摘要：CAD/CAE技术在现代产品设计中起着越来越重要的作用，通过强调建立机械系统整体概念、提前布置设计内容、合理分配设计任务、分组合作进行，使采用CAD/CAE技术进行课程设计得以实现，提高了学生的设计能力，保证了课程设计的良好效果。
关键词：课程设计；教学改革；CAD/CAE技术
作者简介：张中利（1969-），男，山东兖州人，河南科技大学车辆与动力工程学院，讲师；党玉功（1979-），男，河南开封人，河南科技大学车辆与动力工程学院，讲师。（河南 洛阳 471003）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）04-0084-02
机械设计课程设计是机械类专业课程教学重要的综合性和实践性教学环节，可培养学生正确的设计思想和分析、解决工程实际问题的能力，特别是总体设计和零部件设计的能力，是对学生的机械设计能力和创新能力的一次全面训练，对后续专业课程的学习、毕业设计乃至以后的工作都起着重要作用。
由于齿轮减速器基本涵盖了机械设计课程的大部分内容，有其综合性、合理性和适用性，因而很多学校都采用了带式或链式输送机方案，对其传动主体减速器进行构思和设计。而长期一成不变的设计方法和模式，给课程设计的教学也带来一定的弊端，如固定的题目和模式模仿性较强，限制了学生的主动思维和创新能力，设计的零件其结构工艺性与实际有一定的脱节等。对此不少教师提出和探讨了很多教学改革的办法，如变换课程设计新题目、增强学生实践能力、增强创新性锻炼、进行样机制作等。
而如今，计算机技术的迅速发展和软硬件支撑技术不断提高，使产品设计手段和方法在发生着显著的变化。计算机技术与数值计算技术、机械设计相互结合与渗透，产生了计算机辅助设计、计算机辅助工程等应用性很强的技术，即CAD/CAE技术，其在工程实际中的应用和作用日益显著。为使学生较好地适应和服务于社会，让其掌握一定的CAD/CAE技术是必要的，因而在机械设计课程设计中，为实现提高学生机械设计能力、增强创新性的目的，仍以减速器为设计对象，结合CAD/CAE技术，对机械设计课程设计的教学进行以下有益改革与探索。
一、建立机械系统整体概念，培养学生独立思考能力
一个完整的机械系统通常由原动机、传动装置、执行工作机三大部分组成，另外再辅以控制装置、操纵装置等辅助装置。通过课程教学和课程设计，要使学生设计出优良的简单机械，具有完整的机械系统整体概念是非常重要的。前期的机械原理课程设计偏重于机械方案和机构设计，而机械设计课程设计偏重于机械零件和结构设计，没能使一个完整的机械系统结合在一起。在机械设计课程设计布置中，通常的做法是传动方案已经拟定，并提供一定的工作参数和工作条件，让学生按照一定的思路和模式去设计计算，然后画出装配图和零件图，写出设计计算说明书。这种做法不利于培养学生独立思考和解决实际工程问题的能力，不利于形成和建立机械系统整体概念。[1]
有鉴于此，在布置课程设计题目时，可以是一个输送机械或提升机械，列出已知条件和工作条件，提供一定的参考资料和指导，让学生独自设计和拟定出系统布置与传动方案。由于系统布置和传动方案不复杂，要求不高，学生完全有能力解决，这样可使学生对机械系统有整体认识，培养学生独立思考和独立解决实际问题的能力。
二、提前布置，将课程设计穿插于课程教学中，增强学习和设计效果
通常课程设计的安排都是放在理论课程结束后进行，要求在3周的时间内设计绘制1个二级减速器，任务包括一张零号装配图、两张零件图和一份设计说明书，任务看似不多，但对初次进行机械设计的学生来说还是有一定难度和工作量的。这样做的结果是在较短时间内，学生全力以赴，靠加班加点甚至通宵达旦来做，很多问题来不及思考就在固定的思路和忙碌中匆匆完成了设计任务，学生的创新思维不能得到发挥，更不用说创造性设计。
针对这种情况，也为了采用CAD/CAE技术实现设计，前期的准备工作和充裕的准备时间是必不可少的。因而可在学期前就将课程设计任务布置下去，让学生明晓设计任务内容和设计目的，利用课余时间查阅相关资料，学习需要使用的CAD/CAE软件；同时在课程教学中，随时将与课程设计相关的内容强调告知给学生，使学生对教学内容引起足够的重视，及时消化吸收，并将学习内容应用到课程设计中，提前完成相应部分的课程设计计算。这样安排的好处是学生有足够时间去准备和理解，提高了学习积极性，较好掌握了课程教学内容，减少了设计紧迫性，增强设计和学习效果，也解决了学生因进行系统方案布置设计与拟定而时间不够用的矛盾。
三、合理分配设计任务，合作进行，充分发挥自身能力
学生知识水平、学习能力、思维能力、创新能力存在差别，在课程设计中所体现的理解接受能力和设计能力也不同。根据学生层次和能力不同，分配设计任务的内容和难度也相应作出区别。对中下等水平的学生按正常课程设计任务要求，要进行各传动装置的理论设计和计算，采用二维CAD软件绘制装配图和零件图；对中上等水平的学生要求参与系统方案布置设计和拟定，要求采用三维CAD 软件绘制零件图和装配图；对上等水平的学生，其学习能力和创新能力较强，要求其参与系统方案布置设计和拟定，采用CAE软件对传动系统进行动力学模拟分析，对重要零件进行刚强度有限元计算分析。布置任务的同时对学生进行分组，在每一组中都有上、中、下水平不同的学生，共同参与进行题目方案布置设计和拟定，根据分配任务的不同，相互合作，共同完成设计任务。这样，每位学生都有其需要完成的设计任务，各司其职，能充分发挥自身能力，调动学习和设计积极性，且在一起合作进行，相互讨论，相互学习，有利于培养学生的团队意识和团队合作精神，有助于提高学生的学习能力和知识水平。[2]
四、基于CAD/CAE技术设计分析，提高能力与兴趣
CAD/CAE即计算机辅助设计和计算机辅助工程，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、虚拟样机仿真模拟、有限元分析及优化设计等内容，是随着计算机技术的快速发展和系统软硬件水平的极大提高而出现的现代设计手段和方法，已广泛应用在社会各行业的产品设计与计算分析中，且在发挥着越来越大的作用。[3]
在机械行业的各企业，已广泛采用了CAD二维绘图设计技术，传统的手工绘图方法已被淘汰，机械专业的学生熟练使用CAD二维绘图的能力已成为就业时必备的基本技能之一，因而在课程设计中培养和锻炼学生使用二维CAD软件进行设计绘图是非常必要和有用的。三维CAD造型设计在企业复杂产品设计中发挥着重要作用，进行产品外观设计、复杂曲面设计、装配干涉检查、CAE计算建模等都是二维CAD绘图很难做到的，因而学生具有三维CAD设计造型能力可为以后工作打下良好基础，会更加受到用人单位的欢迎和青睐，在工作中能发挥更大的作用。在课程设计中，一些重要零件如齿轮、轴、轴承等的强度和寿命都是采用理论公式进行设计计算的，计算时载荷、模型等是经过简化处理的，且计算常按最大值进行，这样会造成计算点单一、结果片面且不精确，对于减速器壳体这样复杂的零件，采用理论公式进行强度计算就不好进行。针对这种情况，如采用CAE技术就能很好解决。利用CAE技术进行传动系统的运动学和动力学分析，可获得传动零件的运动参数和受力值，进行有限元建模分析计算，可获得各零件任意部位的应力状况和变形，准确掌握零件的强度和刚度情况，从而解决很多实际工程需要解决而理论分析计算无法解决的问题。
具体到课程设计中，在学期前进行任务布置，在学期间让学生进行相应应用软件的学习与资料查找。需要进行二维CAD绘图设计的学生，要掌握学习好一门二维CAD绘图软件，以便在学期末课程设计时能熟练使用，常用的二维CAD软件有AUTOCAD和CAXA等；需要进行三维CAD绘图设计的学生，要在老师指导下掌握学习好一门三维CAD设计软件，常用的三维CAD造型软件有SolidWorks、Proe、UG等；需要进行CAE分析的学生，要在老师指导下掌握学习好一门CAE软件，在CAE辅助分析技术中，进行虚拟样机和动力学分析计算的常用软件是ADAMS，进行有限元分析计算的常用软件有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。这样在每一组学生的课程设计中，他们共同进行系统方案布置设计与拟定，共同进行前期的理论计算，共同进行减速器的结构确定与设计，然后有学生采用二维CAD软件进行装配图和零件图设计，有学生进行各零件和装配图的三维造型设计绘制，有学生在三维装配图的基础上把三维装配图导入到动力学软件中进行虚拟样机运转和动力学计算分析，有学生在零件三维造型的基础上把重要零件如齿轮、轴等的三维模型导入到有限元软件中，通过加载、施加约束、划分网格来建立有限元模型，进行应力和位移等结果的有限元计算分析，并可将计算结果与理论计算结果对比验证，从而准确掌握零件的强度和刚度情况。因而，基于CAD/CAE技术进行课程设计，学生有很高的兴趣和积极性，通过学生的通力合作，可极大提高课程设计的水平和效果，较好地锻炼和提高学生的CAD/CAE设计能力，为后期毕业设计和以后参加工作打下坚实良好的基础。
五、结束语
CAD/CAE技术在现代产品设计中发挥着重大作用，尝试把CAD/CAE技术引入到机械设计课程设计中来，通过提前布置、合理分配设计任务，并实现学生建立机械系统整体概念的目的，使机械设计课程设计达到良好效果，提高课程设计的水平，提高学生的CAD/CAE设计能力，实现课程教学和课程设计教学的最终目的。
参考文献：
[1]刘大海.在机械设计课程设计中加强学生实践能力的培养[J].辽宁学院学报,2007,(1):147-148.
[2]匡兵,黄美发,等.《机械设计课程设计》的改革与探索[J].桂林电子工业学院学报,2005,(4):67-69.
[3]杜静,何玉林.机械CAD/CAE应用技术基础[M].北京:机械工业出版社,2008.
（责任编辑：刘辉）