CAD／CAE在机械设计课程设计中的应用
· l06· 实 验 科 学 与 技 术 2010年 2月
CAD／CAE在 机械 设 计 课程 设计 中 的应 用
杨 文敏
(湖南农业大学 a 工学院；b．东方科技学院，长沙 410128)
摘要 ：为 了提 高学生的创新设 计能力 ，在机械设计课程设计的各个环节合理运 用 CAD／CAE。在设计计算中应 用计算机辅助
设计计算 ，在设计绘 图环节普遍采用 AutoCAD绘 图，椎荐学生先建立三维实体模型 ，对关键 零部件进行 CAE分析 ，最后 生
成二雏工程 图。创建从三维3'1-- 维的设计模 式，增强学生的综合运用能力 ，提 高学生的就业技能。
关 键 词 ：机械设计；课程设计 ；计算机辅助设计 ；计算机辅助工程
中图分类号 ：G642．42 文献标识码 ：B 文章编号：1672—4550(2010 J01—0106—03
Design the M echanism M ovem ent Innovation Experim ent Lessons
by the M ethod of Linking Virtual with Reality
YANG W ell-min ．b
(&The Ensineefing College；b．Academic Affairs Office，Hunan A culture University，Changsha 410128．China)
Abstract： In order to improve the innovation ability， itg important to apply CAD／CAE reasonably in mechanical design course． For
e~m ple，apply CAD in design calculation， utilize Auto CAD to draw draft， analyse the key pans of3D model with CAE，to form 2D
engineering drawi ng s． This course is aimed to enhan ce the students experiment and design ability as well as create a 3D to 2D design
pa~em ．
Key words： mechanism design ；lesson design； CAD；CAE
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
收稿 日期 ：2009—10—23
基金项目：湖南农业大学2006年教改项 目(B2006012)，湖
南农 业 大 学 东方 科 技 学 院 2007年 教 改 项 目
(DB2007060)。
作者简介 ：扬文敏 (1968一)男 ，副教授 ，主任 ，主要从 事
机 械设计和 CAD的教 学和研 究。
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 ，使人们在很短的时问内得到和处理大量
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(CA／)、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
第 8卷 第 1期 Experiment Science＆Technology ·1 07·
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。图 1为某学生设计的齿轮减速器的三维实体模
型 。
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[2I4 J。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。图 2为某学生对减
速器低速轴的线性静应力分析的结果。
图 1 某学生设计的齿轮
减速器三维实体模型
6 结 论
图 2 某学生对低速轴 的
线性静态分析
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，
(下转第 125页 )
第 8卷 第 1期 Experiment Science&Technology ·1 25·
获得省科技进步奖 的项 目，学生通过实验理解有机
膦的 合成 理 论 、C—P键 的形 成、Arbuzov反 应 ；
(2)增塑剂磷酸三辛酯的合成 (实验 6)是老师产
业化 的项 目，学生通过实验理解酰氯活拨性能和酯
的制备方法 ； (3)阻燃玻璃 钢的制备和性能测试
(实验 12)是老师承担的省重大科技攻关课题并通
过产 业化 验 收 的项 目。学生 通过 实验 了解玻 璃钢及
阻燃玻璃钢的制备和玻璃钢阻燃性能测试方法 ，用
自己做的玻璃钢树脂 (实验 3)、引发剂 (实验 4)、
透明性阻燃剂 DMMP(实验 5)、增塑剂磷酸三辛酯
(实验 6)来灵活的设计 自己不同的玻璃钢配方 (实
验 12)，可 以得 到透 明型 阻燃 剂玻 璃 钢 、半 透 明型
阻燃剂玻璃钢、不 同阻燃等级的玻璃钢、不同韧性
的玻璃钢 。并对制备的玻璃钢进行测定阻燃性能极
限氧指数 、烟密度 、弯曲强度等。经过测定得到一
系列数据 ，加深了对产品性能、用途的理解、学习
了高分子材料性能 的检测、熟悉了玻璃钢的制备工
艺。即通过该实验课程 自然而然 的就可获得专业
“实际工作经验”。也可说 通过该 实验课 程的训 练
可以跨越或缩短工作见习期 。
3．3 实 际效 果
几年来应用化学专业综合实验 的探索和实践取
得了一定 的成效 ，总结下来主要有 3点显著效果。
1)实验项 目间建立联系，前一个实验产品是
后一个实验的原料 ，产 品的性能或应用产生呼唤 ，
很 自然地体验综合性 ；通过工艺 、催化剂、配方的
改变很轻松的引入设计性。
2)学生 自己做 的产品 自己用 ，节约 了实验开
支 ，提高 了学生实验操作 的专注度 ，让学生感到 自
己做 的产 品都 有用 ，提 高 了实验 兴趣 。
3)在兴趣 中跨越学科 实验 ，即由精细合成与
表征进人材料加工又深人到材料的性能测试 ，最后
又选一个有趣的产品作综合化工工艺设计 ，让学生
如同顺水漂船 、游山玩水一般在不知不觉中达到理
论与实践相结合 、所学所用相结合 、教学与获得就
业经验 相结 。也就 是象 孩子带 着探 秘 的兴趣试 着第
一 次做 自己想 吃 的饭菜 一样 ，会做 得非 常认真 并且
仔细的品尝。让学生很容易建立学而致用的思想。
4 结束语
应 用化学 专业 综合 实验是 培养 具有扎 实 的化学
理论知 识和创 新实 践能 力 的化学 学科 应用 型人 才 的
重要教学环节。应用化学专业综合实验开设应注意
与所办专业培养规格的方向性紧密结合 ，充分体现
化学实践的创新思想，并遵循新世纪理工科专业教
育发展 中教学、科研相结合的新趋势和新要求 。通
过精心 的实验项 目挑选、注意综合实验教学内容涵
盖学科知识 的交叉性并 与教师 的科研活动 的融合
性 ，必 将在 提高学 生 的学习兴趣 、形 成学 生 的创新
思维 、加深学 生 的理论联 系实践 等方 面取 得一举 多
得 的 良好效果 。
参 考 文 献
[1] 荣 国斌 ．加强 教学 内容和课程 体 系改革 完善应 用 化
学专 业教学 计划 [J]．大 学化学 ，1999，14(2)：24—
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实验 的探讨与实践 [J]．甘肃联合大学学 报 ，2005，19
(4)：74—76．
(上 接第 107页 )
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 。
参 考 文 献
[1] 杨文敏 ．改革机 械课 程设计 ，培养 学生 创新设 计 能
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CAD／CAE在机械设计课程设计中的应用.pdf
