机械设计专业解决复杂问题的项目式教学实践

汪泉　孙金风　王君　任军　魏琼

摘 要 为了提高机械专业本科生解决机械相关复杂问题的能力，本教学实践结合实际项目提出综合运用MATLAB、PROE及ANSYS软件解决复杂机械相关问题的教学方法。本项目式教学，引入复杂机械曲面造型问题，借助常用三款软件各自的优点，对复杂问题进行数据处理，建立其三维模型并进行有限元分析。综合知识多，难度较大，对培养重点高校学生创新与科学研究具有很好的指导作用。

关键词 MATLAB PROE ANSYS 机械设计 复杂问题 项目式教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.041

Abstract So as to improve the ability of solving complicated mechanical problems， a teaching method combined actual project using MATLAB， PROE， and ANSYS software is presented. The complicated mechanical surface is selected in this project teaching. According to the advantages of the three software， The data is calculated by MATLAB， the 3D model is built by PROE， and the finite element is analyzed by ANSYS. The project teaching is very useful for improving the innovation and science study in the key university students.

Key words MATLAB； PROE； ANSYS； mechanical design； complicated problem； project teaching

0 引言

机械设计及其自动化专业作为机械工程领域的一个重要分支，如何培养本科生综合运用本科机械设计专业所学知识，例如：高等数学、工程图学、工程力学、机械原理及机械设计等核心课程，使本科生在熟悉掌握理论知识的同时，能够运用几门软件解决机械领域复杂问题。徐高欢，陈雯兰等人①将MATLAB软件编制程序模拟机械设计中的连杆机构、齿轮运动仿真，使得课堂更加生动直观。李克勤②将CDIO教育理念引入到机械优化设计中，并通过两个项目的演示，使得教学取得了良好的教学效果。田和强，苏春建等③将“翻转课堂”教学模式引入CAD/CAE课程教学中，构建CAD/CAE软件课程翻转课堂教学模型。杨文敏④在机械设计课程设计中，运用CAD/CAE软件，推荐学生先建立三维实体模型，对关键零部件进行CAE分析，这一实施增强了学生的综合运用能力。段魏，范孝良⑤提出基于项目设计的研究性教学，提高了学生创新能力。此外，还有一些老师⑥⑦⑧在这方面做了很多教学改革与尝试，均取得了不错的教学效果。然而，以上教学改革往往只是注重某一方面的研究，而忽视了学生综合基础学科知识与专业知识，运用几款软件之间的连接来解决复杂机械问题。本文将以复杂机械问题为项目导入，学生在分析这类问题时，通过查阅资料不断回忆本科所学基本理论知识，另外，要求学生在一定的时间自学常用的三类软件，即科学计算软件、CAD三维画图以及CAE有限元分析软件，逐步提高学生综合运用相关知识去发现问题、解决问题的能力。本项目式教学探讨，将有利于提高重点高等院校研究型创新人才的培养。

1 项目的引入

本教学实践项目以复杂机械曲面几何造型为切入点（本文以风力发电机复杂叶片气动外形几何造型为项目任务），已知该叶片的几何参数，如叶片的二维截面几何数据、叶片弦长、扭角及叶片的长度等。要求学生运用相关数学知识将叶片二维数据转化为空间三维数据点；将叶片三维数据点导入CAD软件中建立复杂叶片三维实体模型；最后，将CAD中建立的模型导入CAE有限元软件中，进行有限元计算。

2 MATLAB解决第一类问题

针对第一个问题，要求学生对叶片的几何参数有一定的认识，通过老师讲解与学生查阅相关资料，使学生能够理解叶片是由翼型通过变换弦长及扭角而产生的。通过查阅相关资料，得知叶片三维坐标与二维坐标转换公式为：

（1）

其中，，为叶片翼型二维坐标，为叶片截面弦长；为叶片扭角，为叶片展长。

运用MATLAB编制程序，可计算出叶片三维坐标数据点，由于数据点较多，这里采用surfl命令以显示三维图来表示，如图3所示。通过第一类问题的解决，学生可学会解决复杂曲面数据点计算的问题，如汽车复杂曲面数据、航空航天模型數据点计算问题等。

3 CAD解决第二类问题

针对第二类问题，利用比较常用的Pro/E软件实现三维模型的建立。将数据点以.stl格式导入Pro/E软件中，绘制各截面的轮廓线，使用边界混合工具生成整体叶片框架，并完成曲面的合并，画出叶片实体图。

4 CAE解决第三类问题

针对第三类问题，引导学生查阅如何将三维CAD模型导入在有限元软件中（如ANSYS），通过将CAD模型另存为.igs格式，再导入到ansys有限元软件中。导入后，对模型进行前处理，网格划分及边界处理，得到有限单元网格模型如图5所示。该有限元模型建立后，后续可逐步提高学生有限元计算能力，如应力分析、模态分析等。

5 小结

通过一个复杂的机械设计综合性项目，很好地将基础学科与专业课程结合在一起，利用MATLAB解决基础学科相关问题，采用CAD三维软件将已经解决的基础学科问题直观地呈现出来，采用CAE软件对此项目进行力学分析。本项目式教学的开展，一方面使得学生能够熟练运用常用的软件，不仅意识到基础学科与专业学科的联系，另外一方面更能提高学生逐渐解决实际复杂问题的能力。将有益于重点院校机械类专业研究型创新人才的培养。

国家自然科学基金资助项目（51405140）

注释

① 徐高欢，陈雯兰，孙培峰，万海波. ＼MATLAB的交互式仿真在《机械设计基础》课程教学中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2014.26（1）：82-86.

② 李克勤.基于CDIO理念的机械优化设计课程教学实践[J].科教导刊，2015.11：128-129.

③ 田和强，苏春建，等.基于翻转课堂的机械专业类专业CAD/CAE软件课程教学设计[J].教育教学论坛，2014.37：158-159.

④ 杨文敏.CAD/CAE在机械设计课堂设计中的应用[J].实验科学与技术，2010.8（1）：106-108.

⑤ 段魏，范孝良.基于项目设计的“机械设计”研究型教学实践[J].科教导刊，2015.6：105-106.

⑥ 史越.三维CAD技术在机械设计中的应用探究[J].设计与研发，2013.23：26-27.

⑦ 唐川林，明兴祖，等.机械设计制造及其自动化专业人才培养模式改革与建设[J].教学研究，2011.34（6）：67-70.

⑧ 林怡青，谢宋良.以项目为线索的“机械设计基础”课程教学改革[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010.10：174-175.