SolidWorks在机械设计课程设计教学中的应用

任云， 李伟

（海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

0 引言

机械设计课程设计是机械类专业课程教学体系中一个重要的实践环节，它是学生首次综合运用所学的工程制图、工程力学、机械设计、互换性与测量技术等理论知识来解决工程实际问题的实践训练［1-2］。该实践课程是对学生的机械设计实做技能和创新能力的一次全面训练［3］，对其进行后续专业课程的学习起着很好的传承作用，甚至对学生进行毕业设计乃至走上工作岗位都有着重要的影响。

在当今时代，随着计算机技术的迅速发展，各种与计算机结合的三维参数化设计技术在工程实际中的应用也日益显著，可以说已成为现代产品设计与制造的主流技术手段。为适应企业对设计与制造类人才需求的发展，使学生具备一定的三维设计技能是很有必要的，因而在本课程的教学中，引入了功能强大、易学易用的SolidWorks三维参数化设计软件。结合SolidWorks软件虚拟设计的优势，开展机械设计课程设计的教学探讨。

1 机械设计课程设计的现状分析

机械设计课程设计，是培养学生一般机械设计能力的实践环节［4］。设置课程设计的教学目的，就是要让学生能够借助所学知识，设计出一套涵盖常用传动、联接和通用零部件，且性能优良的简单机械，以锻炼其机械设计和实际应用的能力。目前，多数院校的课程设计题目是围绕齿轮减速器展开的输送装置设计，设计中往往是设定好传动方案和相应的传动参数与工况条件，学生只需按部就班地去实施减速器主要传动、联接和零部件的设计计算，再画出装配图和零件图，最后完成设计计算说明书［5-6］。这种做法不仅限制了学生的创新思维，约束了其独立思考和解决实际工程问题的能力，也不利于对机械系统整体概念的理解和构建。而且，大都采用二维CAD软件进行设计和绘图，由于学生缺乏机械设计实战经验，需要对设计过程进行反复地校核和修正。这势必会使得学生感到枯燥乏味，且困难重重，甚至对课程设计失去了信心和兴趣，最后导致了随便做做或抄袭别人的现象，完全违背了实践课程的教学目的。

2 Solid Works在机械设计课程设计教学中的应用

根据课程的教学安排，学生一般须在两周或40学时内完成传动方案的确定、总体传动参数的计算和确定、零部件的设计、工程图的绘制、设计说明书的编写等多项任务。时间紧迫，加之缺乏设计经验，势必导致学生在设计中出现反复修正、重零件轻总体、最终装配干涉等现象。鉴于此，在教学中，引入三维参数化设计软件SolidWorks，实现零件的动态设计与校核、装配体的动态干涉检查以及二维图纸的自动生成和输出。

SolidWorks软件具有界面友好、功能强大、操作灵活、易学易用等优点。其在复杂产品外观设计、曲面建模、装配体干涉检查、二维输出、动画仿真、有限元建模分析计算等各方面都具备良好的性能，是二维CAD绘图软件难以实现的。

基于三维参数化设计的SolidWorks软件采用全相关技术，并在设计思路上支持自下而上和自上而下的设计方式［7］。在零件的设计阶段时，学生可以充分利用SolidWorks软件三维参数化动态设计的优势，实现边设计、边画图、边校核的“三边”设计。如需修改结构尺寸，可直接在三维模型中进行动态修改，软件即可自动生成与修改尺寸相匹配的新模型，无需像在二维绘图中那样逐一地检查和修改。这样，不仅大大减少了学生反复修正和校核的工作量，提高了设计效率，也激发了学生学习的兴趣和乐趣。

2.1 引入SolidWorks，实现零件的“三边”设计

在设计零件时，学生可以充分利用SolidWorks软件三维参数化动态设计的优势，实现边设计、边画图、边校核的“三边”设计。学生首先根据所学设计理论完成零件的初步设计，然后利用SolidWorks软件直接绘出零件的三维模型，最后对于需要校核机械性能的零件可以利用手动理论校核和SolidWorks Simulation功能模块进行双重校核和验证。如果零件的机械性能不满足要求，需修改零件的结构尺寸，可以直接在先前的三维模型中进行动态尺寸修改，软件即可自动生成与修改尺寸相匹配的新模型。

2.2 引入SolidWorks，实现虚拟装配和干涉检查

利用SolidWorks软件进行建模和装配是比较灵活和人性化的，可以从两种思路进行。第一种思路是遵循大多数三维设计软件的操作模式，首先建立起所有零件的模型，之后利用SolidWorks的虚拟装配功能将各零件模型导入装配体中，根据各零件间的约束关系建立起装配体模型，最后在虚拟装配体中检查零件的干涉情况并校正。此思路注重“先零件，后装配”的思想，顺序清晰、不易遗漏，但最后进行干涉检查，如若存在干涉，调整工作量显得庞大。对于基础相对较弱，各零部件和装配关系分析不是太透彻的学生建议考虑此种思路。第二种思路是零件模型和装配体模型同时构建，首先确定出装配体的大致外形和其关键零件，初步设计出组成装配箱体的基体零件（如减速器的箱座和箱盖）和关键零件（如减速器中的轴、齿轮等）；再运用SolidWorks的虚拟装配功能把这些零件装配起来，大致确定零部件间的相互关系和相对位置；然后再在零件模型图中完成各种零件的具体结构设计和绘制，利用SolidWorks软件的全相关技术，修改后的零件模型会自动导入装配体中，在装配体中可以实时通过干涉检查以确认各零件是否存在干涉现象。此思路注重“先整体，后个体”的思想，干涉检查是实时动态的，直观准确且不易出错，但需处理好个体和整体之间的关联关系，以免遗漏。对于基础相对较好，各零部件和装配关系分析透彻的学生建议考虑此种思路。

2.3 三维向二维的自动转化

在各零件和装配体的三维模型完成之后，对于需要输出二维图纸的零部件和装配体，可以直接利用SolidWorks软件三维转二维的图纸输出功能，根据三维模型自动生成满足设计需求的工程图，并能根据设置满足国标或企标的要求。前面提到SolidWorks软件采用全相关技术，如需修改零件的某些参数，只要对三维模型进行修改，其二维图纸将自动关联修改。在完成三维模型建立的同时，即为二维图纸的建立打下了基础。对于初次进行全面设计训练的学生来说，这样的设计思路和理念会显得更加人性化，不仅大大降低了绘制和校验二维图纸的难度，也可尽量避免容易疏漏的问题。

3 结语

机械设计课程设计是机械类专业重要的实践教学环节之一，对培养学生分析和解决工程实际问题的能力起着十分重要的作用。本文将SolidWorks三维参数化设计软件与设计实践相结合，大大改善了课程设计枯燥乏味的局面，不仅激发了学生学习的兴趣和热情，而且提高了学生的设计实践能力与创新能力，为其日后能顺利从事机械设计与产品研发工作打下良好的基础。

［1］ 李学艺，丁淑辉，魏军英.机械设计课程设计教学研究［J］.教育教学论坛，2014（41）∶178-180.

［2］杨丽红，甘屹，徐名聪.“机械结构设计”课程的教学实践［J］.上海理工大学学报：社会科学版，2012，34（2）∶165-168.

［3］梁永政，段非.《机械设计课程设计》教学改革探讨［J］.装备制造技术，2012（10）∶200-201，230.

［4］刘建华，庞姗.《机械设计课程设计》改革的探索与实践［J］.湖南农机，2011（9）∶170-171.

［5］莫海军，黄华梁，徐忠阳.《机械设计课程设计》教学方法改革与探索［J］.装备制造技术，2009（7）∶188-190.

［6］ 张中利，党玉功.CAD/CAE在机械设计课程设计教学改革中的应用［J］.中国电力教育，2012（4）∶84-85.

［7］ 王敏，王宏.SolidWorks机械设计完全自学手册［M］.北京：机械工业出版社，2012.