SolidWorks在机械设计基础教学中的应用与实践

许竞翔 卢康 王斌 田卡

[摘 要] 文章以高速潜航器中舵面结构的优化设计为例，讨论了在机械设计基础课堂中引入SolidWorks三维建模的教学新方法。该方法以直观的理论模型为手段，注重提高学生的学习兴趣，有助于培养学生的设计建模和在解决实际工程问题过程中的创新能力。

[关键词] 机械设计;三维建模;教学改革;创新能力

[作者简介] 许竞翔（1985—），男，云南昆明人，上海海洋大学工程学院副教授，博士，硕士生导师，研究方向为原子与近原子尺度制造。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0198-02    [收稿日期] 2020-01-09

引言：机械设计基础是一门培养学生机械设计能力的专业基础课，也是高等院校工科教育的重要组成部分，做好机械设计类课程的教学是人才培养的关键，其重要的教学意义在于——培养学生的创新设计能力，为国家工程领域培养创新型高水平人才[1]。但是，目前的机械设计基础教学中尚还存在许多的问题[2]，因此，为了使学生的学习能力、创新能力以及解决实际工程问题能力得到提高，应试教育的现状也应该得到改善。

在机械设计课程的教学中，使用直观易懂的三维模型能很清晰地表达出机构与机构之间的运动关系，学生通过三维模型能够很容易地理解复杂机构的工作原理。同时，三维建模技术还为学生搭建了一个自由创新的平台，学生通过SolidWorks、UG、Pro/E等机械设计类三维建模软件，可以充分地发挥自己的创新能动性。因此，如何将计算机仿真技术与基础课程的教学体系、内容和方法有机地结合起来，是我国高等教育教学现代化的一项重要内容。

本文提出以超级猎鹰3高速潜航器结构设计为例，探讨了在机械设计基础教学中引入SolidWorks三维建模的教学方法，倡导学生在机械设计基础课程的学习中，应用SolidWorks对实际工程中复杂问题的建模以及简化，使学生更全面地理解在解决实际工程问题的设计环节应该着重注意的问题，并在设计建模的过程中对基础理论知识的进一步巩固和对自身创新能力的进一步锻炼。

一、机械设计基础教学中的现状

目前，我国高校对于机械设计基础课程的教学改革和创新仍在进行，且取得了一定的成果。比如，上海理工大学汪昌盛为了改善目前机械设计类课程教学中，重理论原理，轻实践应用，重传授教学，轻学生参与的问题，提出教师在工程实践案例教学前，需要了解该案例提出的背景和应用领域，查阅文献和目前应用领域，以引导学生的学习积极性和主动创造性[3];佳木斯大学李宪芝等人提出在实验教学内容上注意与相关课程关联，及时更新实验内容，减少验证性与演示性实验，增加与工程实际联系密切的综合性、设计性及创新性实验，吸收科研新成果，研究并开发实践性强的工程实验项目，增加学生对机械的感性认知，提高对基础理论实际运用能力。

但是，目前的机械设计基础教学仍然存在许多的问题，需要继续加大力度进行教学改革和优化。主要存在的问题有：

1.传统上的灌输式的教育方式。灌输式的教育方式多年来一直都是我国理论教学中存在的一个问题。且因为灌输式的教育方式固有的弊端，使得学生在临考前采取突袭的方法求得考试的通过，短时间的大量记忆具有瞬时性，死记硬背不加理解也导致在考试以后不久专业知识就忘得一干二净，形成了应试教育的不良风气。

2.缺乏实践和案例来支撑理论知识。以美国密歇根大学为例，在30课时的机械设计类课程中，有高达80%的课时都是案例分析与实践操作，只有少数几个课时的理论知识讲解。

3.案例太老旧，没有与现代化机械行业紧密联系起来。许多教师在备课时都没有准备充分，使用的PPT还是很久之前的，其中一些案例跟不上工业的现代化进程，这也不能达到培养专业人才的要求。

基于此，必须要将教学改革重新放到高校高等教育发展和建设的重要位置上，优化教学方案，提高教学质量，最大限度地调动学生的学习积极性。

二、SolidWorks在机械设计基础教学中的应用

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和流体仿真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。基于三維参数化设计的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。

在机械设计基础教学中引入SolidWorks软件，使得课堂教学变得简单易懂，尤其是在机械设计基础课程设计中，学生通过设计方案的要求自行设计出零件的三维图纸，再进行装配，最后对于需要进行机械校核的零件还可以通过SolidWorks Simulation插件进行有限元分析和校核。在反复的修改零件参数、调试装配方案的过程中，使得学生对理论知识掌握得更牢固，同时也提高了设计效率。

三、算例分析

问题描述：水下潜航器作为一种功能强大的海洋探索工具，但是潜航器在水下高速行驶时，其受到的阻力等问题造成实际航行速度低于理论航行速度，因此需要对其进行结构优化，解决上述问题。本文基于SolidWorks，以超级猎鹰3（Super falcon 3， SF3）潜航器的舵面结构的设计为例，介绍了对机械设计基础教学中SolidWorks的引入方法。

由于SF3的舵面结构相对复杂，学生对其结构的空间理解较为困难。如水平舵控制模型的沉浮，方向舵控制模型的转向，其安装定位精度涉及测试时的航行精度还有航行安全，因此，对于其安装专门设计有安装方法。安装结果如图1（a）所示。

安装定位：为例控制多面与内部拉杆形成特定的角度，在机身外部画有角度刻度，在机身内侧有便于安装的拉杆初始位定位孔。如图1（b）所示。舵安装的时候整体需要拆开，贯穿第四段机身旋转孔，之后在进行校正。以左侧的水平舵的安装为例，首先将舵杆穿过旋转孔，将拉杆的舵角固定于定位孔，定位孔相对于安装平面下偏60°，将机身外部的多面也静止于对应位置，然后进行拧紧便可固定。其他舵的安装方法相同。

舵面：采用模型船的现成舵进行安装，后专门设计一舵面安装与原舵面上，形成SF3模型舵面经济高效，如图1（c）所示。

拉杆的干涉保护：如图1（d）所示，同一侧的水平舵舵角与方向舵舵角在特殊情况下会相互碰撞，但是当舵角相撞时，外部的舵面还有一定角度，这样就避免掉舵面相撞，由此在内侧舵角之间形成干涉保护。以上分析为特殊情况，一般情况下，控制部分将会避免两相邻舵角相撞。

通过对SF3舵面结构进行三维优化设计，可以大大提高学生在课堂及课后自主学习的能力以及创新设计能力，增强了学生的空间想象和空间理解能力。学生借助SolidWorks软件，熟悉了对机械设计领域中的现代化建模方法，并且通过借助3D打印技术，与生产实际也紧密了结合起来。

四、结语

机械设计基础是一门培养学生机械设计能力的专业基础课，它是从事机械行业的专业基础，也是学习专业知识的必修课程。而SolidWorks软件对这门课程的教学起到了极大的辅助作用，不仅体现在教师可以通过建立三维模型和动画解释机构原理，还体现在可以作为一个学生自由发挥的平台，充分锻炼学生的创新思维、设计能力和解决实际工程中问题的能力。因此在机械设计基础教学过程中引入SolidWorks软件是一种非常有效的教学方法，达到了更好的教学效果。

参考文献

[1]朱继华.创新能力培养目标下高校机械设计类课程教学改革探讨[J].内燃机与配件，2019（21）：265-266.

[2]谢长雄，韩斌，王建臣，邓小雷，陈艳.计算机辅助机械设计教学改革研究[J].教育现代化，2019（39）：48-49.

[3]汪昌盛.机械设计教学中的工程案例应用实践探讨[J].教育教学论坛，2019（33）：199-200.