基于卓越工程师培养目标下应用Mathcad实现机械设计教学创新

周宇　刘建树　李占妮　刘琼

[摘 要]借助数学软件PTC Mathcad的带单位的计算功能，可以方便解决机械设计课程的计算问题， 其计算表达式与书写表达式高度一致，便于用户学习和使用。为实现机械设计制造及其自动专业的卓越工程师培养计划，可以对在机械设计教学中应用Mathcad完成零部件设计进行研究和创新。

[关键词]Mathcad 机械设计；工程计算；卓越工程师

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）10-0066-03

机械设计制造及其自动化专业是国家建设和社会发展的支柱学科专业之一。[1]皖西学院已成立机械专业的卓越工程师班，其突出以机械设计课程为中心和工程应用能力的培养[2]，这就要求机械设计课程教学做出改革和创新。

机械设计课程以一般尺寸通用零件的设计为核心[3]，其特点之一是虽涉及大量的数值计算和单位换算，但定性的分析比定量的计算重要。在课程结束时，还有为期两周的课程设计，学生需要完成方案设计、齿轮、键、轴、轴承等传动零件的设计计算与校核、绘制装配图、绘制轴与齿轮的零件工作图和整理设计计算说明书。在时间紧、任务重的情况下，会出现有些学生为赶进度，直接修改计算结果、甚至是抄袭的现象。这就要求教师在教学方法上要有所创新，以适应应用型“卓越工程师培养”目标，让学生从定量计算中解脱出来，专注于定性的分析，引导学生使用智能化的数学软件，增进对问题本质的认识，加强思维方式的创新[4]，让学生应用先进的现代设计方法及设计手段去解决工程实际问题[5]，开拓他们的视野。

Mathcad是一款交互式数学系统软件，可进行代数、矩阵、微积分、符号等各种运算，现已广泛应用于工程力学、数字信号处理、化学化工和统计学等领域。[6]笔者根据多年的教学经验，以机械设计课程为研究对象，依托机械设计制造及其自动化专业的卓越工程师培养计划，从教材中精选若干实例，介绍Mathcad在机械设计课程教学中的应用，希望借此提高学生机械设计的学习效率，并找到解决工程实践问题的方法。

一、Mathcad在机械设计课程教学中的应用实例

（一）45钢在不稳定变应力作用下的计算安全系数和循环次数

（二）给定滚动轴承预期寿命，选择其型号问题

已知轴承径向载荷Fr：=5500N，轴向载荷Fa：=2700N，轴承转速n：=1250rpm，装轴承处的轴颈直径可在50mm～60mm范围选择，运转时有轻微冲击，预期计算寿命L′h：=5000hr。

通过上两例可见，Mathcad的计算过程与机械设计教材的计算过程几乎完全一致，其计算表达式与书写的数学表达式很相近。另一个突出的特点是可带单位进行计算，结果自动显示相应的单位，并且能够根据使用者的需要进行单位变换，甚至可以自定义单位[7]，这很适合以工程应用为培养目标的卓越工程师班学习。

（三）图表的数字化处理

设计机械零件时，需要查询大量的图表，在Mathcad中可把图表通过定义为矩阵并结合插值或拟合函数完成查询工作，从而实现对图表的数字化处理。

以带传动为例，包角修正系数如表2所示：

定义包角修正系数矩阵：

传递给三次样条插值函数的x值已按升序排列，无须再做处理，调用lspline函数返回每个数据点处的二阶导数值的矢量l：=lspline（Kα f<0>，Kα f<1>），使用interp函数插值：

Kα （x）：=interp（l，Kα f<0>，Kα f<1>，x）

应用此函数求解小带轮包角为对应下的包角系数Kα（152°）=0.923。另，本例中，根据转速计算线速度的公式是v=，而Mathcad中的应使用v：=·n1，这是因为Mathcad能包含单位计算，可自动完成单位的转化，当包含单位时，只需要根据线速度的定义，用半径乘上角速度即可，不用考虑与单位转换有关的系数。其他求解同教材例。

二、结论

将Mathcad软件应用于机械设计的教学与实践中，利用其简单、形象且强大的计算功能，经过2～4学时的课堂讲解及适当的课后上机，学生即能使用Mathcad完成作业与课程设计。若能结合PTC公司的另一三维设计软件Creo Parametric，就能在Mathcad与Creo之间建立数据连接，把Mathcad的计算结果以参数形式传递给Creo建模，从而实现计算机辅助设计，而不仅仅是辅助绘图。这非常适合培养本科应用型“卓越工程师”的要求。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 蒋占四，王衍学，杨连发.结合“卓越工程师教育培养计划”的国家特色专业建设——以桂林电子科技大学机械设计制造及其自动化专业建设为例[J].高教论坛，2013（1）：73-75.

[2] 田君，钟守炎，孙振忠.基于卓越工程师培养目标和“学习产出”（OBE）教学模式的机械设计课程群的建设与改革[J].教育教学论坛，2015（31）：118-120.

[3] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计（第9版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4] 邝华.Mathcad在《理论力学》教学中的应用[J].广西物理，2012（33）：51-53.

[5] 田君，韩立发.基于卓越工程师培养目标下机械设计基础课程教学的改革[J].东莞理工学院学报，2013（20）：100-104.

[6] 张卫，马荔，陈虹锦，谢少艾，韩莉.MathCAD软件在“无机与分析化学”课程教学中的应用[J].化学教育，2015（4）：59-63.

[7] 杨鹰，李海普，叶红齐，金一粟，劉辉，周永华，刘道德.基于MathCAD的化工专业教学平台建设[J].湖南医科大学学报（社会科学版），2009（11）：163-166.

[责任编辑：陈 明]endprint