設(shè)計(jì)質(zhì)量論文：畢業(yè)設(shè)計(jì)的品質(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)方面

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)有機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。在各課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，雖然已全面采用AutoCAD軟件，但AutoCAD軟件的應(yīng)用僅體現(xiàn)在提高繪制二維工程圖的效率上，設(shè)計(jì)方法仍然遵循教材的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，近兩年已有教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用三維軟件SolidWorks等進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，在三維建模及轉(zhuǎn)換二維工程圖等方面進(jìn)行了有益的實(shí)踐，提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。但如何有效地將三維CAD／CAE技術(shù)導(dǎo)入畢業(yè)設(shè)計(jì)，建立設(shè)計(jì)分析一體化的實(shí)踐教學(xué)平臺，是我院車輛專業(yè)教師亟待解決的課題。

CAD／CAE技術(shù)引入畢業(yè)設(shè)計(jì)的必要性和緊迫性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)的相互滲透與結(jié)合，產(chǎn)生了CAD／CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程，它包括二維繪圖設(shè)計(jì)、三維幾何造型設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)仿真模擬、有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，已廣泛應(yīng)用在社會各行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與計(jì)算分析中，且在發(fā)揮著越來越大的作用。

二維繪圖設(shè)計(jì)是學(xué)生必備的基本技能之一，也是目前教學(xué)的重心。然而，隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、車輛復(fù)雜的零部件裝配干涉檢查、汽車運(yùn)動仿真和力學(xué)仿真是二維CAD繪圖難以做到的，因此具備一定三維CAD設(shè)計(jì)能力的畢業(yè)生會更加受到用人單位的歡迎與青睞。由筆者指導(dǎo)的2007、2008屆其中的三位學(xué)生因畢業(yè)設(shè)計(jì)中較好地掌握了三維UG軟件的應(yīng)用而分別被宇通、一汽紅塔和沈飛優(yōu)先錄用。作為將來專業(yè)的汽車設(shè)計(jì)人員掌握現(xiàn)代化的CAD／CAE設(shè)計(jì)分析一體化的知識和應(yīng)用技能十分必要。由于工程技術(shù)學(xué)院車輛工程專業(yè)在CAD／CAE教學(xué)上的滯后，導(dǎo)致學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)之前，對三維CAD造型設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助工程CAE的認(rèn)識與應(yīng)用幾乎是空白。因此，將CAD／CAE技術(shù)導(dǎo)入畢業(yè)設(shè)計(jì)這一最后的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)十分緊迫。

畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)化實(shí)例分析

以車輛典型零部件驅(qū)動橋橋殼的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了引入CAD／CAE技術(shù)提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的幾個重要方面。

（一）基于CAD／CAE技術(shù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題畢業(yè)設(shè)計(jì)題目類型一般可分為虛擬類型、科研類型及生產(chǎn)實(shí)踐類型。虛擬型題目主要以完成教學(xué)訓(xùn)練為目的，通過學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識實(shí)現(xiàn)教師設(shè)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這類選題多是在前期各專業(yè)課課程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的提高與升華。就工程技術(shù)學(xué)院教學(xué)現(xiàn)狀，CAD／CAE技術(shù)在這類題目的應(yīng)用空間相對較小，主要應(yīng)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(xiàng)目的子課題，這類題目可拓展學(xué)生的知識面，但具有一定的難度和深度，對學(xué)生的整體素質(zhì)要求較高。

CAD／CAE技術(shù)在這類題目中具有十分重要的應(yīng)用價值。但鑒于目前我院的相關(guān)科研項(xiàng)目較少及學(xué)生自身能力有限，CAD／CAE技術(shù)在此類題目中的作用發(fā)揮有限。

生產(chǎn)實(shí)踐型題目來源于工廠生產(chǎn)實(shí)際，對培養(yǎng)學(xué)生確立科學(xué)的設(shè)計(jì)思想和樹立嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)大有裨益。CAD／CAE技術(shù)可最大化地導(dǎo)入此類題目的設(shè)計(jì)中，很好地滿足工程技術(shù)學(xué)院車輛工程專業(yè)應(yīng)用型本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)。例如筆者指導(dǎo)的2007級車輛工程專業(yè)六位學(xué)生以云南某機(jī)械廠《進(jìn)口鏟運(yùn)機(jī)關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化改代》項(xiàng)目為課題來源，在原設(shè)計(jì)國產(chǎn)化后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算較安全的橋殼卻在實(shí)際工作中不時發(fā)生斷裂，通過引入CAD／CAE技術(shù)，可揭示橋殼應(yīng)力的真實(shí)變化規(guī)律，據(jù)此進(jìn)行橋殼的改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了工程實(shí)際問題。這類具有明顯工程背景的題目，不僅提高了學(xué)生的積極性，強(qiáng)化工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，還使學(xué)生獲取了新知識、新思想以及新的設(shè)計(jì)技能，向企業(yè)所需的工程技術(shù)人員靠近。

（二）CAD／CAE設(shè)計(jì)軟件的分層次應(yīng)用CAD／CAE設(shè)計(jì)軟件很多，筆者結(jié)合學(xué)生的能力、畢業(yè)設(shè)計(jì)時間、面向企業(yè)的工作預(yù)期等因素，要求學(xué)生二維設(shè)計(jì)軟件精通AutoCAD，三維設(shè)計(jì)軟件熟悉UG。原因主要有三點(diǎn)：一是熟練掌握AutoCAD是本科教學(xué)目標(biāo)之一，而且目前其在我國中小企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中仍發(fā)揮著極其重要的作用；二是UG是集設(shè)計(jì)、分析和制造一體化的高端三維設(shè)計(jì)軟件，它貫穿了產(chǎn)品開發(fā)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(yè)中增加份量很重的籌碼，而且將來學(xué)習(xí)和應(yīng)用目前企業(yè)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(jié)合為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)繼承和創(chuàng)新提供有力的支撐。

根據(jù)學(xué)院分配畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生的構(gòu)成，筆者將六位學(xué)生按照能力層次分為三組，相應(yīng)地設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用也分為三個層次，即能力較弱的學(xué)生以精通二維AutoCAD為重點(diǎn)，兼顧三維軟件UG的學(xué)習(xí)應(yīng)用；能力較強(qiáng)的學(xué)生以三維軟件UG中建模模塊為重點(diǎn)，兼顧C(jī)AE高級仿真的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。圖1為某學(xué)生創(chuàng)建的橋殼三維模型。理論知識扎實(shí)、創(chuàng)新能力較強(qiáng)的學(xué)生主攻CAE有限元分析模塊，對橋殼進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。圖2為某學(xué)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(yīng)力云圖。

（三）通過CAD／CAE與相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)化知識的融合，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量基于CAD／CAE技術(shù)橋殼的設(shè)計(jì)過程可令學(xué)生將大一至大四相關(guān)課程的知識融合貫通。例如，AutoCAD進(jìn)行的橋殼二維設(shè)計(jì)使學(xué)生強(qiáng)化了《機(jī)械制圖》、《CAD工程制圖》等知識；UG創(chuàng)建三維橋殼模型的過程是學(xué)生運(yùn)用《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《汽車設(shè)計(jì)》等相關(guān)理論知識通過空間思維進(jìn)行的實(shí)戰(zhàn)；應(yīng)用UG有限元分析對橋殼的強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》等課程的綜合運(yùn)用。因此，通過CAD／CAE技術(shù)這根主線可以很好地將所學(xué)知識串聯(lián)起來，優(yōu)化了學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，為提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（四）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)與遞進(jìn)課題來源的鏟運(yùn)車驅(qū)動橋殼是國外原型機(jī)進(jìn)行國產(chǎn)化改造項(xiàng)目中的關(guān)鍵零部件之一，該企業(yè)采用的是類比設(shè)計(jì)，通過測繪、尺寸調(diào)整、強(qiáng)度校核等傳統(tǒng)方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)。按照知識結(jié)構(gòu)的循序漸進(jìn)原則，對于本科生而言首先應(yīng)該進(jìn)行傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)的實(shí)踐鍛煉，以鞏固和提高所學(xué)經(jīng)典理論。因此，在設(shè)計(jì)第一階段，六位學(xué)生共同進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及前期的理論計(jì)算，讓每個學(xué)生都切身體驗(yàn)如何運(yùn)用書本知識解決生產(chǎn)實(shí)際問題。在常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，按照因材施教的原則，在設(shè)計(jì)第二階段，將六位學(xué)生分成基礎(chǔ)組、提高組及創(chuàng)新組。基礎(chǔ)組以二維工程設(shè)計(jì)（繪圖）為主，創(chuàng)建橋殼工程圖并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)；提高組以三維設(shè)計(jì)為主，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立橋殼的三維造型；創(chuàng)新組運(yùn)用有限元分析知識，對橋殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析及優(yōu)化分析，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。而每個小組的設(shè)計(jì)又不是割裂的，是相輔相成互相促進(jìn)的：基礎(chǔ)組的二維設(shè)計(jì)必須與提高組三維設(shè)計(jì)交互進(jìn)行，提高組的三維模型的建立是創(chuàng)新組有限元分析的前提。所以，整個設(shè)計(jì)過程要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、共同提高，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)與遞進(jìn)。

（五）構(gòu)建設(shè)計(jì)分析一體化的思想，實(shí)現(xiàn)繼承與創(chuàng)新CAD／CAE技術(shù)引入畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心愿望就是使學(xué)生構(gòu)建起設(shè)計(jì)分析一體化的思想，其對培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代工程素質(zhì)至關(guān)重要。在CAD方面，高端設(shè)計(jì)軟件UG可以實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、三維零部件建模及裝配分析等功能，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題；在CAE方面，通過UG捆綁的高級仿真模塊可實(shí)現(xiàn)橋殼在各工況下的受力和變形分析，并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)和缺陷，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3是某學(xué)生做的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后橋殼在不平路面沖擊載荷作用下的應(yīng)力云圖，通過對比圖2可知應(yīng)力分布更為合理且應(yīng)力幅值由原來的4565MP下降至3932MP。通過CAD／CAE技術(shù)的工程實(shí)踐，還使學(xué)生懂得無論是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法還是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法，基點(diǎn)總是前人積累的知識和經(jīng)驗(yàn)，以此為支撐進(jìn)行創(chuàng)新。一個新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，總是舊產(chǎn)品局部創(chuàng)新基礎(chǔ)上量變到質(zhì)變的結(jié)果。

畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)化效果

通過對比分析引入CAD／CAE技術(shù)前后的2006級、2007級兩屆畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量可以得出優(yōu)化效果。

（一）設(shè)計(jì)效率明顯提高

兩屆選題難度相當(dāng)，但2006級是應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合二維繪圖工具的汽車制動器設(shè)計(jì)，在12個周的設(shè)計(jì)周期里，幾乎沒有同學(xué)能按時完成，在最后答辯的一周里加班加點(diǎn)匆忙提交，答辯之后又修改了近2周。而2007級應(yīng)用UG三維設(shè)計(jì)軟件，將更多精力放在整個產(chǎn)品全局上，直接從三維進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并利用參數(shù)驅(qū)動設(shè)計(jì)模式實(shí)時動態(tài)修改，用結(jié)構(gòu)仿真代替繁瑣的理論計(jì)算，高效地實(shí)現(xiàn)了汽車橋殼設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化。2007級六位學(xué)生通過合作，在兩個月內(nèi)就完成了全部設(shè)計(jì)任務(wù)，并且順利通過答辯。

（二）設(shè)計(jì)質(zhì)量明顯提高

2006級學(xué)生設(shè)計(jì)內(nèi)容是汽車制動器，主要是整合已學(xué)的知識實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，由于學(xué)生接觸不到新的方法和手段，積極性難以調(diào)動起來，再加上畢業(yè)設(shè)計(jì)期間也是學(xué)生擇業(yè)和考研的關(guān)鍵時期，因此造成學(xué)生以應(yīng)付差事的態(tài)度對待畢業(yè)設(shè)計(jì)。而2007級引入CAD／CAE技術(shù)后，學(xué)生不僅獲得了新的知識和方法，還通過高效的設(shè)計(jì)軟件節(jié)省了大量的時間和精力，緩解了畢業(yè)設(shè)計(jì)與找工作及考研的矛盾。通過統(tǒng)計(jì)，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(yè)設(shè)計(jì)平均成績78分，而2007級平均成績?yōu)?3分，可見，無論學(xué)生的積極性還是設(shè)計(jì)質(zhì)量都得到了明顯提高。

進(jìn)一步提高CAD／CAE技術(shù)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用效果的建議

第一，目前工程技術(shù)學(xué)院車輛工程專業(yè)還未開設(shè)任何三維設(shè)計(jì)軟件課程，建議在大三開設(shè)一門中端三維設(shè)計(jì)軟件例如SolidWorks作為專業(yè)必修課，在大四上學(xué)期可開設(shè)高端三維設(shè)計(jì)軟件例如UG作為選修課，為大四下學(xué)期有興趣選擇三維設(shè)計(jì)的學(xué)生提供技術(shù)準(zhǔn)備。

第二，將CAD／CAE技術(shù)融入專業(yè)模塊教學(xué)中，例如：在大一可以將CAD三維建模知識融入到《機(jī)械制圖》教學(xué)中，將CAE有限元分析融入到《材料力學(xué)》強(qiáng)度理論部分的教學(xué)中；在大三《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中應(yīng)用CAD技術(shù)解決零部件三維造型，應(yīng)用CAE技術(shù)解決零部件強(qiáng)度校核問題以及常見機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和力的分析。

第三，工程技術(shù)學(xué)院目前實(shí)習(xí)工廠已有數(shù)控車床和數(shù)控銑床，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析與制造的銜接，使學(xué)生能加工出自己所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，從而更加激發(fā)設(shè)計(jì)熱情，建議結(jié)合工廠實(shí)際增加生產(chǎn)實(shí)踐類畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的選擇，實(shí)現(xiàn)CAD／CAE／CAM一體化，使學(xué)生感覺與企業(yè)距離更近，更有利于培養(yǎng)企業(yè)歡迎的新型人才。

第四，工程技術(shù)學(xué)院相關(guān)教師應(yīng)迅速提升一系列三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用能力，有條件學(xué)院可組織教師集中培訓(xùn)并建立相應(yīng)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，全面提升三維設(shè)計(jì)能力。另外建議學(xué)院可以將是否采用CAD／CAE等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)作為一項(xiàng)重要評價指標(biāo)納入到車輛工程專業(yè)相關(guān)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量評價體系中。

CAD／CAE技術(shù)已逐步成為工廠企業(yè)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流技術(shù)，必須樹立新的教育質(zhì)量觀念，優(yōu)化畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)手段，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)含量和設(shè)計(jì)質(zhì)量。隨著對CAD／CAE技術(shù)認(rèn)識上的不斷深入，隨著工程技術(shù)學(xué)院車輛工程專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)改革的展開及軟硬條件的改善，CAD／CAE技術(shù)必將對畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量優(yōu)化起到越來越大的作用，畢業(yè)生的現(xiàn)代工程素質(zhì)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力也將得到顯著增強(qiáng)。