設計質量論文：畢業設計的品質改善剖析范文

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作者：張毅杰孔令瓊施杰鄒歡單位：云南農業大學工程技術學院云南農業大學水利水電與建筑學院

設計環節方面

設計環節有機械原理課程設計、汽車設計課程設計、機械設計課程設計和畢業設計。在各課程設計環節，雖然已全面采用AutoCAD軟件，但AutoCAD軟件的應用僅體現在提高繪制二維工程圖的效率上，設計方法仍然遵循教材的傳統設計。

在畢業設計環節，近兩年已有教師引導學生應用三維軟件SolidWorks等進行畢業設計，在三維建模及轉換二維工程圖等方面進行了有益的實踐，提高了畢業設計質量。但如何有效地將三維CAD／CAE技術導入畢業設計，建立設計分析一體化的實踐教學平臺，是我院車輛專業教師亟待解決的課題。

CAD／CAE技術引入畢業設計的必要性和緊迫性

隨著計算機技術、數值技術和機械設計的相互滲透與結合，產生了CAD／CAE技術即計算機輔助設計和計算機輔助工程，它包括二維繪圖設計、三維幾何造型設計、虛擬樣機仿真模擬、有限元分析及優化設計等內容，具有很強的應用性，已廣泛應用在社會各行業的產品設計與計算分析中，且在發揮著越來越大的作用。

二維繪圖設計是學生必備的基本技能之一，也是目前教學的重心。然而，隨著汽車行業的迅猛發展，汽車產品外觀設計、復雜曲面設計、車輛復雜的零部件裝配干涉檢查、汽車運動仿真和力學仿真是二維CAD繪圖難以做到的，因此具備一定三維CAD設計能力的畢業生會更加受到用人單位的歡迎與青睞。由筆者指導的2007、2008屆其中的三位學生因畢業設計中較好地掌握了三維UG軟件的應用而分別被宇通、一汽紅塔和沈飛優先錄用。作為將來專業的汽車設計人員掌握現代化的CAD／CAE設計分析一體化的知識和應用技能十分必要。由于工程技術學院車輛工程專業在CAD／CAE教學上的滯后，導致學生在畢業設計之前，對三維CAD造型設計及計算機輔助工程CAE的認識與應用幾乎是空白。因此，將CAD／CAE技術導入畢業設計這一最后的實踐教學環節十分緊迫。

畢業設計質量優化實例分析

以車輛典型零部件驅動橋橋殼的工程設計實例，分析了引入CAD／CAE技術提高畢業設計質量的幾個重要方面。

（一）基于CAD／CAE技術的畢業設計選題畢業設計題目類型一般可分為虛擬類型、科研類型及生產實踐類型。虛擬型題目主要以完成教學訓練為目的，通過學生綜合運用所學知識實現教師設定的設計目標。這類選題多是在前期各專業課課程設計基礎上的提高與升華。就工程技術學院教學現狀，CAD／CAE技術在這類題目的應用空間相對較小，主要應用于零件圖、裝配圖的繪制。

科研型題目一般來源于教師科研項目的子課題，這類題目可拓展學生的知識面，但具有一定的難度和深度，對學生的整體素質要求較高。

CAD／CAE技術在這類題目中具有十分重要的應用價值。但鑒于目前我院的相關科研項目較少及學生自身能力有限，CAD／CAE技術在此類題目中的作用發揮有限。

生產實踐型題目來源于工廠生產實際，對培養學生確立科學的設計思想和樹立嚴謹認真的工作作風大有裨益。CAD／CAE技術可最大化地導入此類題目的設計中，很好地滿足工程技術學院車輛工程專業應用型本科教育的培養目標。例如筆者指導的2007級車輛工程專業六位學生以云南某機械廠《進口鏟運機關鍵部件的國產化改代》項目為課題來源，在原設計國產化后發現，運用傳統設計計算較安全的橋殼卻在實際工作中不時發生斷裂，通過引入CAD／CAE技術，可揭示橋殼應力的真實變化規律，據此進行橋殼的改進設計，解決了工程實際問題。這類具有明顯工程背景的題目，不僅提高了學生的積極性，強化工程實踐環節，還使學生獲取了新知識、新思想以及新的設計技能，向企業所需的工程技術人員靠近。

（二）CAD／CAE設計軟件的分層次應用CAD／CAE設計軟件很多，筆者結合學生的能力、畢業設計時間、面向企業的工作預期等因素，要求學生二維設計軟件精通AutoCAD，三維設計軟件熟悉UG。原因主要有三點：一是熟練掌握AutoCAD是本科教學目標之一，而且目前其在我國中小企業產品設計中仍發揮著極其重要的作用；二是UG是集設計、分析和制造一體化的高端三維設計軟件，它貫穿了產品開發和制造的全過程，如果能夠熟練掌握UG軟件，不僅能在未來的就業中增加份量很重的籌碼，而且將來學習和應用目前企業較為流行的中端三維軟件SolidWorks、SolidEdge等也將十分容易；三是AutoCAD和UG的有效結合為學生在畢業設計中實現繼承和創新提供有力的支撐。

根據學院分配畢業設計學生的構成，筆者將六位學生按照能力層次分為三組，相應地設計軟件的應用也分為三個層次，即能力較弱的學生以精通二維AutoCAD為重點，兼顧三維軟件UG的學習應用；能力較強的學生以三維軟件UG中建模模塊為重點，兼顧CAE高級仿真的學習與應用。圖1為某學生創建的橋殼三維模型。理論知識扎實、創新能力較強的學生主攻CAE有限元分析模塊，對橋殼進行有限元結構分析，為后續結構改進提供依據。圖2為某學生所做的針對橋殼在不平路面沖擊載荷作用下的有限元分析應力云圖。

（三）通過CAD／CAE與相關課程的關聯性強化知識的融合，提高設計質量基于CAD／CAE技術橋殼的設計過程可令學生將大一至大四相關課程的知識融合貫通。例如，AutoCAD進行的橋殼二維設計使學生強化了《機械制圖》、《CAD工程制圖》等知識；UG創建三維橋殼模型的過程是學生運用《機械設計》、《汽車設計》等相關理論知識通過空間思維進行的實戰；應用UG有限元分析對橋殼的強度分析及優化設計是《理論力學》、《材料力學》、《現代設計方法》等課程的綜合運用。因此，通過CAD／CAE技術這根主線可以很好地將所學知識串聯起來，優化了學生的知識結構，為提高畢業設計質量提供堅實基礎。

（四）傳統設計與現代設計的協調與遞進課題來源的鏟運車驅動橋殼是國外原型機進行國產化改造項目中的關鍵零部件之一，該企業采用的是類比設計，通過測繪、尺寸調整、強度校核等傳統方法進行的設計。按照知識結構的循序漸進原則，對于本科生而言首先應該進行傳統常規設計的實踐鍛煉，以鞏固和提高所學經典理論。因此，在設計第一階段，六位學生共同進行方案設計及前期的理論計算，讓每個學生都切身體驗如何運用書本知識解決生產實際問題。在常規設計基礎上，按照因材施教的原則，在設計第二階段，將六位學生分成基礎組、提高組及創新組。基礎組以二維工程設計（繪圖）為主，創建橋殼工程圖并進行結構改進；提高組以三維設計為主，運用參數化設計方法建立橋殼的三維造型；創新組運用有限元分析知識，對橋殼進行結構靜力學分析及優化分析，從而實現設計創新。而每個小組的設計又不是割裂的，是相輔相成互相促進的：基礎組的二維設計必須與提高組三維設計交互進行，提高組的三維模型的建立是創新組有限元分析的前提。所以，整個設計過程要求學生團隊合作、共同提高，實現了傳統設計與現代設計的協調與遞進。

（五）構建設計分析一體化的思想，實現繼承與創新CAD／CAE技術引入畢業設計的核心愿望就是使學生構建起設計分析一體化的思想，其對培養學生現代工程素質至關重要。在CAD方面，高端設計軟件UG可以實現概念設計、三維零部件建模及裝配分析等功能，可以及時發現設計問題；在CAE方面，通過UG捆綁的高級仿真模塊可實現橋殼在各工況下的受力和變形分析，并及時發現設計中的薄弱環節和缺陷，從而指導結構優化設計。圖3是某學生做的結構優化后橋殼在不平路面沖擊載荷作用下的應力云圖，通過對比圖2可知應力分布更為合理且應力幅值由原來的4565MP下降至3932MP。通過CAD／CAE技術的工程實踐，還使學生懂得無論是傳統設計法還是現代設計法，基點總是前人積累的知識和經驗，以此為支撐進行創新。一個新產品的設計，總是舊產品局部創新基礎上量變到質變的結果。

畢業設計質量優化效果

通過對比分析引入CAD／CAE技術前后的2006級、2007級兩屆畢業設計質量可以得出優化效果。

（一）設計效率明顯提高

兩屆選題難度相當，但2006級是應用傳統設計方法結合二維繪圖工具的汽車制動器設計，在12個周的設計周期里，幾乎沒有同學能按時完成，在最后答辯的一周里加班加點匆忙提交，答辯之后又修改了近2周。而2007級應用UG三維設計軟件，將更多精力放在整個產品全局上，直接從三維進行產品設計并利用參數驅動設計模式實時動態修改，用結構仿真代替繁瑣的理論計算，高效地實現了汽車橋殼設計、分析與優化。2007級六位學生通過合作，在兩個月內就完成了全部設計任務，并且順利通過答辯。

（二）設計質量明顯提高

2006級學生設計內容是汽車制動器，主要是整合已學的知識實現設計目標，由于學生接觸不到新的方法和手段，積極性難以調動起來，再加上畢業設計期間也是學生擇業和考研的關鍵時期，因此造成學生以應付差事的態度對待畢業設計。而2007級引入CAD／CAE技術后，學生不僅獲得了新的知識和方法，還通過高效的設計軟件節省了大量的時間和精力，緩解了畢業設計與找工作及考研的矛盾。通過統計，2006級每周集中討論的出勤率僅在65％左右，而2007級出勤率則在80％以上，2006級畢業設計平均成績78分，而2007級平均成績為83分，可見，無論學生的積極性還是設計質量都得到了明顯提高。

進一步提高CAD／CAE技術在畢業設計中應用效果的建議

第一，目前工程技術學院車輛工程專業還未開設任何三維設計軟件課程，建議在大三開設一門中端三維設計軟件例如SolidWorks作為專業必修課，在大四上學期可開設高端三維設計軟件例如UG作為選修課，為大四下學期有興趣選擇三維設計的學生提供技術準備。

第二，將CAD／CAE技術融入專業模塊教學中，例如：在大一可以將CAD三維建模知識融入到《機械制圖》教學中，將CAE有限元分析融入到《材料力學》強度理論部分的教學中；在大三《機械原理》、《機械設計》課程中應用CAD技術解決零部件三維造型，應用CAE技術解決零部件強度校核問題以及常見機構運動分析和力的分析。

第三，工程技術學院目前實習工廠已有數控車床和數控銑床，為進一步實現設計、分析與制造的銜接，使學生能加工出自己所設計的產品，從而更加激發設計熱情，建議結合工廠實際增加生產實踐類畢業設計課題的選擇，實現CAD／CAE／CAM一體化，使學生感覺與企業距離更近，更有利于培養企業歡迎的新型人才。

第四，工程技術學院相關教師應迅速提升一系列三維設計軟件的應用能力，有條件學院可組織教師集中培訓并建立相應的培訓機構，全面提升三維設計能力。另外建議學院可以將是否采用CAD／CAE等現代先進技術作為一項重要評價指標納入到車輛工程專業相關課程設計和畢業設計的質量評價體系中。

CAD／CAE技術已逐步成為工廠企業現代產品設計的主流技術，必須樹立新的教育質量觀念，優化畢業設計內容和設計手段，提高畢業設計的技術含量和設計質量。隨著對CAD／CAE技術認識上的不斷深入，隨著工程技術學院車輛工程專業基礎課、專業基礎課和課程設計等教學環節改革的展開及軟硬條件的改善，CAD／CAE技術必將對畢業設計的質量優化起到越來越大的作用，畢業生的現代工程素質和設計創新能力也將得到顯著增強。