仿真技术在“机械优化设计”教学中的研究

［摘 要］ “机械优化设计”是机械类专业的一门重要课程，课程内容主要包括优化设计的基本概念和基本方法、优化设计方法、优化设计实例三大部分。课程目的是使学生树立优化设计的思想，掌握优化设计的基本概念和基本方法，获得解决机械优化设计问题的初步能力。随着仿真技术的快速发展，探索信息技术、计算机技术和优化理论的融合方法，并将仿真技术应用于机械优化设计领域，为其提供一种重要的科学优化设计方法，培养学生能够基于计算机仿真模拟相关知识，进行合理分析、评价大数据工程实践。

［关键词］ 仿真技术；机械；优化设计

［基金项目］ 2023年度新疆农业大学校级教研教改项目“仿真技术在‘机械优化设计’实验教学中的应用”（2023SJKF20）

［作者简介］ 靳 伟（1987—），男，江苏徐州人，硕士，新疆农业大学机电工程学院副教授，主要从事智能农业装备研究；张学军（1966—），男，新疆乌鲁木齐人，博士，新疆农业大学机电工程学院教授，主要从事农业机械化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）27-0133-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

引言

机械优化设计是指在机械产品设计的过程中，利用各种优化方法和工具，针对特定的性能指标和约束条件，对产品进行优化设计，以求达到最佳的设计方案。优化设计是将最优化原理和计算机科学应用于设计领域的一种方法，它利用数学方法和计算机模拟技术，通过对设计参数进行分析和优化，找到最优设计方案。

仿真技术是指利用计算机模拟真实物理场景的技术手段。在机械领域，仿真技术的意义和作用如下。（1）产品设计优化。仿真可以在计算机模拟环境下对机械产品进行各种效果测试，如可靠性、强度等，以评估和验证设计的可行性、避免设计错误、降低开发时间和成本。（2）生产过程仿真。在生产过程中，仿真可以帮助模拟和优化生产线，提高生产效率，降低物料损耗和节约能源。（3）可视化展示。利用仿真技术可以制作出各种可视化展示效果，包括3D模型和虚拟演示，以便于产品营销、展示和客户介绍。在机械领域，仿真技术可以用于机械设备的操作和维修培训，提高操作人员的技能和工作效率，降低安全风险。总之，仿真技术在机械领域具有重要意义，它可以节约开发时间和成本，优化产品设计，提高生产效率，降低物料成本和节约能源等。

一、“机械优化设计”课程教学现状

“机械优化设计”是机电工程学院农业机械化及其自动化和机械设计制造及其自动化专业的必修课程，学生学习该课程之前须要具备高等数学知识、计算机编程及复杂计算求解能力、机械专业基础知识等。在分析实例并结合优化理论的基础上，建立数学模型，选取优化方法，计算机编程求解最优结果。但是，学生普遍存在不理解、解题易错、不会做等问题［1］。机械优化设计的实验、实例应用内容与机械类专业结合不够密切，导致学生学习积极性不高、学习效果较差，具体表现如下。

（一）基础理论和专业知识薄弱

“机械优化设计”课程内容涉及的基础理论和专业知识较多，其中基础理论包括“高等数学”“线性代数”“程序设计”“理论力学”“机械原理”“机械设计”和“农业机械”等课程知识，部分学生对已经学过的课程知识点不够熟悉，基础理论薄弱，基础理论知识之间衔接较差。由于现阶段学生的实习、课程设计还未进行完毕，学生的理论联系实际、实践与思考、建立数学模型能力不足，所以，如何强化并巩固基础理论和专业知识，并结合案例库等使学生在这方面得以提升，是“机械优化设计”课程需要解决的关键问题［2］。

现阶段学生须要补习“机械优化设计”的基础理论知识和技能主要包括以下几个方面。（1）数学优化理论。“机械优化设计”的数学基础是优化理论，其中包括线性规划、非线性规划、多目标规划等方面的内容。这些理论为“机械优化设计”提供严谨的数学基础。（2）机械设计基础知识。“机械优化设计”需要学生掌握一定的机械设计基础知识，如力学、材料力学、机构学、动力学、结构分析等。这些知识是“机械优化设计”的实际依据。（3）数值计算和仿真技术。数值计算和仿真技术是“机械优化设计”必不可少的工具，可以利用数值计算技术与仿真技术对设计进行优化和评价，进一步提高设计效率和质量。通过学习相关机械设计基础课程、数学优化理论等方面的知识，进一步提高学生的“机械优化设计”理论基础。同时，加强对相关领域的专业软件的学习和实践，提高应用水平。

（二）计算机编程能力较差

学习“机械优化设计”课程的学生专业为农业机械化和机械设计制造专业，学习计算机应用技术、软件编程相关知识较少，缺少计算机相关专业知识，编写代码的能力不足［3］。因此，学生的计算机编程及复杂计算能力薄弱。学生计算机编程能力较差的具体表现为以下几种情况。（1）不熟悉编程语言。学生不了解编程语言的基本语法、数据类型、控制结构等，导致代码的错误和低效。（2）缺乏算法设计能力。算法设计是编程的关键环节之一，学生缺乏算法设计能力，很难编写出高质量、高效率的代码。（3）多次重构代码。由于代码实现质量不高或者不够灵活，可能需要进行多次重构和重新编写，浪费时间和精力。因此，计算机编程能力较差的学生须要加强学习和练习，提高自己的编程技能，以便能够更好地处理计算机编程任务，提高编程效率和质量。

（三）学习效果差

机械优化设计是一门重要的学科，在农业机械、航空航天、汽车、机器人等领域有着广泛的应用。在机械优化设计中，需要正确识别问题，并快速找到解决方案，如果缺乏分析问题和解决问题的能力，可能会浪费时间和精力。机械优化设计需要通过实践来掌握，如果缺乏实践经验，可能无法应用所学的知识。

“机械优化设计”课程的教学形式主要为课堂讲授，涉及较多复杂公式推导和大量的迭代计算。由于课程内容枯燥、教学方法单一和课堂师生互动较少，导致学生学习积极性不高、学习效果较差［4-5］。学生对机械优化设计仿真实验兴趣浓厚，通过仿真实验很容易理解课堂上不懂的知识点。但目前仿真技术在“机械优化设计”课程教学中的应用研究水平较低，亟须探索新的教学方法［6-8］。因此，学习“机械优化设计”须要注重理论学习和实践，并且须要兼顾思维能力和实践能力的培养。同时，要注重实践中的思考和反思，通过反思和总结不足，提高学生的机械优化设计水平。

二、仿真技术在“机械优化设计”课程教学中的应用

（一）仿真技术在“机械优化设计”课程中的应用领域和方法

1.结构强度分析。仿真技术在机械优化设计中应用比较广泛，通过有限元分析等仿真方法，可以评估机械结构在不同负载条件下的强度和刚度特性，帮助优化设计，以确保结构安全可靠。教学过程中，利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立起膜板受力模型并进行静力学分析，检验起膜板受力变形量是否满足机械设计要求，起膜板材料为Q235，划分网格并施加受力，分析起膜板等效应力和变形，获得等效应力云图。

2.动力学仿真。利用多体动力学仿真方法，模拟机械系统的运动特性和响应，在设计过程中优化动力学性能，如减小振动、降低噪声，并提高系统的精度和效率。

3.流体力学分析。对于涉及流体传输或流体动力学的机械设备，如泵、阀门、风扇等，可以使用计算流体力学（CFD）仿真来研究流场特性、流量分布、压力损失等，以指导优化设计和性能改进。在教学过程中，利用EDEM离散元和Fluent流体力学仿真软件耦合的方法模拟残膜与杂质混合物悬浮分离试验过程。

4.热传导与热辐射分析。通过热仿真方法，模拟机械元件或系统的温度分布和热耦合行为，用于优化散热设计、降低温升、提高热效能等。

5.最优化设计。结合仿真和优化算法，可以执行参数优化、拓扑优化、形状优化等任务，以实现机械设计的性能最大化或成本最小化。

通过仿真技术可以在计算机上进行虚拟试验和优化，预测和改进机械系统的性能，提高设计效率。当前，随着计算机和信息化技术在制造业的广泛应用，已经可以用现代化的设计方法与手段对产品或制造活动进行设计和规划，来满足人们对现代机械行业提出的要求。优化设计可以提高设计效率和质量，减少试验和开发成本，在工程设计中被广泛应用。因此，机械优化设计是非常重要的，它可以有效提升产品的性能，降低成本，提升产品质量和竞争力，满足市场需求和用户要求。

（二）基于MATLAB仿真实验教学

在教学机房或者学生个人电脑上安装MATLAB软件，确保学生都能够正常运行软件；准备好实用的工程案例，编写好对应的仿真模型，让学生可以根据实例，直接对仿真模型进行调试；明确学生需要完成的实验步骤，可以将步骤写入详细的实验指导书中，让学生按照指导书一步一步完成实验；设置作业，让学生进一步巩固学习成果，可以根据所学知识，自主完成仿真设计或编程设计；在学生进行实验过程中，及时进行指导和讲解，帮助学生理解所学知识，通过实验过程中的互动，达到知识的深入学习和应用。在实验结束后，进行总结，让学生掌握所学知识点，了解优缺点及其应用范围，并对学生的实验结果进行分析和评价。

MATLAB软件功能很强，可对机械优化设计实例进行仿真与结果分析，通过实验熟悉黄金分割法、共轭梯度法、单纯形法的原理，掌握基于MATLAB的编程、仿真方法［9-11］。利用计算机编程可以避免重复、烦琐的计算和迭代过程，求解速度快，最优化结果准确且精度高，过程及结果显示清晰，尤其在一些设计变量较多、复杂的工程中，优化仿真软件能快速获取设计算法及最优方案。MATLAB仿真软件是机械优化设计中最便捷、简明的工具［12-14］。

（三）“机械优化设计”仿真实例教学

机械优化设计的一般过程为，确定设计目标和限制条件，建立优化设计的数学模型；选择适当的优化方法并进行参数设置；编写计算机程序，实现数学模型和优化方法的计算过程，并输入控制参数和算法参数；设置必要的初始数据，如初始解、变量范围、优化迭代次数限制等；计算机按照预设的参数和算法进行迭代计算，直到满足设定的停止条件；对计算机求得的结果进行必要的分析，如验证结果有效性、优化方案比较、优化后多指标的变化等。“机械优化设计”仿真实例教学内容包括平面连杆机构的优化设计、基于MATLAB的黄金分割法优化设计、基于MATLAB的共轭梯度法优化设计等。在比较各种可供选用的优化方法时，须要考虑的一个重要因素是计算机执行这些程序所花费的时间和费用，即计算效率。在教学过程中，设置教学案例如表1所示，通过案例教学提升学生兴趣，提高教学效果。

机械优化设计仿真可以在计算机上进行，可避免传统机械设计制造周期长的问题，同时也可避免因错误设计而导致的重复制造和成本浪费。因此，机械优化设计可以在短时间内实现设计和优化。总之，“机械优化设计”仿真实例教学的优势包括节约时间、提高效率、实际应用领域广、设计改进和优化方便等。通过基于仿真技术的机械优化设计可帮助提高产品性能，降低成本，提高产品的竞争力。

结语

传统的“机械优化设计”课程以理论教学为主，学生主要以听讲和记笔记的方式学习，难以获取较好的教学效果。基于仿真技术的“机械优化设计”教学能够引入授课教材、典型案例、仿真分析软件等多种资料，更加注重学生仿真模拟与实践操作，使理论学习与案例仿真模拟相结合，可提高学生机械优化设计能力。本文分析“机械优化设计”课程教学现状、探索仿真技术在课程教学中的应用，将仿真技术应用于机械优化设计领域，可提升学生学习的积极性，培养学生的创新精神，研究内容也可为“机械优化设计”课程教学方法的改进提供思路和参考。“机械优化设计”课程教学改革可以更好地促进教学质量提高，培养学生实践能力，推动转变传统的“机械优化设计”教学方式，并为学生未来成长和发展打下更加扎实的基础。

参考文献

［1］于亚军，于建群，张强，等.《机械优化设计》课程多元化教学模式研究［J］.产业与科技论坛，2021，20（19）：127-128.

［2］李渊，杜秋月，张明慧.MATLAB优化工具箱在机械优化设计中的应用［J］.电子技术与软件工程，2019（11）：58.

［3］文逸驰.机械优化设计的应用及展望［J］.南方农机，2017，48（4）：56.