在机械设计课程设计中CAD／CAE的应用

　　1 引言

　　机械设计课程设计是机械设计课程的一个重要的实践家学环节。也是学生第一次进行全面地的机械设计的系统综合训练。设计题目一般为通用机械或其他简单机械的传动装置，如各种减速器的设计。主要内容包括：传动方案的拟定，传动参数的选择计算，传动零件、轴和轴承的设计计算，总装图和零件图的绘制，设计计算说明书的撰写。课程设计的主要目的是指导学生综合运用机械设计课程和其他先修课程的知识分析和解决机械设计问题，学会机械设计的一般方法，掌握通用机械零部件、机械传动装置或简单机械的设计过程和设计方式，培养学生正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力。通过设计和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料，培养机械设计的基本技能。

　　传统机械设计课程设计的设计手段是手工设计、计算和绘图，设计计算繁杂，设计、绘图和修改很不方便。学生依样画虎，大部分时间和精力用在设计计算和画图上，方案和结构的创新设计考虑的比较少。前几年我们通过改变课程设计题目的出题形式、内容和要求，改革指导方法和教学手段，改革考核方法和评分标准，收到一定成效。随着CAD/CAE发展和普及，出现很多计算机辅助设计和分析软件，利用这些软件来完成机械设计课程设计，将学生从繁杂的设计计算中解脱出来，把时间和精力集中到方案创新和零部件的结构创新上来，提高设计兴趣和创新设计能力。

　　2 CAD/CAE简介

　　计算机辅助工程(CAE)是利用计算机的高速处理能力，使人们在很短的时间内得到和处理大量的数据，拓展人们认识物质世界的能力，减轻人们的体力和脑力劳动。CAE是一个总的名称，从广义上讲，其内容很多，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助创新(CAI)、计算机辅助分析(CAA)、计算机辅助优化(CAO)和计算机辅助制造(CAM)等。目前人们通常从狭义上来讲计算机辅助工程，CAE是指计算机辅助工程分析，是指依据科学理论利用计算机建立反映工程问题中多个参数之间相互影响和相互作用的关系式并进行求解，主要内容包括计算结构力学(FEA，有限元分析)、计算多体系统动力学(CMD)、计算流体动力学(CFD)。CAE已广泛应用于航空航天、汽车制造、铸造、噪声控制和产品设计等多个领域。计算机辅助设计(CAD)是指利用计算机软件和硬件来辅助完成一项工程设计的一切实用技术的总和，如模型的建立、修改、分析和优化等。它是一种现代设计方法，也是一门学科综合应用的技术。

　　3 CAD在设计计算中应用

　　十年前，我们就将自编的带传动的设计计算程序给学生在机械设计课程设计中使用。随着机械CAD机械的发展，出现了很多完整的设计计算软件，例如机械设计手册软件版中的计算程序。2008年，我校选用吴宗泽主编的《机械设计课程设计手册》，该书的配套光盘中的带有计算机辅助设计计算程序，包括有V带、同步带、链传动、齿轮传动、蜗杆传动和滚动轴承等，完全能满足课程设计中设计计算的要求，并且利用计算结果在AutoCAD可自动生成主要的视图，为后续二维工程图的绘制带来许多方便。

　　4 由三维到二维绘制二维工程图

　　AutoCAD这类二维CAD软件在一定程度上减轻了二维工程图的绘制和修改的工作量，但二维图形表达的内容不够直观，有的学生参考图册依葫芦画瓢，并没有真正理解设计意图。由于计算机硬件和软件水平的不断提高，很多三维CAD软件在PC机上早能方便地运行，例如Pro/E、Solidwrks、UG等。我校在2007年专业教学计划修订时将三维实体造型作为选修课在大二的上学期开设，学生选修的积极性很高，机制专业的全部学生均选修了三维实体造型。三年级上学期开设机械设计课程设计，推荐学生应用三维CAD软件建立零部件的三维实体模型，虚拟装配成装配体，再生成二维工程图。由于在三维软件中零件实体模型、装配体模型和二维工程图是相互关联的，零件和装配体模型的任何修改，在二维工程图中就会自动的修改。三维实体模型直观，外观材质丰富，设计和修改很方便。学生兴趣浓厚，将较多的时间和精力花在零部件的结构的创新设计上，真正提高了学生的创新设计能力。　

　　5 借助于三维CAD进行计算机辅助工程分析(CAE)

　　专业的CAE软件很多，如ANSYS、Nastran、ADINA等，但这些专业的分析软件功能强大也比较复杂，要一个本科生花费较多的时间从头学好一个分析软件，学时有限。实际上，上述几种主流三维CAD软件也有CAE模块，并且功能齐全、计算精确、简单好用。例如，Solidwrks的CosmsWorks插件可以进行线性静态分析、非线性分析、频率分析、扭曲分析、疲劳分析、热分析和优化分析等。机械设计课程设计中主要需要对传动零件、轴、轴承等进行强度校核。因此，这些三维CAD的CAE的模块完全可满足计算分析要求。学生在上述第二阶段已建立三维实体模型的基础上，不必进行文件类型的转换，在CAE模块下，通过定义材料及其他属性、划分网格、添加约束和载荷，即可求得结果。并且结果还可通过云图、线图、动画等多种形式表达出来。

　　6 结论

　　通过修订教学计划，创建由三维到二维的机械设计模式。在机械设计课程设计中利用计算机辅助设计计算，在结构设计时，利用三维CAD软件建立零部件的三维实体结构，再用有限元分析的模块，对关键零件的强度进行校核。

　　(1)由于三维CAD软件有强大的虚拟装配能力，装配过程可动态显示，装配后可进行干涉检查、运动仿真，从而检验结构设计的正确性。如有错误，零部件结构修改后，重建模型，再次检查，操作方便。学生完整体验到产品设计的要求和全过程，真正受到机械工程师专业技能的训练。

　　(2)应用有限元进行零部件的强度分析和结构优化，运算速度快，计算精度高，运算结果表达方式多样，形象直观。模型修改和重新计算方便，可很好的贯彻课程设计的边计算、边绘图、边修改的“三边”原则。

　　(3)在课程设计中应用CAD/CAE，学生对现代设计方法有了初步的认识，改变传统的错误的观念。旧的观念认为机械设计就是翻书查表，手段落后。过程枯燥。应用CAD/CAE作课程设计，大大减少了设计计算和修改工程图的工作量，三维实体模型的建立也为后续的计算机辅助制造(CAM)奠定基础。