1 引言

　　機械設(shè)計課程設(shè)計是機械設(shè)計課程的一個重要的實踐家學(xué)環(huán)節(jié)。也是學(xué)生第一次進行全面地的機械設(shè)計的系統(tǒng)綜合訓(xùn)練。設(shè)計題目一般為通用機械或其他簡單機械的傳動裝置，如各種減速器的設(shè)計。主要內(nèi)容包括：傳動方案的擬定，傳動參數(shù)的選擇計算，傳動零件、軸和軸承的設(shè)計計算，總裝圖和零件圖的繪制，設(shè)計計算說明書的撰寫。課程設(shè)計的主要目的是指導(dǎo)學(xué)生綜合運用機械設(shè)計課程和其他先修課程的知識分析和解決機械設(shè)計問題，學(xué)會機械設(shè)計的一般方法，掌握通用機械零部件、機械傳動裝置或簡單機械的設(shè)計過程和設(shè)計方式，培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力。通過設(shè)計和繪圖，學(xué)會運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料，培養(yǎng)機械設(shè)計的基本技能。

　　傳統(tǒng)機械設(shè)計課程設(shè)計的設(shè)計手段是手工設(shè)計、計算和繪圖，設(shè)計計算繁雜，設(shè)計、繪圖和修改很不方便。學(xué)生依樣畫虎，大部分時間和精力用在設(shè)計計算和畫圖上，方案和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計考慮的比較少。前幾年我們通過改變課程設(shè)計題目的出題形式、內(nèi)容和要求，改革指導(dǎo)方法和教學(xué)手段，改革考核方法和評分標準，收到一定成效。隨著CAD/CAE發(fā)展和普及，出現(xiàn)很多計算機輔助設(shè)計和分析軟件，利用這些軟件來完成機械設(shè)計課程設(shè)計，將學(xué)生從繁雜的設(shè)計計算中解脫出來，把時間和精力集中到方案創(chuàng)新和零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上來，提高設(shè)計興趣和創(chuàng)新設(shè)計能力。

　　2 CAD/CAE簡介

　　計算機輔助工程(CAE)是利用計算機的高速處理能力，使人們在很短的時間內(nèi)得到和處理大量的數(shù)據(jù)，拓展人們認識物質(zhì)世界的能力，減輕人們的體力和腦力勞動。CAE是一個總的名稱，從廣義上講，其內(nèi)容很多，包括計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助創(chuàng)新(CAI)、計算機輔助分析(CAA)、計算機輔助優(yōu)化(CAO)和計算機輔助制造(CAM)等。目前人們通常從狹義上來講計算機輔助工程，CAE是指計算機輔助工程分析，是指依據(jù)科學(xué)理論利用計算機建立反映工程問題中多個參數(shù)之間相互影響和相互作用的關(guān)系式并進行求解，主要內(nèi)容包括計算結(jié)構(gòu)力學(xué)(FEA，有限元分析)、計算多體系統(tǒng)動力學(xué)(CMD)、計算流體動力學(xué)(CFD)。CAE已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、鑄造、噪聲控制和產(chǎn)品設(shè)計等多個領(lǐng)域。計算機輔助設(shè)計(CAD)是指利用計算機軟件和硬件來輔助完成一項工程設(shè)計的一切實用技術(shù)的總和，如模型的建立、修改、分析和優(yōu)化等。它是一種現(xiàn)代設(shè)計方法，也是一門學(xué)科綜合應(yīng)用的技術(shù)。

　　3 CAD在設(shè)計計算中應(yīng)用

　　十年前，我們就將自編的帶傳動的設(shè)計計算程序給學(xué)生在機械設(shè)計課程設(shè)計中使用。隨著機械CAD機械的發(fā)展，出現(xiàn)了很多完整的設(shè)計計算軟件，例如機械設(shè)計手冊軟件版中的計算程序。2008年，我校選用吳宗澤主編的《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》，該書的配套光盤中的帶有計算機輔助設(shè)計計算程序，包括有V帶、同步帶、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動和滾動軸承等，完全能滿足課程設(shè)計中設(shè)計計算的要求，并且利用計算結(jié)果在AutoCAD可自動生成主要的視圖，為后續(xù)二維工程圖的繪制帶來許多方便。

　　4 由三維到二維繪制二維工程圖

　　AutoCAD這類二維CAD軟件在一定程度上減輕了二維工程圖的繪制和修改的工作量，但二維圖形表達的內(nèi)容不夠直觀，有的學(xué)生參考圖冊依葫蘆畫瓢，并沒有真正理解設(shè)計意圖。由于計算機硬件和軟件水平的不斷提高，很多三維CAD軟件在PC機上早能方便地運行，例如Pro/E、Solidwrks、UG等。我校在2007年專業(yè)教學(xué)計劃修訂時將三維實體造型作為選修課在大二的上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生選修的積極性很高，機制專業(yè)的全部學(xué)生均選修了三維實體造型。三年級上學(xué)期開設(shè)機械設(shè)計課程設(shè)計，推薦學(xué)生應(yīng)用三維CAD軟件建立零部件的三維實體模型，虛擬裝配成裝配體，再生成二維工程圖。由于在三維軟件中零件實體模型、裝配體模型和二維工程圖是相互關(guān)聯(lián)的，零件和裝配體模型的任何修改，在二維工程圖中就會自動的修改。三維實體模型直觀，外觀材質(zhì)豐富，設(shè)計和修改很方便。學(xué)生興趣濃厚，將較多的時間和精力花在零部件的結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計上，真正提高了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。　

　　5 借助于三維CAD進行計算機輔助工程分析(CAE)

　　專業(yè)的CAE軟件很多，如ANSYS、Nastran、ADINA等，但這些專業(yè)的分析軟件功能強大也比較復(fù)雜，要一個本科生花費較多的時間從頭學(xué)好一個分析軟件，學(xué)時有限。實際上，上述幾種主流三維CAD軟件也有CAE模塊，并且功能齊全、計算精確、簡單好用。例如，Solidwrks的CosmsWorks插件可以進行線性靜態(tài)分析、非線性分析、頻率分析、扭曲分析、疲勞分析、熱分析和優(yōu)化分析等。機械設(shè)計課程設(shè)計中主要需要對傳動零件、軸、軸承等進行強度校核。因此，這些三維CAD的CAE的模塊完全可滿足計算分析要求。學(xué)生在上述第二階段已建立三維實體模型的基礎(chǔ)上，不必進行文件類型的轉(zhuǎn)換，在CAE模塊下，通過定義材料及其他屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷，即可求得結(jié)果。并且結(jié)果還可通過云圖、線圖、動畫等多種形式表達出來。

　　6 結(jié)論

　　通過修訂教學(xué)計劃，創(chuàng)建由三維到二維的機械設(shè)計模式。在機械設(shè)計課程設(shè)計中利用計算機輔助設(shè)計計算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用三維CAD軟件建立零部件的三維實體結(jié)構(gòu)，再用有限元分析的模塊，對關(guān)鍵零件的強度進行校核。

　　(1)由于三維CAD軟件有強大的虛擬裝配能力，裝配過程可動態(tài)顯示，裝配后可進行干涉檢查、運動仿真，從而檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。如有錯誤，零部件結(jié)構(gòu)修改后，重建模型，再次檢查，操作方便。學(xué)生完整體驗到產(chǎn)品設(shè)計的要求和全過程，真正受到機械工程師專業(yè)技能的訓(xùn)練。

　　(2)應(yīng)用有限元進行零部件的強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運算速度快，計算精度高，運算結(jié)果表達方式多樣，形象直觀。模型修改和重新計算方便，可很好的貫徹課程設(shè)計的邊計算、邊繪圖、邊修改的“三邊”原則。

　　(3)在課程設(shè)計中應(yīng)用CAD/CAE，學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計方法有了初步的認識，改變傳統(tǒng)的錯誤的觀念。舊的觀念認為機械設(shè)計就是翻書查表，手段落后。過程枯燥。應(yīng)用CAD/CAE作課程設(shè)計，大大減少了設(shè)計計算和修改工程圖的工作量，三維實體模型的建立也為后續(xù)的計算機輔助制造(CAM)奠定基礎(chǔ)。