1 引言

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

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

　　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得到和處理大量的數據，拓展人們認識物質世界的能力，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，其內容很多，包括計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助創新(CAI)、計算機輔助分析(CAA)、計算機輔助優化(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，是指依據科學理論利用計算機建立反映工程問題中多個參數之間相互影響和相互作用的關系式并進行求解，主要內容包括計算結構力學(FEA，有限元分析)、計算多體系統動力學(CMD)、計算流體動力學(CFD)。CAE已廣泛應用于航空航天、汽車制造、鑄造、噪聲控制和產品設計等多個領域。計算機輔助設計(CAD)是指利用計算機軟件和硬件來輔助完成一項工程設計的一切實用技術的總和，如模型的建立、修改、分析和優化等。它是一種現代設計方法，也是一門學科綜合應用的技術。

　　3 CAD在設計計算中應用

　　十年前，我們就將自編的帶傳動的設計計算程序給學生在機械設計課程設計中使用。隨著機械CAD機械的發展，出現了很多完整的設計計算軟件，例如機械設計手冊軟件版中的計算程序。2008年，我校選用吳宗澤主編的《機械設計課程設計手冊》，該書的配套光盤中的帶有計算機輔助設計計算程序，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，完全能滿足課程設計中設計計算的要求，并且利用計算結果在AutoCAD可自動生成主要的視圖，為后續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容不夠直觀，有的學生參考圖冊依葫蘆畫瓢，并沒有真正理解設計意圖。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年專業教學計劃修訂時將三維實體造型作為選修課在大二的上學期開設，學生選修的積極性很高，機制專業的全部學生均選修了三維實體造型。三年級上學期開設機械設計課程設計，推薦學生應用三維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聯的，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，外觀材質豐富，設計和修改很方便。學生興趣濃厚，將較多的時間和精力花在零部件的結構的創新設計上，真正提高了學生的創新設計能力。　

　　5 借助于三維CAD進行計算機輔助工程分析(CAE)

　　專業的CAE軟件很多，如ANSYS、Nastran、ADINA等，但這些專業的分析軟件功能強大也比較復雜，要一個本科生花費較多的時間從頭學好一個分析軟件，學時有限。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分析、非線性分析、頻率分析、扭曲分析、疲勞分析、熱分析和優化分析等。機械設計課程設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。學生在上述第二階段已建立三維實體模型的基礎上，不必進行文件類型的轉換，在CAE模塊下，通過定義材料及其他屬性、劃分網格、添加約束和載荷，即可求得結果。并且結果還可通過云圖、線圖、動畫等多種形式表達出來。

　　6 結論

　　通過修訂教學計劃，創建由三維到二維的機械設計模式。在機械設計課程設計中利用計算機輔助設計計算，在結構設計時，利用三維CAD軟件建立零部件的三維實體結構，再用有限元分析的模塊，對關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，裝配過程可動態顯示，裝配后可進行干涉檢查、運動仿真，從而檢驗結構設計的正確性。如有錯誤，零部件結構修改后，重建模型，再次檢查，操作方便。學生完整體驗到產品設計的要求和全過程，真正受到機械工程師專業技能的訓練。

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

　　(3)在課程設計中應用CAD/CAE，學生對現代設計方法有了初步的認識，改變傳統的錯誤的觀念。舊的觀念認為機械設計就是翻書查表，手段落后。過程枯燥。應用CAD/CAE作課程設計，大大減少了設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的計算機輔助制造(CAM)奠定基礎。