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设计质量论文:毕业设计的品质改善剖析

2013/01/24 阅读:

作者:张毅杰孔令琼施杰邹欢单位:云南农业大学工程技术学院云南农业大学水利水电与建筑学院

设计环节方面

设计环节有机械原理课程设计、汽车设计课程设计、机械设计课程设计和毕业设计。在各课程设计环节,虽然已全面采用AutoCAD软件,但AutoCAD软件的应用仅体现在提高绘制二维工程图的效率上,设计方法仍然遵循教材的传统设计。

在毕业设计环节,近两年已有教师引导学生应用三维软件SolidWorks等进行毕业设计,在三维建模及转换二维工程图等方面进行了有益的实践,提高了毕业设计质量。但如何有效地将三维CAD/CAE技术导入毕业设计,建立设计分析一体化的实践教学平台,是我院车辆专业教师亟待解决的课题。

CAD/CAE技术引入毕业设计的必要性和紧迫性

随着计算机技术、数值技术和机械设计的相互渗透与结合,产生了CAD/CAE技术即计算机辅助设计和计算机辅助工程,它包括二维绘图设计、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,具有很强的应用性,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。

二维绘图设计是学生必备的基本技能之一,也是目前教学的重心。然而,随着汽车行业的迅猛发展,汽车产品外观设计、复杂曲面设计、车辆复杂的零部件装配干涉检查、汽车运动仿真和力学仿真是二维CAD绘图难以做到的,因此具备一定三维CAD设计能力的毕业生会更加受到用人单位的欢迎与青睐。由笔者指导的2007、2008届其中的三位学生因毕业设计中较好地掌握了三维UG软件的应用而分别被宇通、一汽红塔和沈飞优先录用。作为将来专业的汽车设计人员掌握现代化的CAD/CAE设计分析一体化的知识和应用技能十分必要。由于工程技术学院车辆工程专业在CAD/CAE教学上的滞后,导致学生在毕业设计之前,对三维CAD造型设计及计算机辅助工程CAE的认识与应用几乎是空白。因此,将CAD/CAE技术导入毕业设计这一最后的实践教学环节十分紧迫。

毕业设计质量优化实例分析

以车辆典型零部件驱动桥桥壳的工程设计实例,分析了引入CAD/CAE技术提高毕业设计质量的几个重要方面。

(一)基于CAD/CAE技术的毕业设计选题毕业设计题目类型一般可分为虚拟类型、科研类型及生产实践类型。虚拟型题目主要以完成教学训练为目的,通过学生综合运用所学知识实现教师设定的设计目标。这类选题多是在前期各专业课课程设计基础上的提高与升华。就工程技术学院教学现状,CAD/CAE技术在这类题目的应用空间相对较小,主要应用于零件图、装配图的绘制。

科研型题目一般来源于教师科研项目的子课题,这类题目可拓展学生的知识面,但具有一定的难度和深度,对学生的整体素质要求较高。

CAD/CAE技术在这类题目中具有十分重要的应用价值。但鉴于目前我院的相关科研项目较少及学生自身能力有限,CAD/CAE技术在此类题目中的作用发挥有限。

生产实践型题目来源于工厂生产实际,对培养学生确立科学的设计思想和树立严谨认真的工作作风大有裨益。CAD/CAE技术可最大化地导入此类题目的设计中,很好地满足工程技术学院车辆工程专业应用型本科教育的培养目标。例如笔者指导的2007级车辆工程专业六位学生以云南某机械厂《进口铲运机关键部件的国产化改代》项目为课题来源,在原设计国产化后发现,运用传统设计计算较安全的桥壳却在实际工作中不时发生断裂,通过引入CAD/CAE技术,可揭示桥壳应力的真实变化规律,据此进行桥壳的改进设计,解决了工程实际问题。这类具有明显工程背景的题目,不仅提高了学生的积极性,强化工程实践环节,还使学生获取了新知识、新思想以及新的设计技能,向企业所需的工程技术人员靠近。

(二)CAD/CAE设计软件的分层次应用CAD/CAE设计软件很多,笔者结合学生的能力、毕业设计时间、面向企业的工作预期等因素,要求学生二维设计软件精通AutoCAD,三维设计软件熟悉UG。原因主要有三点:一是熟练掌握AutoCAD是本科教学目标之一,而且目前其在我国中小企业产品设计中仍发挥着极其重要的作用;二是UG是集设计、分析和制造一体化的高端三维设计软件,它贯穿了产品开发和制造的全过程,如果能够熟练掌握UG软件,不仅能在未来的就业中增加份量很重的筹码,而且将来学习和应用目前企业较为流行的中端三维软件SolidWorks、SolidEdge等也将十分容易;三是AutoCAD和UG的有效结合为学生在毕业设计中实现继承和创新提供有力的支撑。

根据学院分配毕业设计学生的构成,笔者将六位学生按照能力层次分为三组,相应地设计软件的应用也分为三个层次,即能力较弱的学生以精通二维AutoCAD为重点,兼顾三维软件UG的学习应用;能力较强的学生以三维软件UG中建模模块为重点,兼顾CAE高级仿真的学习与应用。图1为某学生创建的桥壳三维模型。理论知识扎实、创新能力较强的学生主攻CAE有限元分析模块,对桥壳进行有限元结构分析,为后续结构改进提供依据。图2为某学生所做的针对桥壳在不平路面冲击载荷作用下的有限元分析应力云图。

(三)通过CAD/CAE与相关课程的关联性强化知识的融合,提高设计质量基于CAD/CAE技术桥壳的设计过程可令学生将大一至大四相关课程的知识融合贯通。例如,AutoCAD进行的桥壳二维设计使学生强化了《机械制图》、《CAD工程制图》等知识;UG创建三维桥壳模型的过程是学生运用《机械设计》、《汽车设计》等相关理论知识通过空间思维进行的实战;应用UG有限元分析对桥壳的强度分析及优化设计是《理论力学》、《材料力学》、《现代设计方法》等课程的综合运用。因此,通过CAD/CAE技术这根主线可以很好地将所学知识串联起来,优化了学生的知识结构,为提高毕业设计质量提供坚实基础。

(四)传统设计与现代设计的协调与递进课题来源的铲运车驱动桥壳是国外原型机进行国产化改造项目中的关键零部件之一,该企业采用的是类比设计,通过测绘、尺寸调整、强度校核等传统方法进行的设计。按照知识结构的循序渐进原则,对于本科生而言首先应该进行传统常规设计的实践锻炼,以巩固和提高所学经典理论。因此,在设计第一阶段,六位学生共同进行方案设计及前期的理论计算,让每个学生都切身体验如何运用书本知识解决生产实际问题。在常规设计基础上,按照因材施教的原则,在设计第二阶段,将六位学生分成基础组、提高组及创新组。基础组以二维工程设计(绘图)为主,创建桥壳工程图并进行结构改进;提高组以三维设计为主,运用参数化设计方法建立桥壳的三维造型;创新组运用有限元分析知识,对桥壳进行结构静力学分析及优化分析,从而实现设计创新。而每个小组的设计又不是割裂的,是相辅相成互相促进的:基础组的二维设计必须与提高组三维设计交互进行,提高组的三维模型的建立是创新组有限元分析的前提。所以,整个设计过程要求学生团队合作、共同提高,实现了传统设计与现代设计的协调与递进。

(五)构建设计分析一体化的思想,实现继承与创新CAD/CAE技术引入毕业设计的核心愿望就是使学生构建起设计分析一体化的思想,其对培养学生现代工程素质至关重要。在CAD方面,高端设计软件UG可以实现概念设计、三维零部件建模及装配分析等功能,可以及时发现设计问题;在CAE方面,通过UG捆绑的高级仿真模块可实现桥壳在各工况下的受力和变形分析,并及时发现设计中的薄弱环节和缺陷,从而指导结构优化设计。图3是某学生做的结构优化后桥壳在不平路面冲击载荷作用下的应力云图,通过对比图2可知应力分布更为合理且应力幅值由原来的4565MP下降至3932MP。通过CAD/CAE技术的工程实践,还使学生懂得无论是传统设计法还是现代设计法,基点总是前人积累的知识和经验,以此为支撑进行创新。一个新产品的设计,总是旧产品局部创新基础上量变到质变的结果。

毕业设计质量优化效果

通过对比分析引入CAD/CAE技术前后的2006级、2007级两届毕业设计质量可以得出优化效果。

(一)设计效率明显提高

两届选题难度相当,但2006级是应用传统设计方法结合二维绘图工具的汽车制动器设计,在12个周的设计周期里,几乎没有同学能按时完成,在最后答辩的一周里加班加点匆忙提交,答辩之后又修改了近2周。而2007级应用UG三维设计软件,将更多精力放在整个产品全局上,直接从三维进行产品设计并利用参数驱动设计模式实时动态修改,用结构仿真代替繁琐的理论计算,高效地实现了汽车桥壳设计、分析与优化。2007级六位学生通过合作,在两个月内就完成了全部设计任务,并且顺利通过答辩。

(二)设计质量明显提高

2006级学生设计内容是汽车制动器,主要是整合已学的知识实现设计目标,由于学生接触不到新的方法和手段,积极性难以调动起来,再加上毕业设计期间也是学生择业和考研的关键时期,因此造成学生以应付差事的态度对待毕业设计。而2007级引入CAD/CAE技术后,学生不仅获得了新的知识和方法,还通过高效的设计软件节省了大量的时间和精力,缓解了毕业设计与找工作及考研的矛盾。通过统计,2006级每周集中讨论的出勤率仅在65%左右,而2007级出勤率则在80%以上,2006级毕业设计平均成绩78分,而2007级平均成绩为83分,可见,无论学生的积极性还是设计质量都得到了明显提高。

进一步提高CAD/CAE技术在毕业设计中应用效果的建议

第一,目前工程技术学院车辆工程专业还未开设任何三维设计软件课程,建议在大三开设一门中端三维设计软件例如SolidWorks作为专业必修课,在大四上学期可开设高端三维设计软件例如UG作为选修课,为大四下学期有兴趣选择三维设计的学生提供技术准备。

第二,将CAD/CAE技术融入专业模块教学中,例如:在大一可以将CAD三维建模知识融入到《机械制图》教学中,将CAE有限元分析融入到《材料力学》强度理论部分的教学中;在大三《机械原理》、《机械设计》课程中应用CAD技术解决零部件三维造型,应用CAE技术解决零部件强度校核问题以及常见机构运动分析和力的分析。

第三,工程技术学院目前实习工厂已有数控车床和数控铣床,为进一步实现设计、分析与制造的衔接,使学生能加工出自己所设计的产品,从而更加激发设计热情,建议结合工厂实际增加生产实践类毕业设计课题的选择,实现CAD/CAE/CAM一体化,使学生感觉与企业距离更近,更有利于培养企业欢迎的新型人才。

第四,工程技术学院相关教师应迅速提升一系列三维设计软件的应用能力,有条件学院可组织教师集中培训并建立相应的培训机构,全面提升三维设计能力。另外建议学院可以将是否采用CAD/CAE等现代先进技术作为一项重要评价指标纳入到车辆工程专业相关课程设计和毕业设计的质量评价体系中。

CAD/CAE技术已逐步成为工厂企业现代产品设计的主流技术,必须树立新的教育质量观念,优化毕业设计内容和设计手段,提高毕业设计的技术含量和设计质量。随着对CAD/CAE技术认识上的不断深入,随着工程技术学院车辆工程专业基础课、专业基础课和课程设计等教学环节改革的展开及软硬条件的改善,CAD/CAE技术必将对毕业设计的质量优化起到越来越大的作用,毕业生的现代工程素质和设计创新能力也将得到显著增强。

设计质量论文:毕业设计的品质改善剖析

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