视图及轴侧图。

3 结语

基于CAD/CAE 进行机械设计课程设计，适应了当今社会对技能型人才的需求，对提高教学质量，激发学生对本门课程的学习兴趣，都有较大程度的促进作用。但是要开发出一套行之有效的基于CAD/CAE 的机械设计课程设计指导手册，仍然有许多工作要做，比如学生设计的检验及评判标准等项目，都需要重新摸索。通过在应用中慢慢完善，完全可以开发出一套适用的基于CAD/CAE 的课程设计体系。

图4 减速器下箱体三视图及轴侧图