導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇機械優化設計論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

《機械優化設計》課程理論教學體系的建設主要包括優化課程內容、制定課程教學大綱、編寫課程教案幾個方面。如前所述，機械優化設計課程教學需要克服“四個脫節”。因此在課程體系研究方面主要解決實現理論基礎教學和應用能力培養相結合，以及課程內容與技術發展相結合兩個問題。

（1）實現理論基礎教學和應用能力培養相結合針對因該課程數學基礎較多導致工科學生畏難情緒大，學習熱情不高等問題，在課程數學理論基礎等知識點方面，側重算法原理的講解而非算法過程的介紹；側重使學生掌握使用現有數學工具解決工程問題，而非自行編制算法程序求解數值問題。從而使學生從算法原理和理論基礎中跳出來，提升到知識的應用的層次。

（2）課程內容與技術發展相結合機械設計問題已經從求解小規模單一問題發展到求解大規模復雜性問題。因此優化方法也從經典的優化方法發展到多學科設計優化、智能優化方法、基于仿真的優化等領域。因此課程內容應和技術發展相結合，適當引入先進優化方法的介紹。為學生從解決簡單數值問題過渡到今后解決復雜工程問題提供知識儲備。適應“卓越計劃”提出的培養學生工程能力的要求。

1.2《機械優化設計》實驗課程體系的建設

《機械優化設計》實驗課程體系的建設主要包括實驗內容與實驗項目的設置、制定實驗教學大綱、編寫實驗指導書幾個方面。實驗體系建設的主要目的是使實驗項目設置與工程問題相結合，實驗內容與工程實踐所需的綜合性知識應用相適應。

（1）首先在實驗項目設置時，根據“卓越計劃”的要求，以培養學生的工程能力和知識的綜合運用能力為目標。通過建立知識-能力-實驗內容關系矩陣。將各個知識點的能力培養落實到各個實驗項目環節。并且實驗項目的設置突出和其他相關課程內容、工程問題相結合。避免知識點與工程應用脫節，從而達到工程技術人才的具備知識的綜合運用能力的培養要求。

（2）其次在實驗項目設置時，對不同類型的實驗項目，優化其實驗方法及其目的。主要改革體系現在以下三個方面：算法原理類實驗，避免要求學生采用通用語言編寫成熟優化算法的實驗。而采用數值計算軟件驗證，并要求主要對比分析不同算法的求解過程的特點。工程問題類實驗。側重于工程優化問題數學模型的構建，如何選擇合適的優化方法求解。綜合類實驗，和考核環節的課程project相結合，采取開放式的實驗方式。側重于培養學生對知識的綜合運用能力、工程素質和合作意識。

1.3《機械優化設計》教學方法研究

教學方法有多種，不同的方法有不同的特點和其適應性。本項目研究的一個重要內容之一是擬比較幾種方法的特點，將其融入到不同實驗的教學過程中。

（1）對于基礎理論的介紹，以板書教學為主，多媒體教學為輔。這樣有利于學生理解理論基礎，克服學生對數學推導的畏懼心理。

（2）對于各種算法的介紹，在簡單介紹其原理的基礎上，采用對比教學的方法，側重于各種算法特點和適用性的比較。并應用結合成熟的數值計算軟件，采取現場實驗教學的方法進行講解。

（3）在考核形式方面。除日常的考核和實驗成績考核以外，結合課程項目教學的方法，讓學生以組為單位完成一個自選的項目（Project），并以組為單位做一個展示（Presentation）。一方面鍛煉學生運用知識綜合解決問題的能力，另一方面培養學生的團隊協作和工程素質。

2改革特色及成效

“卓越計劃”強調學生工程實踐能力的培養。因此結合“卓越計劃”的實施契機，在對課程建設中存在的問題進行系統深入地分析的基礎上，經過不斷的教學研究與實踐，我校《機械優化設計》實驗教學已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要體現在以下幾個方面：

（1）在理論教學建設方面實現理論基礎教學和應用能力培養相結合；課程內容與技術發展相結合。從而使學生從算法原理和理論基礎中跳出來，提升到知識的應用的層次。適應“卓越計劃”提出的培養學生工程能力的要求。

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如何將中國傳統文化融合到現代廣告設計中去?其作用又有哪些?這自然不是簡單的問題，對于傳統文化我們是照搬照抄，還是將傳統文化放置一邊，不予理睬?筆者認為好的設計應著重于人與人、人與空間和人與自然的融合上，是對傳統文化的再創造。而這種再創造是在理解的基礎上，用現代的審美觀對傳統的一些元素加以改造、提煉和運用，使其更富有時代的特征：或者把傳統的造型方法與表現形式運用到現代設計中來表達設計的理念，體現民族個性，這是對傳統文化再創造的理解。中國傳統文化對現代廣告設計的融合作用究竟體現在哪些方面呢?

一、中國傳統文化對現代廣告設計構圖的作用

所謂傳統文化，是指中國幾千年文化發展史中在特定的自然環境、經濟形式、政治結構、意識形態的作用下形成、積累和流傳下來，并且至今仍在影響著當今文化的“活”的中國古代文化，這些文化又包含了國畫、剪紙、建筑、皮影、雕刻等等。而傳統文化又與廣告有著不解之緣，兩者在構圖上的融和關鍵在于廣告設計中傳統美學的審美性。之前我們說過；中國是一個歷史文化古國，每個人都受到傳統文化的熏陶，這必然導致我們對“美”的崇拜和追求觀念不同與西方國家，形成具有中國傳統文化獨色的廣告作品。因此，中國傳統美學的審美性影響著廣告設計作品中“美”的體現，也影響著中國傳統文化的繼承和發展。

我們都知道廣告設計是屬于“瞬間藝術”，人們駐足于前的時間短，視線集中的程度有限，要想在這苛刻的條件下給人留有印象，廣告的設計就不能太過于復雜，必須要做到一目了然，簡潔明確，使人在一瞬之間、一定距離外能看清楚所要宣傳的事物。為了達到這個目的，廣告的設計總是盡可能采取假定的設計手法，將不同時間、空間發生的活動組合在一起，并經常運用象征手法，啟發人們的聯想來吸引消費者。所以在廣告構圖中，要突出重點，就要刪去次要的細節，甚至是背景。這種設計手法與國畫處理構圖的手法一致。例如：在國畫構圖中要求“以一當十”、“以少勝多”的精煉：或者“計白當黑”、“無畫處皆成妙境”的簡潔；“疏可走馬，密不透風”的對比關系等。由此我們可以看出，在現代廣告設計中，構圖要概括集中，突出醒目地表達所要宣傳的事物，表現物與物之間的內在聯系，賦予畫面更廣泛的含義并使人們在有限的畫面中能聯想到更廣闊的生活，感受到新的意義。我們只有將中國傳統文化的精髓融合到現代廣告設計的理念中去，才能使民族傳統文化與現代廣告設計真正的融為一體，從而增強廣告設計的傳播效率與文化藝術意蘊。另外，傳統文化與現代廣告設計的融和還可以有效增加廣告的附加價值，傳統文化由于自身特有的功能性和特殊的文化底蘊，本身就具有“滿足人們精神需要”的價值，這種價值可以在現代廣告設計中起到增強附加價值的作用。

二、中國傳統文化對現代廣告設計構思的作用

在現代廣告設計中，我們在跟隨西方現代設計潮流的時候，已不滿足于純粹跟隨，開始對傳統文化進行探索，并應用傳統文化的構思方法來結合現代廣告設計，體現中國傳統文化的意蘊及自身的文化內涵，把握并創造出具有東方特色的廣告設計作品。廣告設計是一種“瞬間藝術”，好的廣告作品不僅要讓人“一目了然”，還要“一見傾心”，為它所吸引，留下深刻的印象。這就要求在廣告設計中要具備精湛的構思。清代一位學者曾說過，一幅畫“與其令人愛，不如使人思”，好的廣告設計作品也是如此。它要讓人聯想、引起人的美好愿望、表現意境，就要有手段，我們稱之為“意匠”。如：“獨具匠心”指的就是別人沒有想到的你想到了，這也是在廣告設計中我們經常提到的一種構思方法。“意匠”具體說來就是選材(先取最精粹部分)、剪裁(去污存清)、夸張(強調形象的特征)、經營位置(構圖)、表現(選項用恰當的技法)等，而這一切，恰恰是我國廣告設計者最為常用的構思手段。

三、中國傳統文化對現代廣告設計內容的作用

傳統文化是現代廣告傳播成功的基礎，而現代廣告傳播則是因為傳統文化的滋養才具備了強勁的精神發散效力，“越是民族的就越是世界的”這句話在一定程度上對于廣告同樣適用。中國傳統文化源遠流長，怎樣在廣告設計的內容上體現傳統文化的精髓??這是我們值得深思的問題。筆者認為應從一個“意”字開始，廣告設計內容上的意字，指的是傳統文化所要表達的意蘊，也是意味深長之意。“意”是傳統文化在內容設計上的關鍵，也適合于現代廣告設計所提出的吉祥如意的設計理念，更符合中國人在廣告設計上的要求。例如：腦白金的廣告語“今年孝敬咱爸媽，送禮還送腦白金”、“今年過節不收禮，收禮還收腦白金”，就是利用了中國傳統文化對“意”的理解。中國自古就有尊老愛幼、孝敬父母的傳統美德，“腦白金”定位成一種禮品，并且是一種能帶給人健康的禮品，極力宣傳送禮更要送健康的“意”念。這個觀念定位恰好順應了中國的傳統，為廣大消費者所能接受，從而有效地樹立了企業、品牌形象。整個廣告根植于中華民族傳統文化，是有強烈的現代氣息，既符合了廣告主的要求，又達到了準確的廣告定位。

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0前言

機械結構虛擬優化設計是以計算機建模和仿真技術為基礎，集計算機圖形學、虛擬現實技術、機械動力學、有限元分析、優化設計等技術為一體，由多學科知識組成的綜合系統技術，是機械結構動力學設計技術在計算機環境中數字化、圖像化的映射。本文分析了機械產品虛擬動態優化設計的一般過程，以數控車床關鍵部件一尾架為例，建立了三維可視化的有限元CAE模型，通過對模型進行結構分析，實現該部件結構的動態優化。

1機械結構虛擬動態優化設計過程

機械產品虛擬動態設計的一般過程是:先建立滿足工作性能要求的產品初始CAD模型(初步設計圖樣)，然后對產品結構進行動力學建模和動態特性分析，再根據工程實際情況，給出結構動態特性的要求或預定的動態設計目標，按結構動力學“逆問題”方法直接求解設計參數，或按結構“正問題”分析法，進行結構改進設計，直到滿足預期性能設計要求，從而獲得一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案，如圖1所示。結構動態設計的主要內容包括:

(1)建立一個切合實際的結構動力學模型;

(2)選擇有效的動態優化設計方法。

2機械結構建模分析及優化實例

以數控車床關鍵部件尾架為例進行研究。數控車床動態設計是在“正問題”處理方法的基礎上進行的，數控車床共有零、部件800多個，其中對整機結構性能影響大的零、部件主要有以下幾個:床身、主軸箱、尾架等。為使整機具有良好的動態性能，必須對關鍵部件進行優化。為此，應先建立數控車床主要部件的幾何模型和滿足其動力學特征的有限元模型，進行動態分析，根據動態分析的結果對原部件結構設計的薄弱環節進行動力學修改和結構分析優化，最終得到一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案。

數控車床的尾架安置在床身的尾架導軌上，并可沿此導軌調整其縱向位置。尾架套筒的錐孔裝有后頂尖，用以支撐工件。由于尾架頂尖與主軸箱卡盤的同軸度直接影響著車床加工零件的精度，因此，尾架的結構是否合理對保證車床加工高精度很重要。

如圖2為尾架系統的有限元模型，考慮到實際情況，將尾架導軌與兩導軌座作為一體處理，尾架體與導軌之間以互為接觸單元為主，每個導軌座均布4個全約束點，系統共有單元7 049個。得到尾架系統前三階振型如圖3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系統計算頻率及振型特性。

由分析可知，該尾架系統剛度很弱，相當于簡支梁，是整機結構中非常薄弱的部分。綜合新車床的布局，考慮鑄造工藝性，尾架的導軌直接與床身一體，優化后的尾架由上下2部分組成，如圖4所示，其有限元模型如圖5所示。

建立改進尾架的有限元模型，系統共有2 210個體單元，對尾架上下2部分禍合12個節點，前三階固有振型如表2所示。

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中圖分類號：TH2文獻標識碼：A

Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.

Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element

1引言

S著有限元技術的不斷發展，計算機輔助設計在塔式起重機關鍵組成部件的優化分析設計中得到了廣泛應用。計算機輔助設計及有限元分析技術的引進使用，使得塔機產品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機作為塔機發展的方向，其結構復雜，工況多樣，僅僅對其進行整體的綜合系統設計是不夠的，更應該關注其細節結構設計分析，關注計算機優化設計。

本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機作為研究對象，利用計算機輔助設計技術對平衡臂結構進行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結構的優化設計，達到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析優化設計的有關概念121設計變量設計方案完成后，其中的設計元素可以用一組基本參數數值來表示，這一組參數數值就是所謂的設計變量。

22目標函數

在產品結構設計中，可以利用一些設計指標衡量一項設計方案的好壞，通過把設計指標參數化得到相關函數來表示這些指標，這些相關函數即是優化設計的目標函數。

計算技術與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優化設計23約束性條件

所謂約束性條件是在對與目標函數相關的設計變量進行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標函數中設計變量的不同性質可分為邊界性約束和性能性約束。

24合理性設計

所謂合理性設計是指滿足設計方案所有給定約束條件（包括設計變量的約束和狀態變量的約束）的設計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設計就被認為是不合理的。而最優設計就是既能滿足所有約束條件同時目標函數值又是最小的設計。

3超大型平頭塔機平衡臂優化設計的步驟

在Ansys軟件中可以用兩種方式進行結構優化設計：圖形交互式或者數據批處理來完成。在本論文中，選用數據批處理方式來進行平衡臂結構優化設計，以期提高優化設計效率。

由于用戶采用優化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優化設計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優化設計步驟如下：

31分析文件的生成1311參數化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設計方案中的設計變量參數化建立數據模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂，設計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。

表1設計變量

設計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑

312計算求解

Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項在優化過程中進行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數據都要在計算求解過程中指出。

在本論文平衡臂的優化分析中，solution 部分輸入如下：

/SOLU

PREP7，

…

BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…

Acc1，0，10000，0，

AUTO CP，0，0.65*2，

SOLVE，

FINISH。

313提取參數化分析結果

對分析結果進行提取并給相應的參數賦值，這些參數通常情況下包括目標函數和狀態變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數據的存儲、加減或者其他操作相關時，而對數據的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。

在本論文研究中，設置平衡臂總重量為目標函數。因為重量和體積成比例關系，對產品總體積的減小就相當于總重量的減少，因此把總體積設計為目標函數。在優化研究中，把軸向應力、節點位移設置為狀態變量。這些參數的設定可以用下面的方法進行定義：

/POST1

ETABLE，evolume，VOLU，

QR SSUM

*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME

…

QR，SMAX_E，LS，0，1

CP，ETAB，SMAX_E，0，1，

*GET，SMAX_E，SORT，MAX

…

*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y

…

32對計算結果優化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用計算機進行優化分析。在優化處理器中，這些相關參數的值被假定為一個設計序列，所有參數會在Ansys數據庫中被自動設置為設計序列1。

4超大型平頭塔機平衡臂優化設計結果

通過10次迭代計算完成對模型參數的優化，目標函數與設計變量的變化如圖1―圖3所示。

圖1設計變量X1優化示意圖圖2設計變量X2優化示意圖圖3設計變量X3優化示意圖通過上面的優化示意圖可以看出，三個設計變量都是平衡臂主結構件的截面尺寸，經過優化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關的目標函數（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。

在優化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結構對強度和剛度的設計要求也要滿足，所以本研究增設狀態變量1（平衡臂端部位移）和狀態變量2（截面危險節點的應力值）為研究對象，其優化過程如圖4―圖5所示。

圖4狀態變量1優化示意圖圖5狀態變量2優化示意圖從兩個狀態變量的優化過程可以看出，在經過多次迭代優化后各狀態變量值變量均在設定值范圍內變化，變化非常小。

目標函數的最優解在Ansys優化設計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優解見表2。

由優化計算結果可以看出，平衡臂總質量由18.87噸優化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設計方案相對比，優化后主體結構件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質量，達到了減輕平衡臂總重量的優化設計目標。通過對優化模型有限元分析結果的檢查，其結構剛度、強度均符合設計要求，如表2所示。

本論文選用Ansys一階優化方法對以平衡臂總質量為目標函數的方案進行計算優化，優化后平衡臂結構強度剛度均在設計允許值范圍內。通過定義主要結構件尺寸的優化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。

5結論

本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂的優化設計為研究對象，采用現代設計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結構的優化分析，其過程主要如下。

（1）建立T3000160塔機平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結構、重量等參數的設置符合實際情況。

（2）各項參數滿足設計方案要求。通過優化分析，得到平衡臂主體結構件的最優截面尺寸，同時有限元分析結果表明整體結構強度和剛度滿足設計方案需求。

（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機的平衡臂進行有限元分析優化設計，為超大型平頭塔式起重機平衡臂及其他相關部件結構的強度分析和設計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機械設計質量，縮短設計周期，促進優化設計法在起重機設計中的應用。

參考文獻

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礦山機械中的一些大型設備大部分是結構件。據不完全統計，裝載機、牙輪鉆機、挖掘機等設備，其結構件占60%以上。對這些以結構件為主的設備，采用傳統的設計方法，其結果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業的研究設計人員開始關注這個問題，做了一些有益的工作。如對一些機構進行了優化設計，用有限原方法進行結構的靜動強度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關礦山機械結構優化的文獻。

一、礦山機械結構優化的可行性和必要性

1.盡管有這樣那樣的困難，對礦山機械進行結構優化設計還是有可能的。結構優化設計應用有三個前提條件：一是電子計算機的發展和普及，二是有限元理論和方法的發展；三是高效的結構優化方法。從目前情況著，電子計算機特別是微型電子計算機在科研、設計部門已日益普及，作為結構優化基礎之一的有限元理論和方法是比較成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；結構優化設計理論，經過二十多年的發展也日臻成熟，無論是優化準則法、數學規劃法還是兩者的統一方法，其解題效率都比較高。結構優化技術目前已廣泛地應用于航空部門、土建部門等。在礦山機械領域由于廣大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了較大的進展。對牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等主要礦山機械的有限元分析已全面展開。這就為結構優化提供了直接的便利條件。給礦山機械的優化提供了可靠的保證。

2.礦機中的一些主要設備如牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等都具有一個比較明顯的特點，那就是：十分笨重，運輸不便。對這些設備采用傳統方法進行設計時，則往往難以找到一個理想的方案。其應力分布和結構往往是不太合理。而采用結構優化設計方法，可以在對原始設計方案進行有限元分析的基礎上，采用自動尋優方法，就可以找到一個較理想的方案。使結構的應力分布更加均勻，結構更加合理。而且，從現在的文獻來看，設備的自重可以減輕25%左右，其經濟效益是十分顯著的。因此，有必要對礦機結構進行優化設計。

二、 礦山機械設計中結構優化設計技術

1. 最大可靠性結構優化設計。"可靠性"的概念對我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結構的設計中，卻鮮為人知。而在工程設計中卻經常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結構材料，使結構的可靠性盡可能地大，或是研究一個用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機械結構件設計中，引入可靠性概率（結構在規定的條件下，在規定的時間內完成預定功能的概率）這一衡量結構可靠性的指標，采用一次二階矩概率設計理論，以傳統的安全系數為目標進行優化，就可以提高結構的安全度，而且使結構更為合理。文獻"1"以結構桿件截面積為設計變量進行了可靠性最大的結構優化設計表明這個方法是可行的。

2. 結構模糊優化設計。從目前的有限元程序，對于所給定的計算模型，其結果是比較精確的。但是對實際結構而言，這個結果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡化等多方面因素有關。本來，這些因素在實際工作或結構中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對于有限元分析的計算工況的確定也是比較困難的。目前，我們在有限元分析中，一般是選擇典型工況進行，至于這典型工況的"典型性"則是由分析者自己確定。此外，在結構優化設計中，還有許多東西是模糊的，目標函數、約束條件、約束條件的右端項等等均具有一定的模糊性。最后，為了真正地得到滿足所有可能約束的結構最佳組成，我們要對最后的尺寸和形狀作出決策。因為，對每種不同的工況，計算得到的"最優值"是各不相同的，那么，在綜合所有計算工況時，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應力法則不大可行，因為滿應力法是要求每一單元至少在一種工況下達到滿應力狀態，這樣綜合的結構就不可能是最輕結構。因此，最后尺寸和形狀的決定也要借助模糊理論來解決。從模糊到精確，再從精確到模糊，這是符合歷史發展規律。

3.研制、推廣、應用CAD軟件。根據現代結構設計的需要，借助計算機輔助設計，不但能對結構的初始方案和改進方案快速地進行結構分析和強度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標優化設計和以機器工作性能、節省鋼材和結構強度三大要素為出發點的多目標優化設計。因此加速研制一些多功能的計算機輔助設計軟件，對于提高礦山機械設計的質量，是很有必要的。目前，在農機領域已經有了用于微型機的大型多功能的MAS程序系統，不過，在優化設計等方面，還有待進一步完善。應用CAD軟件，可以在以下幾個方面起到明顯作用：一是提供合理的設計方案、節省鋼材和成本。二是提高產品設計水平。三是可找出結構損壞的原因和有害振動的根源。四是可以對機器系統進行多目標的優化設計。在研制CAD系統時，應該注意的是：一是發掘較為普及的微型機的潛力。二是結構設計和分析的完備性（結構靜動分析、結構靜動優化計算機繪圖等）。三是適用于多種結構型式，即適用于多單元的結構（如桿、梁、板、殼等）。

三、發展方向

1.大力推廣應用結構優化設計的發展方向。航空、國防、造船等行業分別召開了結構優化設計的學術交流會。土建部門還舉辦了結構優化設計的專門講習班。機械工程學會召開的強度學術會議上也交流了結構優化方面的論文。這說明在這些行業和部門，結構優化設計已經受到重視。因此，礦山機械設計部門的工作者（包括設計師、研究生和教師）應該注意推廣和應用結構優化設計技術。可以舉辦結構優化枝術講習班，召開礦山機械結構優化設計學術交流會。學習工程設計人員應該掌握結構優化設計的基本知識，學會使用一些結構優化設計軟件。對具體的結構采用優化設計，以提高整個礦山機械的設計水平。

2.礦機結構從靜力優化向動力優化過渡。首先，我們要大力開展礦機結構的靜力優化設計，推廣應用和完善現有的結構優化程序，研制和發展一些通用性較強而且又適合礦機特點的軟件包。其次，我們應該在結構靜力優化的基礎上，對礦機結構進行動力優化設入計。因為在靜力優化時沒有考慮結構的動力特性。如固有頻率、動態響應等。而這些動力特性對于大部分礦山機械來說是比較重要的。如固有頻率對司機乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結構的動力優化設計就是在靜力優化的基礎上引進頻率約束，動強度約束，動剛度約束等。在理論上，進行動力優化是沒有困難的，靜力優化的結果可以作為動力優化的初始值。

我們建議，在近幾年內，應該集中精力著手研究一些具有專業特色的典型的程序包。如底盤、車架、機架等結構件的優一化程序。按照結構的通用性、統一性和組合性原則建立程序包，對結構件進行選型優化設計。當然，如果在程序包中加上對整機參數的優化、液壓系統優化設計、傳動系統優化設計等等，可以使礦山機械的設計更趨自動化。

參考文獻：

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二、在研究方案制定過程中培養學生的研發能力

目前針對工科專業的研究性教學而言，以“項目和課題研究為導向”的教學方式非常貼切現行教學改革的要求和趨勢。該教學模式可以將學習、研究、實踐有機地結合起來，充分發揮學生的主體作用，使學生能創造性地運用所學的知識和能力，通過自己的主動探索、主動思考、主動實踐，自主地發現問題、研究問題和解決問題。首先，教師在講課內容中要增加具體的工程實例，同時注重引導學生注意身邊的工程問題，鼓勵學生參與提煉工程主題，并將工程主題與教學重點內容結合起來。在進行項目研究方案的制訂與討論過程中，可以先介紹課題的來源、背景、研究需求和研究目標，讓學生以分組的形式去查資料，閱讀查文獻，了解目前的研究現狀及研究方法，制定課題的研究方案，引導學生展開課堂討論，并根據所學的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學生的工程概念與背景。然后，將學生帶到企業，進入生產現場和使用現場，獲得對所研究課題的感性認識，掌握和了解課題實際存在的問題，形成教學與實際結合起來的課外教學方式，通過學生親身實踐、工程技術人員的介紹以及教師的深入分析，使學生對研究的內容和課題有較為深刻的理解，便于制定更為具體和合理的研究計劃。例如在對某型號的路燈燈桿進行強度與可靠性研究時，可以運用力學知識進行理論計算，再進行實際測量，最后進行優化設計，這一過程幾乎會涉及到機械設計類的所有課程。

三、在項目實施過程中鍛煉學生的實踐能力

對于工科的本科生和研究生而言，我們現在的人才培養非常重視專業知識的學習，畢業后學生可以掌握本專業系統的理論知識和一定的實踐能力。但很多畢業生在進入工作崗位后，往往還需要2～5年時間的重新學習與培訓，才能具備較好的工程素養，也才能獨立解決工程實際問題，從而造成企業人力與財力的浪費，使得企業在招聘人才時，首先考慮的不是學生的文憑和學習成績，而是工作經歷和工作經驗。近幾年本科教學大綱經歷了至少兩次修訂，修訂過程中已經注意到這個問題，并且正在進行較大幅度的改革，其主要做法是加大實踐性教學環節的比重，實行企業與學校的聯合培養模式，其目標就是在工程應用、生產實際中培養學生獨立思考與解決問題的能力。如果能夠讓學生參與到教師與企業合作的課題中來，在項目研究與實施的過程中，讓學生將學到的知識應用于解決具體的工程問題，就可以實現新大綱修訂的宗旨，滿足新大綱的要求。橫向課題是企業在生產過程中或客戶在使用過程中發現和提出來的技術難題，往往具有一定的難度，課題的研究也是一項系統工程，其研究成果可以直接提升產品質量，產生明顯的社會和經濟效益。所以首先需要對研究的對象進行全面的了解、分析、調研與查閱資料，包括設備的結構、功能、使用方法、產品質量的評估等，這方面的研究可以培養學生畫圖、識圖、查閱文獻的能力。確定了詳細的研究方案之后，就要進行課題的研究，該研究過程往往歷時幾個月，甚至一年以上。在此研究過程中，學生需要參與大量的研究工作，可以在教師的指導下將學到的系統知識應用于理論計算，通過對理論知識的復習和應用，了解理論研究的價值，加深對理論知識的理解；學生還可以從事實驗分析和實際測試，不但可以在實驗室對試樣進行試驗，進一步熟悉實驗室儀器與設備的使用方法和技巧，還可以到車間進行實際測量，掌握現代測試儀器的操作和使用，并在試驗和測試完成后，進行數據的處理工作；在試驗研究的基礎上，培養學生利用先進的計算機仿真手段進行優化設計，通過學習先進的三維設計軟件、有限元計算軟件等進行結構的改進設計研究工作，并將計算結果與實驗結果進行對比，及時了解優化設計的效果，從而達到研究的目的。讓學生深度參與課題的研究過程，一方面可以使學生獲得較為全面、系統的學習與訓練。對機械專業學生而言，可以對實驗應力分析、有限元分析、機械振動、機械結構的測試分析以及優化設計等現代設計類的重要課程和知識點有非常深刻的了解；另一方面還可以對企業的產品、要求、技術、研發甚至市場都有比較全面的接觸。這樣對畢業生就業而言，所提供的參與這些企業課題研發的經歷，對企業來說無疑具有極大的吸引力。最為關鍵的是，這些學生一旦進入相關行業，馬上可以發揮很大的作用，能夠獨當一面解決企業面臨的具體工程問題。

四、在項目成果的總結中提高學生的綜合能力

學生通過參與科研項目的研究過程，可以了解企業的技術改進與研發過程，可以應用到所學的很多知識，也可以掌握很多新的思想、理念、方法和研究手段，可以培養動手能力和創新意識，但更為重要的是還需要通過對項目的總結來進一步提升他們的綜合能力和素質。項目研究過程還包括對研究結果的總結，尤其是需要對照預期的研究指標進行分析與匯總，形成一系列的研究成果。這一過程可以提供學生撰寫總結報告、學術論文與專利的機會。相對于知識的學習和動手能力的培養，我們目前對這種能力的要求不是很高，甚至不作要求，一般總是認為本科生沒有能力獨立撰寫和發表學術論文。但實際上對很多學生來說，只要閱讀過一定數量的科技文獻，再經過一定的指導和鍛煉，加上教師的認真修改，本科生完全可以發表學術論文，甚至是質量較高的國際論文。相對于較為專業的學術論文而言，撰寫專利，尤其是實用新型專利或外觀設計專利，相對來說比較容易，只要鼓勵學生善于觀察、敢于思考、勇于創新，再加上一定的指導，應該可以完成專利的授權，這一點對將來學生在企業工作非常有利。目前所有大學都越來越重視大學生的第二課堂，對工科學校來說這是培養“卓越工程師”的主陣地，也是培養大學生創新意識和動手能力的主課堂，對拓展學生的綜合素質起到非常重要的作用。學生可以從參與的課題中提煉新的內容，作為大學生課外科技活動項目，也可以將研究成果進行整理，參加各項科技競賽活動，如“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、機械設計創新大賽等。通過競賽調動學生的主動性、積極性、創造性，激發學生的潛能，展示學生的才能。

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【關鍵詞】減速器優化設計

傳統的減速器設計一般通過反復的試湊、校核確定設計方案，雖然也能獲得滿足給定條件的設計效果，但一般不是最佳的。為了使減速器發揮最佳性能，必須對減速器進行優化設計，減速器的優化設計可以在不同的優化目標下進行。除了一些極為特殊的場合外，通常可以分為從結構形式上追求最小的體積(重量)、從使用性能方面追求最大的承載能力、從經濟效益角度考慮追求最低費用等三大類目標。第一類目標與第二類目標體現著減速器設計中的一對矛盾，即體積(重量)與承載能力的矛盾。在一定體積下，減速器的承載能力是有限的；在承載能力一定時，減速器體積(重量)的減小是有限的。由此看來，這兩類目標所體現的本質是一樣的。只是前一類把一定的承載能力作為設計條件，把體積(重量)作為優化目標；后一類反之，把一定的體積(重量)作為設計條件，把承載能力作為優化目標。第三類目標的實現，將涉及相當多的因素，除減速器設計方案的合理性外，還取決于企業的勞動組織、管理水平、設備構成、人員素質和材料價格等因素。但對于設計人員而言，該目標最終還是歸結為第一類或第二類目標，即減小減速器的體積或增大其承載能力。

一、單級圓柱齒輪減速器的優化設計

單級主減速器可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪蝸桿組成，具有結構簡單、質量小、成本低、使用簡單等優點。但是其主傳動比i0不能太大，一般i0≤7，進一步提高i0將增大從動齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應用于轎車和輕、中型貨車的驅動橋中。單級圓柱齒輪減速器以體積最小為優化目標的優化設計問題，是一個具有16個不等式約束的6維優化問題，其數學模型可簡記為：

minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6

S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)

采用優化設計方法后，在滿足強度要求的前提下，減速器的尺寸大大地降低，減少了用材及成本，提高了設計效率和質量。優化設計法與傳統設計密切相關，優化設計是以傳統設計為基礎，沿用了傳統設計中積累的大量資料，同時考慮了傳統設計所涉及的有關因素。優化設計雖然彌補了傳統設計的某些不足，但該設計法仍有其局限性，因此可在優化設計中引入可靠性技術、模糊技術，形成可靠性優化設計或模糊可靠性優化設計等現代設計法，使工程設計技術由“硬”向“軟”發展。

二、混凝土攪拌運輸車減速器的優化設計

1.主要參數

混凝土攪拌運輸車攪拌筒(罐)的設計容積為8～10m3，最大安裝角度12°，工作轉速2～4r/min和10～12r/min(卸料時的反向轉速)；減速器設計傳動比131∶1，最大輸出轉矩60kN·m，要求傳動效率高、密封性好、噪聲低、互換性強。2.2結構設計主要包括前蓋組件、被動輪組件、第一級行星輪總成、第二級行星輪總成、機體中部組件和法蘭盤組件6大部分。機體間采用螺栓和銷釘連接與定位，機體與內齒圈之間采用彈性套銷的均載機構。為便于用戶在使用時裝配與拆卸，減速器主軸線與安裝面設計有15°的傾角，法蘭盤軸線可以向X、Y和Z方向擺動±6°，并選用專用球面軸承作為支承。軸承裝入行星輪中，彈簧擋圈裝在軸承外側且軸向間隙≤0.2mm，減速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，總質量(不含油)為290kg。

2.傳動系統設計

該減速器采用3級減速方案：第一級為高速圓柱齒輪傳動，其余兩級為NGW型行星齒輪傳動。其中，第二、三級分別有3個和4個中空式行星輪，行星輪安裝在單臂式行星架上，行星架浮動且采用滾動軸承作為支承；第二級行星架與法蘭盤之間采用鼓形齒雙聯齒輪聯軸器連接，混凝土攪拌運輸車減速器對齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度和齒面磨損等要求十分苛刻，因此合理地選擇變位系數和進行修形計算十分重要。

三、減速器優化設計的數學模型

1.目標函數

對于C型問題，目標函數是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——減速器總中心距，即各級中心距之和；x——各設計變量(包括各級中心距、模數、螺旋角、齒數、齒寬和變位系數等)；n——設計變量的個數。對于P型問題，目標函數是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——減速器的許可承載功率；x——同C型；n——同C型。

2.約束條件

約束條件是判斷目標函數中設計變量的取值是否可行的一些規定，因此減速器優化設計過程中提出的每一個供選擇的設計方案；都應當由滿足全部約束條件的優化變量所構成。對于減速器來說，在列出優化設計的約束條件時，應當從各個方面細致周全的予以考慮。例如，設計變量本身的取值規則，齒輪與其它零件之間應有的關系等等。減速器優化設計應考慮以下約束條件：

（1）設計變量取值的離散性約束

齒數：每個齒輪的齒數應當是整數；模數：齒輪模數應符合標準模數系列(GB1357-78)；中心距：為避免制造和維護中的各種麻煩，中心距以10mm為單位步長。

（2）設計變量取值的上下界約束

螺旋角：對直齒輪為零，斜齒輪按工程上的使用范圍取8°~15°；總變位系數：由于總變位系數將影響齒輪的承載能力，常取為0~0.8。

（3）齒輪的強度約束

齒輪強度約束是指齒輪的齒面接觸疲勞強度與輪齒的彎曲疲勞強度，這兩項計算根據國家標準GB3480-83中的方法進行。強度是否夠，根據實際安全系數是否達到或超出預定的安全系數進行檢驗。

（4）齒輪的根切約束

為避免發生根切，規定最小齒數，直齒輪為17，斜齒輪為14~16。

（5）零件的干涉約束

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本文介紹傳統與現代優化方法近年來在國內機械工程界的應用情況，并展望優化方法應用研究的方向。

1傳統優化方法的應用與改進

1.1傳統優化方法的應用

從近幾年發表的工程優化設計論文可以看出，傳統優化方法仍有較為廣泛的應用，具有不可忽視的作用。在機械工程領域，傳統優化方法主要應用于機構或機械零部件的優化設計，在結構、形狀、性能和可靠性等方面進行優化，改善了機械產品的質量，減輕了重量，提高了性能。在優化設計中，隨機方向法、復合形法、增廣拉格朗日乘子法、懲罰函數法等應用都十分廣泛。

1.2傳統優化方法的改進

針對廣泛采用的基本復合形法存在著搜索不完全、映射系數取值不靈活、復形多樣性保持差等缺陷，提出了相應的改進措施，如動態全域映射收縮算子以及最大冗余點映射準則，形成了一類新型的復合形法，大大提高了尋優成功率。文獻[7]利用改進的離散變量懲罰函數法解決離散變量的工程問題，將整個優化過程分為連續變量懲罰函數法的初始優化、帶離散變量的懲罰函數法優化和網格法檢驗三步進行，消除了優化變量初始值對優化結果的影響，使優化結果更為準確合理。提出了連續變量及非均勻離散變量的均勻離散化處理方法，并借鑒離散變量的搜索優化法，在連續變量的復合形法基礎上，探討了一種求解有約束非線性混合離散變量的優化設計問題的方法――混合離散復合形法，該算法可用于工程結構優化設計中，其結果不需圓整，解題可靠性和效率大大提高。 1.3懲罰函數法

懲罰函數法，是約束優化問題中一種比較常用的間接解法。采用基于Powell的內點懲罰函數法對實際偏心擺式飛剪機剪切機構進行優化設計，使飛剪機的機械參數滿足了剪切過程要求，同時提高了飛剪機剪切性能和軋件的剪切質量。文獻[10]運用內點懲罰函數法將約束優化問題轉化為無約束問題后，用共軛梯度法進行機床主傳動系統中零件參數的優化，使機床主傳動系統方案達到最優，同時可提高設計精度、縮短設計周期。文獻[11]利用懲罰函數法對汽車動力傳動系優化數學模型進行了優化，使整車綜合性能均有顯著改善。文獻[12]針對混合懲罰優化法存在的初始點選擇、可能的局部最優點及計算時間等問題，提出了遺傳懲罰復合算法GPCM。

2現代優化方法的應用

隨著20世紀70年代初期計算復雜性理論的形成，科學工作者發現并證明了大量來源于實際的組合最優化問題是非常難解的問題，其中許多問題如0―1背包問題、旅行商問題（TSP）、裝箱問題等，都被證明為NP完全問題，因而傳統的優化算法就顯得無能為力了。20世紀80年代初期，應運而生了一系列現代優化計算方法，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等，它們的共性是基于客觀世界中的一些自然現象，通過與組合最優化求解進行類比，找出它們的一些共性，建立相應的算法。

2.1遺傳算法

遺傳算法(GeneticAlgorithm簡稱GA)，是20世紀70年代初期由美國密執根（Michigan）大學霍蘭（Holland）教授提出的一種全新概率優化方法。GA是一種非確定性的擬自然算法，它仿造自然界生物進化的規律，對一個隨機產生的群體進行繁殖演變和自然選擇，適者生存，不適者淘汰，如此循環往復，使群體素質和群體中個體的素質不斷演化，最終收斂于全局最優解。

2.2模擬退火算法

模擬退火算法(SimulatedAnnealing簡稱SA)，最早的思想由Metropolis在1953年提出，Kirkpatrick在1983年成功地應用在組合最優化問題。SA是一個全局最優算法，以優化問題的求解與物理系統退火過程的相似性為基礎，利用Metropolis算法并適當的控制溫度的下降過程實現模擬退火，從而達到求解全局優化問題的目的。模擬退火算法是一種通用的優化算法，用以求解不同的非線性問題；對不可微甚至不連續的函數優化，能以較大概率求得全局優化解；具有較強的魯棒性、全局收斂性、隱含并行性及廣泛的適應性；并且能處理不同類型的優化設計變量(離散的、連續的和混合型的)；不需要任何的輔助信息，對目標函數和約束函數沒有任何要求。目前已在工程中得到了廣泛的應用，諸如VLSI生產調度、控制工程、機器學習、神經網絡、圖像處理、數值分析等領域。

2.3蟻群算法

蟻群算法(AntColonyAlgorithm簡稱ACA)，是受自然界中真實蟻群的集體行為的啟發而提出的一種基于群體的模擬進化算法，是1991年由意大利學者M.Dorigo等人首先提出，通過人工模擬螞蟻搜索食物的過程來求解旅行商問題(TSP)。蟻群算法對系統優化問題的數學模型沒有很高的要求，只要可以顯式表達即可，避免了導數等數學信息，使得優化過程更加簡單，遍歷性更好，適合非線性問題的求解。主要應用在：旅行商問題(TSP)、二次分配問題(QAP)、車間任務調度問題(JSP)、車輛路線問題(VRP)、圖著色問題(GCP)、有序排列問題(SOP)、機構同構判定問題、數據的特征聚類過程、集成電路布線設計、電信路由控制、交通建模及規劃等的求解。 2.4三種算法應用的比較分析

遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法都是隨機搜索算法，它們的搜索過程都具有非確定性，具有避免陷入局部最優以收斂于全局最優(或次優)的能力。三種算法的共同特點是魯棒性較強，對基本算法模型稍加修改，便可以應用于其它問題；具有并行性，易于并行實現；很容易與多種啟發式算法結合，以改善算法的性能。在背包問題的求解中，遺傳算法有較強的全局搜索性能，但容易產生早熟收斂的問題，而且在進化后期搜索效率較低。模擬退火算法具有很好的局部搜索能力，但對參數的依賴性較強。因而將它們結合使用，在優化性能、優化效率、可靠性方面具有明顯的優越性。

3結論與展望

優化方法在工程領域的應用已有較長時間的研究，傳統與現代優化方法各有其優點和不足。一般而言，傳統優化方法的理論基礎完整而扎實，算法理論性和通用性強，可靠性、搜索效率較高，但由于算法是基于連續函數和凸規劃構造的，存在著對于非凸優化問題易收斂于局部最優點，全局最優解難以保證，難以處理離散變量等缺點。現代優化方法中，研究與應用最為活躍的是遺傳算法，檢索到的近幾年遺傳算法的文獻量幾倍于傳統優化方法和其他現代優化方法的相關文獻的總和。

參考文獻：

[1]張翔;優化設計方法及編程[M];北京：中國農業大學出版社，2001.7

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隨著知識經濟的到來和信息技術的迅速發展，社會上對人才的需求產生了很大變化，用人單位對高校畢業生的社會適應性提出了越來越高的要求，更加強調實踐能力和創新型人才的培養。所以為了順應國際發展趨勢，適應國家工業、企業需求，增強我國核心競爭力，建設創新型國家、走新型工業化道路，2010年6月23日，教育部在天津召開“卓越工程師教育培養計劃”啟動會，聯合有關部門和行業協會，共同實施“卓越工程師教育培養計劃”，主要目的就在于培養和造就一大批創新能力強、適應社會發展需要的高質量工程技術人才，目前教育部已經批準61所高校為第一批“卓越工程師教育培養計劃”實施高校。

對于機械專業的畢業生而言，不僅要培養學生熟練掌握專業基礎理論知識的能力，還要注重培養學生的實踐應用能力、思維開創性和創新性等能力。所以“卓越工程師教育培養計劃”明確要求行業和企業必須要深度參與人才的培養過程，學校也要按照機械行業的通用標準來培養工程人才，同時要注重培養學生的工程能力和創新能力，以提高學生的工程應用能力和社會適應性。在機械工程專業的培養方案與計劃中，現代機械設計系列課程毫無疑問是與工程實際與工程應用聯系最為緊密的課程，也是將來對機械專業學生工程應用能力和社會適應性影響最大的主干課程，課程包括材料力學、工程力學、有限元分析、機械振動、機械設計、優化設計與理論、機械結構測試與分析等，這類課程不僅是機械工程專業本科生與研究生重要的專業基礎課和學習后續專業課的基礎，也是現代設計方法與工程技術的重要組成部分，更是非常重要的培養學生科研水平與實踐應用能力的系列課程。課程的培養方案、教學計劃以及教學方式嚴重影響機械專業學生的培養質量，也直接影響機械專業“卓越工程師教育培養計劃”的成敗與實施效果。

1　利用教學計劃修訂的契機完善課程體系的設置

培養方案和教學計劃是高校根據不同層次不同專業的培養目標和培養規格所制定的實施人才培養活動的具體方案，一般包括課程體系、教學計劃、課程教學大綱等，其核心是課程體系。高校在編制或修訂機械工程專業的培養方案時，在課程體系的設計上，要針對社會對機械專業人才的需求，面向行業、企業和現實社會生活，既要注重傳統基礎理論的夯實和前沿專業科技的發展，又要注重學科與課程的系統性和專業課程的教學實踐性，還要圍繞企業的需求和市場的變化，始終保持對市場和企業的高敏感度，強調企業對學生具備的職業能力的要求，突出社會對學生具備的基本素質的培育。所以新的機械專業課程體系，需要對機械設計系列課程的設置與安排，作較大的調整，增加開設實驗應力分析、有限元分析、機械振動、機械結構的測試分析以及優化設計等現代設計類的重要課程，以保證學生接受到系統全面的現代機械設計方面的理論和方法，掌握最新的測試技術與分析手段，使學生在畢業后的短時間內，就能夠獨當一面地運用現代的設計方法和計算、測試手段解決企業面臨的具體工程。現代設計的技術和方法對學生的實踐性和動手能力要求較高，所以還要增加實踐教學所占學時的比例，安排足夠的時間或較多的機會讓學生接觸到社會或企業，以加強專業技能技巧的實際訓練（即職業訓練），培養動手能力、實踐能力和創新能力，提高實際工作能力，以便一進入社會就能很快上手，縮短適應時間。

2　利用研究型教學的機會改進傳統的教學方式

研究型教學是教師在教學過程中通過優化課程結構，建立一種基于研究探索的學習模式。研究型教學模式將學習、研究、實踐有機結合起來，充分發揮學生的主體作用，使學生能創造性地運用知識和能力，在主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，自主地發現問題、研究問題和解決問題的一種教學模式。在研究型教學中，教師的職能將由“教”轉變為“導”。課堂教學方面，由傳統的單向灌輸轉變為啟發互動式，要引導學生自主探究和體驗新知識；課外教學方面，將教學與實際結合起來，通過親身實踐，擴大知識視野，獲得科學研究的基本訓練和研究技能。

機械設計系列課程研究型教學的關鍵是圍繞“卓越工程師教育培養計劃”的培養目標和要求，培養具有較強的工程素養、工程應用能力和實踐動手能力的機械工程師。所以在理論教學過程中，一方面保證理論體系的完整性；另一方面要提高多媒體課件的質量，課件中要增加具體的工程實例，注重引導學生注意身邊的工程問題，鼓勵學生參與提煉工程主題，并將教學重點內容提煉成具體的工程主題，引導學展開課堂討論，并根據所學的知識提出解決問題的方法，這樣可以將抽象的理論與具體的工程背景結合，使抽象的工程問題變得豐滿有趣，從而強化學生的工程概念與背景。在實踐教學過程中，要想方設法創造條件和機會讓本科生走進企業，讓碩士生進入研究生工作站。目前第一批參與“卓越工程師教育培養計劃”的高校普遍提出校企聯合培養工程技術人才的模式，讓學生有半年以上的時間在企業實習或參加社會實踐，學生在企業的學習任務主要是培養他們的工程實踐能力，養成工程創新的意識。在企業學習階段安排的教學環節包括認識實習、生產實習、畢業實習、部分基礎課和專業課的學習、畢業設計等，甚至還可以讓學生在企業進行1周至3個月的中短期課程學習或者工程實踐。這種校企合作培養的做法基本與歐洲應用技術型大學的培養模式相似，可以使畢業生將來能夠很快的適應社會、適應工作崗位，從而減少畢業后重新培訓與學習的時間，縮短適應周期。

3　利用參與項目的機會培養學生的工程背景與素養

目前很多機械專業畢業生進入工作單位，都需要較長時間的重新學習與適應，才能具備基本的工程素養與概念，還要再經過更長時間的鍛煉才能具有現代設計的科研能力與水平，才能獨立開展科學研究和解決具體的工程實際問題。這個過程往往需要2～5年的時間，使得企業既浪費人力又浪費財力。造成如此現狀的原因主要在于學生參與的項目或課題很少，不能真正將學到的知識應用于解決具體的工程問題，所以在學校學習階段，需要注重讓學生參加項目或課題的鍛煉。

學生可以參與項目是廣義的、多種多樣的，可以是老師所研究縱向和橫向項目的子課題，可以是學生的畢業設計與論文，可以是教學過程中提煉出來的工程實例，也可以是學生在企業實習或實踐中發現的工程問題，還可以是生活中與專業知識有關的現象，甚至可以參與博碩士研究生的研究課題等等。很多大學正在實施的“研本1+1引領計劃”，就是研究生根據自己的專業知識、研究方向和經歷對本科生進行一對一的引領，實現對本科生在科技創新和社會實踐的引導。

針對學生的不同學習階段，通過自主選題或導師命題的方式布置與工程實際相關的一系列項目，把學生分成若干小組，以組建學習小組的形式讓學生共同進行課題的研究，每一小組承擔相關的子課題。在教師和研究生的指導下，各小組的學生經過文獻資料的查閱、研究方案的討論、導師的定期輔導、學生做演示文稿匯報等過程后，獨立或半獨立地進行理論分析、實驗測試、仿真計算以及優化設計，最后撰寫課題研究報告并總結研究的方法與成果，從而系統全面地完成課題的研究工作并以成果的形式予以展現。這一培養過程的顯著特點是將學生的選擇項目與工程應用、生產實際、日常生活緊密接軌，不但能夠激發學生的學習潛能，培養學生獨立思考與解決問題的能力，還可以培養學生的“團隊意識”與交流合作的素質。最為重要的是，可以通過具體的工程課題，讓學生得到完整與系統的工程訓練，這也是“卓越工程師教育培養計劃”的核心。

4　利用大學生第二課堂培養創新意識和動手能力

大學生第二課堂是培養“卓越工程師”的主陣地，也是培養大學生創新意識和動手能力的主課堂，對拓展學生的綜合素質起到非常重要的作用。學生可以選擇參加科技競賽、、參加講座、申報專利、參加科研課題等多種方式來鍛煉自己。

對于機械專業學生來說，組織他們參加各種職業資格考試，例如見習工程師培訓與考試，可以使學生掌握現代的設計理念和先進的工程設計與研究方法，增加相關行業的基本知識與技能；支持他們參與各級各類的競賽活動，如“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、全國的大學生數學建模競賽、電子設計競賽、機械設計創新大賽、全國周培源大學生力學競賽、英語演講比賽等各級各類競賽，可以調動學生的主動性、積極性、創造性，激發學生潛能，展示學生的才能；鼓勵他們走進開放的工程力學與現代測試分析實驗室，為學生設計若干綜合性和研究型的實驗，在實驗室中培養和訓練學生使用使用測量設備與儀器的能力；吸引他們進入研究生工作室和機械結構分析研究中心，為學生提供有限元分析軟件、優化設計等現代的分析手段，使學生掌握先進的機械設計與分析方法；最后，讓學生參加教師與研究生的項目與課題，提供他們走進企業的機會，參加工程項目的測試、分析與優化等綜合型的研究工作，從而增強學生的工程概念與意識，提高與鍛煉學生解決工程實際問題的能力，最終提高學生的社會適應性，成為合格的卓越機械工程師。

參考文獻

[1] 周雪梅，滕靖.面向卓越工程師培養的教學改革研究[J].中國科教創新導刊，2011（5）：50.

[2] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學為載體制訂先進制造技術卓越工程師培養方案[J].中國現代教育裝備，2010（12）：15-19.

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一、前言

研究生教學有其突出的特點，他們中多數人理論基礎扎實，獲取書本知識能力強。但同時也存在創新意識和創新能力不足、工程應用背景不夠的缺點。本人通過十多年研究生教學的實踐，結合本學院研究生專業方向、課程內容針對性強等特點，對如何在研究生教學改革中突出培養學生的自學能力、創新能力，增強學生的創新意識與工程應用能力等問題進行了一些改革創新。

二、課程定位及課程特點

隨著現代工業的發展，科學研究的深入與計算機軟、硬件的發展，計算機仿真技術已成為分析、綜合各類系統，特別是大系統的一種有效研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術已經廣泛應用在各技術領域、各學科內容和各工程部門。仿真技術已經在國防軍事、國民經濟、社會生活的眾多領域發揮了重要的作用，國內外眾多學者認為，仿真技術“正在成為與理論、實驗并列的第三種認識和改造客觀世界以及科學研究的手段”，因此仿真技術被認為是“使能”技術。計算機仿真技術是仿真科學與技術涉及到的有關具體仿真技術中最為基礎的部分，具有綜合性、多學科交叉等特點。為了拓寬機械工程專業基礎，提高培養對象的整體素質，更好地適應社會對機械工程專業人才的需求，高校工科專業的研究生應掌握一定的計算機仿真知識與技能。計算機仿真技術課程是我校機械工程學院面向所有研究生各專業方向的研究生開設的一門專業基礎課程，考慮專業應用需求并結合教學實踐情況，課程目的是通過本課程的學習，要求學生掌握計算機仿真技術方面的基本理論，基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，為今后分析、綜合各類工程系統或非工程系統提供一種有力的工具，以便能靈活應用所學的計算機仿真技術為本專業工作服務。一方面，基于仿真技術課程的內容方法較多，實踐性強的特點；另一方面，授課對象專業方向較多、授課學時有限等特點，如何解決在有限的教學課時內講授內容繁多的仿真內容、對計算機仿真技術課程進行教學方法和手段的改革探索和實踐，以達到計算機仿真技術教學目標。

三、教學內容的設置和教學方法的選擇

課程開設初期，由于只是機械電子工程專業方向的同學選修，所以所講內容基本針對該專業方向進行設置。隨著選修人數的不斷增加，以及選修學生所屬專業方向的擴大，專業方向包括：機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設計及理論、車輛工程、機械工程（專業學位）等，基本涵蓋了機械工程學院的所有專業方向。計算機仿真技術課程涉及多個交叉學科，緊密相關的課程包括數值計算方法、計算機編程、計算機圖形學、高等數學、自動控制原理、現代控制理論、優化設計等課程。如何講出本課程的特點，并充分結合相關課程內容，必須在教學內容的選排上下功夫。項目教學法是一種以任務驅動、以項目為基本教學單元，將理論教學和實踐教學有機融合在一起，強調綜合能力的培養在研究生教育中的重要性，突出學生在整個教學過程中的主體地位。因此，為了滿足各個專業方向學生的要求，使他們能夠掌握一門工程分析技術，為后續的學術論文和碩士學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段，本人在講授該門課程的過程中，逐年對教學內容、教學手段和教學考核方法等不斷進行調整和完善。1.采取項目專題方式進行教學內容的講授，調整授課內容，采用專題教學方法使課程主題內容分明，有利于將仿真方法講深、講透。2.擴展所授課程內容涵蓋的范圍，包括數值計算、優化設計、圖形可視化、控制系統特性仿真、控制系統設計以及與外部軟件的接口等內容，以滿足各專業方向學生的需求。3.增加與課程相結合的實驗教學內容。計算機仿真技術本來是實踐性很強的綜合性技術，仿真技術本身是在對控制系統分析的過程中不斷完善和發展起來的。因此并結合各個專業研究生的不同研究方向，靈活設計若干個專題實驗，使學生學以致用，培養學生將該門課程應用于實際工程的能力。4.采用多個工程應用實例進行教學，從系統應用、數學建模、仿真建模、模型求解以及特性分析等，使學生從生產實際認知的研究對象，提升到理論高度的學習，應用所學的各科理論知識和技術手段，進行數學建模、仿真建模的建立，并對模型求解以及特性進行分析，獲得直觀結果，提高學生學習興趣，最終解決實際工程問題，培養學生解決工程實例問題的能力。5.結合學科前沿，進行課堂討論。研究生在初步掌握了對系統的模型、仿真算法設計、仿真及結果分析這一流程后，為強化計算機仿真在實際工程的應用概念，在此基礎上，以項目形式，開展課程學科前沿以及將該門課程與現代技術融合等專題討論。6.增加實驗環節，培養研究生工程實際應用能力。利用各種平臺，擴充計算機仿真技術資料，提供最新的仿真案例，結合教學團隊的科研課題，設計實驗項目，培養研究生工程實際應用能力。

四、項目教學法的教學效果

基于項目教學法計算機仿真技術課程的教學方法改革與實踐，滿足機械工程學院各個專業方向研究生的需求，教學方法和手段的完善，使研究生自主學習能力、創新能力和工程應用能力等得到了進一步的提高。計算機仿真技術作為工科研究生的必備研究手段和技術，使學生掌握一門工程分析技術，為后續的課題研究、學術論文和學位論文的撰寫提供計算、分析和仿真手段。近五年的每年30—40人研究生選課，工程碩士每年20人左右選課，課程得到了各專業方向研究生的普遍認同。本人指導的研究生，發表與該課程相關的學術論文近20篇，撰寫的碩士論文均用到計算機仿真技術。