机械设计原理与方法

机械设计原理与方法（精选十篇）

机械设计原理与方法 篇1

关键词：机械原理课程设计,教学方法,问卷调查

一、引言

机械原理是机械类专业必修的一门重要的技术基础课。 它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科。 而机械原理课程设计是对机械原理课程的实践性学习, 其教学效果直接影响后续专业课的学习及毕业设计的质量。 为了掌握机械原理课程设计的教学现状, 提高课程设计的教学效果, 为该课程的教学改革和课程建设提供依据[1], 我设计了《机械原理课程设计教学质量调查问卷》。问卷主要涉及课堂教学环节、教学效果、学习情况等问题。 调查对象是该校已经学习了机械原理及机械原理课程设计课程的学生, 调查采取不记名的形式进行, 以自愿为原则, 共计108名学生参与填写调查问卷。

二、机械原理课程设计教学方法及展开过程调查结果与分析

(一) 学生对机械原理课程设计课程的态度

调查显示, 学生对机械原理课程设计学时设置为20学时的安排认为合适的占78.7%, 这表明大多数学生都认可该门课程学时数。学生认为机械原理课程设计对于机械原理的学习非常重要的占34.2%, 重要的占50.9%, 一般重要的占14.9%。 这说明学生都意识到机械原理课程设计这门实践课的重要性。

根据调查结果, 有64.8%的学生希望该课程的理论教学与课程实践教学交叉进行, 有35.2%的学生希望先理论后实践。 这表明, 大部分学生不认可现阶段的课程设置的安排, 希望能在机械原理理论授课的间隙开展课程设计的实践课程, 这样学生及时地将理论知识在课程设计中加以应用, 教学效果可能更好。

(二) 学生对机械原理课程设计采取的方式的态度

调查结果显示, 83.3%的学生认为教师采取的分组进行学习的方式合理。 不过对于小组成员的人数存在不同的认识, 49%的学生认为4-5人合适, 35.1%的学生认为6-7人合适。在小组成员搭配方式的认识上, 55.5%的学生认为根据学习能力水平平均搭配这样比较合适, 37%的学生认为自由组合的方式比较可行。这表明, 学生认为在小组成员的组成上, 让学习能力稍强的, 学习主动性高的带动学习能力不够的, 积极性不高的学生, 这样相互搭配, 提高班级学生整体的学习积极性, 这样有助于提升教学效率。

77.8% 的学生表示选定的研究课题是经过小组成员共同商量采取少数服从多数的方式决定的, 87%的学生表示小组确定的选题是自己想做, 这说明采取分组讨论的方式能够满足学生对选题的需求。学生确定选题后采取任务分配的方式开展课程的学习, 其中76%的学生表示是根据组员意愿来确定任务的, 其余的学生表明是由小组长指定的任务。根据自己的意愿确定任务的学生表示, 69.4%的学生是选择自己会做的, 而30.6%的学生选择有挑战性的任务。这表明我们的学生在学习的态度上都比较求稳, 自信心不足, 教师在之后的教学中需要培养学生的学习自信心和学习主动性。

(三) 机械原理课程设计展开情况调查结果与分析

调查结果显示, 学生认为自己的选题难度大的占51.8%, 适中的占48.2%。 绝大多数学生认为对方案进行运动分析和动态静力分析这样的计算难度较大, 还有少数学生认为进行CAD绘图较困难, 这充分表明, 学生在进行机械原理理论课程的学习时, 对于运动分析和受力分析这两章节的学习深度不够, 平时对CAD绘图的锻炼强度不足。教师要加强学生对CAD绘图的练习, 同时在机械原理课程的教学上要进行必要的改进, 使学生更好地掌握抽象的物理知识。

关于选题任务范围应该涉及哪个或者哪几个机构较合适的问题上, 同时选择了连杆机构, 凸轮机构, 齿轮机构这三者的占37.8%, 选择了其中两个的占42.4%, 其余的只选择了一种机构。这充分表明学生希望选题能够应用到理论课程上所学的三大类机构类型。 因此, 教师在布置选题上需要更加严谨, 能够覆盖所学的至少2种机构类型, 使学生的学习能力得以充分的锻炼和提高。

在绘图过程中 “你能准确使用新标准”这个问题上, 可以的占44.4% , 不可以的占55.6%。 “如果你能使用新标准, 那你采取的途径是什么? ”针对这个选项, 9.2%的学生因为以前学过所以会, 53.7%的学生选择查阅以前的教科书, 35%的学生选择上网搜索答案, 2.1%的学生选择请教同学或者教师。 学生在课程设计过程中, 遇到不会的问题的解决方式是:请教老师或者同学的29.6%, 上网或者图书查找的占64.8%, 自己思考解决的占5.6%, 没有解决的占0%。 这表明虽然部分学生对于新国标的概念及应用认识不深, 但仍有学好该课程的主观能动性, 这就为该课程的教学提供了极为有利的条件。

在能否准确使用课本上的关于构件、运动副等的符号来画机构运动简图的问题上, 27.8% 的学生表示完全可以, 72.7% 的学生表示有时可以。 这说明学生对于机构运动简图的绘制这个知识点掌握情况一般, 教师在进行理论授课的过程中要注意加强这个知识点的练习。 关于“你能根据功能要求准确提出相应的机构类型”这一问题, 学生认为完全可以的占12%, 有时可以的占77.8%, 不可以的占10.2%。 在 “你能根据所选题目的功能要求进行机构组合吗”这个问题上, 学生认为完全可以占16.6%, 有时可以占79.6% , 不可以占3.8%。 这表明学生对机械原理课程中所讲授的机构类型的掌握不够, 教师在授课过程中要将理论与实际结合起来, 使学生对机构有更深入的了解。

(四) 学生的机械原理课程设计学习情况

在课程设计的开展过程中, 36.1%的学生认为抄袭主要集中在初期计算过程中, 40%的学生认为集中在绘制草图或者CAD绘图过程中, 23.9%的学生认为在编写设计说明书的过程中。从学生的课程设计实践过程和提交的设计说明书情况上看, 确实存在着一定程度的抄袭现象, 从学生自己反馈的情况表明, 教师应该要加强惩罚力度坚决杜绝抄袭的恶习, 树立良好的学习风气。

学生认为参与课程设计的人非常多和比较多的占58.3% , 比较少和非常少的人占41.7%; 学生认为没有参与课程设计的原理是不感兴趣的占24%, 理论课没有学好的占76%。这表明, 多数学生对于课程设计的实践学习具有较为浓厚的兴趣, 愿意参与其中, 但是对于理论课程的掌握情况不够好导致对于课程设计也缺少了自信和兴趣。 因此, 教师应该加强理论课程的教学建设, 使学生能够更好地掌握抽象的理论知识, 为实践课程打下坚实的基础。

学生在做完课程设计后, 完全明白了该课程的各个任务之间的逻辑关系的占16.7%, 部分明白的占83.3%, 不明白的0%;课程结束后, 30.5%的学生表示收获非常大, 61.1%的学生表示收获比较大。 这表明绝大多数学生对自己这学期的机械原理课程设计的学习收获较为自信。

三、分析与小结

(一) 机械原理课程设计教学效果较为理想, 但是教学方式比较单一

教师在拟定课程设计的选题时要难度相当, 能够涵盖理论课程上所学的机构类型, 使学生能够在实践中对所学的机构类型有个全面的认识。 另外, 采取分组进行的方式要充分考虑学生的水平, 使各个小组能力水平基本相当, 小组内部能够互相帮助, 互相激励, 提高学习效果[2]。

(二) 学生的理论学习能力有待提高

多数学生对于机械原理课程设计的学习具有较为浓厚的兴趣, 也给予了极高的重视度, 且多数学生的学习动机端正, 具备学习的积极主动性。 但是由于机械原理理论课程的学习深度不够, 直接影响了学生对于机械原理课程设计实践的自信心, 教师应该针对机械原理课程学时少的现状, 对教学内容进行较为有效的处理, 使得课堂教学重点突出, 有效化解难点, 理论联系实际和考试评价方面还需要进行改进。 讲授法仍是课堂教学最常用的方法, 但是要注重课堂教学的启发性和互动性, 多媒体教学手段的合理运用亟待加强[3]。

同时, 要注意机械原理课程与其他课程的衔接, 对于机械设计制造及其自动化专业的学生来说, 机械制图, 理论力学, 机械设计液压原理等课程是机械类学生的技术基础知识。 把这些课程的知识点串起来, 使学生更加积极主动地开展学习活动, 是机械类课程教学的难点, 也是我们教师接下来需要努力的方向之一。

参考文献

[1]袁新梅.《机械原理》课程设计教学改革探索与实践[J].长江大学学报:自然科学版, 2008 (3) :345-346.

[2]宜亚丽.机械原理课程设计教学改革的探索[J].太原理工大学学报:社会科学版, 2008 (z1) :51-53.

机械设计原理与方法 篇2

上海交通大学, 机械原理, 经验总结, 设计

在2010年的考研过程中，我对专业课--机械设计基础有了这样的了解

机械设计基础分两门---机械原理和机械设计

交大的机械总体还是有一定的难度的，这样说是我在做了好多学校试题基础上说的 机械原理和机械设计在题型基本上也已经固定了，在我总结下来，大概有30个题型（大题），稍微有点规律性

说明一下：

机械原理第四版书，是89的书，很老的，在市面上已经很少了，如果自己复印的话，要很多钱，有条件的（图书馆有的）可以借阅还可以用第六版代替或者交大老师邹惠君老师遍的书代替一下。机械设计建议参考一下濮良贵，纪名刚主编第七版，只看指定的机械设计基础是做大题是有很大困难的，小题基本都出在此，大题基本不出在此，在公式符号上建议统一参考机械设计基础里的。

这里我先说一下第一章

1.大题的题型

自由度每年考的几率都在90%上，基本的计算公式是肯定考的，不过稍微灵活一点，他会结合复合铰链、虚约束、局部自由度，它会要求指出这些位置，并在此基础上计算自由度

还会结合一下高副低代等计算自由度

2.小题的题型

运动副的类型，这个很简单的，高副、低副有几个约束等等不过也要小心，交大老师很会挖陷阱的，一句话，小心就得分。

瞬心这里，不会考很多，考的次数也很少。

虽然有的学校把这部分列为重点，但是交大很少搭理它的，也就是个小题，瞬心位置，计算速度就这些。

在有些学校的课本里以及参考书里，这一部分介绍的很难的，如果完完全全的弄懂了，需要30个小时，建议大家不要在这里浪费时间，机构具有确定相对运动的条件，这个肯定考的，交大老师需要给你点信心，让你有勇气做下去啊！一句话，自由度和原动件的数目相等，记住它就可以了（不过基本的计算自由度要会）级别也有几次涉及，都是基本的，只要看好课本就可以了

补充：

平面机构运动简图的绘制，这个虽然是基本的，但是交大考的次数还是很少的，我认为会有一年这样考：

机械设计原理与方法 篇3

[摘 要]作为教学效果最具时效性和导向性的检测手段，考核方法是课程教学及其改革的重要组成部分。根据CDIO教学模式改革需要，机械原理综合考核方法涉及课堂参与度、课外项目验收和课程基本知识等多个方面，贯穿课堂教学全过程，需处理好教学理念和教师、学生、教学资源等投入问题。实践证明，机械原理综合考核方法可激发学生学习兴趣，提高课堂教学效果。

[关键词]机械原理 CDIO 综合考核方法 课堂参与度 课外项目验收

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）08-0138-03

机械原理是机械类和近机类专业的主干技术基础课，是理论课程向实践课程过渡的重要环节，在培养机械类高级工程技术人才的基本知识和技能、创新能力、基本素养等方面具有关键作用。[1]随着经济和科技的发展，新型机械产品及其工作原理层出不穷，对传统的机械原理课程教学和考核方法提出了综合改革要求。[2] [3]课程考核既是教学的重要组成部分，也是检验与保证教学效果的关键环节和手段，是课程综合改革的重要组成和关键环节。笔者探索一种符合机械原理项目式教学模式的综合考核方法，经多年教学实践证明，效果显著。

一、综合考核方法改革必要性

国内众多高校长期进行机械原理课程教学模式改革的探索，尤其是课程体系和内容[4] [5]、教学手段和方法[6] [7]等方面的改革与实践，但是考核方法仍以考试模式为主，进行小范围内修补性改善工作的实践[8]，仍以“知识量化记忆考查”为主，期末考试决定课程成绩，使学生产生“考前突击”和“只注重理论知识”的应试心理，形成“重知识轻能力”的不良导向，导致学生平时上课积极性不高、动手实践活动兴趣不足和创新思考意识不强等问题，这势必影响课程教学效果和人才培养质量。

结合江苏科技大学机械制造专业试点的国家级“卓越工程师教育培养计划”项目，深化基于CDIO的机械原理教学模式改革，即在传统课堂教学和实验教学基础上，引入计算机技术和Matlab软件，进行包括运动分析、力分析、连杆机构设计、凸轮廓线设计、齿轮廓线设计和速度波动调节在内的课外解析法项目研究，要求学生分成3-4人一组，共同完成其中三类项目的分析建模、编程求解、报告撰写、演示答辩等任务，并提交研究报告、Matlab源文件和关键草稿纸等过程材料，进行汇报答辩，研究报告应内容完整、工整清晰、统一规范，Matlab源文件应运行流畅且具有良好的可读性。为保证基于CDIO的机械原理课程教学模式改革质量，进行贯穿课程教学全过程的、配套的多元化综合考核方法改革与实践，是十分必要的。

二、综合考核方法改革与实践

为消除以“知识量化记忆考查”为主的、期末闭卷考试单一形式的课程考核方法的不利影响，基于项目式教学的机械原理课程，采用贯穿课程教学全过程“课堂参与度、课内实验、课外项目和期末考试相结合”的全方位，多元化综合考核方法（见表1），基于CDIO的机械原理综合考核方法的主要改革措施与实践方法如下。

表1 基于CDIO的机械原理综合考核方法实施方案

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（一）面向学习态度和基础能力的课堂参与度考核

随着高校扩招后学生基本素质的普遍下降，课堂出勤率和参与积极性，普遍也下降。端正学生学习态度并激发学习兴趣，提高课堂教学质量，尤其是具有理论性、系统性和工程实践性的机械原理的教学质量，是建立机械工程意识和基础能力的有效保证。将学生分成3人组（最后一组可能为4人）进行编号，按编号分块安排教室座次，以便于快速统计缺席人员、分组讨论、课堂提问和课外项目布置等工作。平时成绩按缺勤率扣分和课堂参与度加分计算，总分不超过20分。以56学时机械原理课程为例，缺勤扣0.5分 / 次，缺勤1 / 3以上者，取消课程考评资格；回答问题或上讲台演示加1-3分 / 次。

根据面向学习态度和基础能力的课堂参与度考核计算学生平时成绩，方法客观、公平、公正、可实施，学生各自的努力和付出决定平时成绩，避免了教师的人为因素影响、点名等考勤的时间浪费，并弱化师生矛盾，重点考核学生对待学习的态度、从课堂上获取知识的能力，包括理解能力、计算能力、收集归纳资料的能力、表达能力等。

（二）面向综合能力和科研素养考核的项目验收

根据机械原理课堂教学进程，课外项目逐一从教学资料[6]中选择或自由申请，需教师审核并确认各小组项目差异性和难度，小组成员间须有明确的分工与协作，禁止以逸待劳。项目完成后，小组提供课外项目研究报告、Matlab源程序和关键草稿纸等材料，并申请答辩。

学期末，由任课教师组织3-5名教师组成答辩组，对小组及其成员进行课外项目验收评分。各小组进行课外项目演示汇报，其中项目汇报的程序为：演示5分钟、总结汇报3分钟、回答问题7分钟，总计15分钟。根据考核内容与评分依据（见表2），答辩教师分别评定小组总体成绩，再参照小组成员分工、答辩汇报和回答问题等情况，分别确定各成员成绩，最后计算答辩组教师评分平均值，即为课外项目成绩。

表2 机械原理课外项目验收考核评分表

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机械原理课外项目研究和验收过程中，以学生为主体，教师承担指导答疑与考核验收等辅助工作，重点考核学生应用所学知识对工程实际问题的分析及解决能力，包括理论联系实际的能力，创新开发能力，自主学习、交流沟通、团队协作、活动组织等综合能力。

此外，开展科技论文写作规范训练和科研素养教育。在机械原理学科发展方向调研和文献查阅基础上，学生自选题目，如机械发展史、医疗机器人、生物机械、仿生机构、微小机械等，严格按照国家科技论文写作要求和规范撰写报告，独立完成综述性论文1篇，包含题目、中英文摘要、中英文关键词、引言、正文、结论和参考文献等部分。依据论文内容完整性、格式和符号规范性、语言精练性（避免抄袭现象）评判打分，可替换上述三项课外项目的最低分。

（三）课程基本知识考核

期末考试重点考核学生对课程基本理论、基本知识和基本技能的掌握情况，包括结构分析、运动分析、力分析和连杆机构、凸轮机构、齿轮及轮系等常用机构。采用闭卷笔试模式，包括选择填空题、判断题、简答题和计算分析题等题型。

三、考核方法改革实践效果与注意事项

通过机械原理课程项目式教学模式及考核方法改革与实践，在掌握课程基本理论、基本知识和基本技能基础上，学生的机构设计、综合、创新等专业能力和系统性工程意识、基本的科研素养得到显著提高，在后续的专业课程，第二课堂（如课外科技制作、机械创新设计大赛等），毕业设计等学习环节中充分发挥，尤其是在第二课堂，机械类专业学生兴趣浓厚，积极主动，上手快，创意多，动手实践能力强。近年来，江苏科技大学机制专业学生的课外科技作品与论文、专利等数量快速增多，在全国大学生机械创新设计大赛、挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛、江苏省大学生机械创新设计大赛等科技竞赛中不断取得突破，与课程教学模式和考核方法改革密切相关。

机械原理综合考核方法改革与教学模式改革是一体的，相互支持的，尤其是课堂教学组织与安排、课外项目实施与考核、期末考试内容与试题等方面，存在面广、点多、工作量大等问题。为保证课程教学与考核方法综合改革实践的效果，应注意以下几个事项。

（一）教学理念的转变

传统教学思想以知识讲解为主，要求老师在课堂上把课程知识点讲全讲透，留给学生课后思考的疑问和空间越少越好，不利于学生学习兴趣激发和能力培养。此外，随着课程学时的压缩和新知识的增加，课堂教学强度越来越大，容易打击学生学习信心。因此，课堂教学应以学习兴趣激发和能力培养为主，要求学生课后投入一定比例的课外学习时间，包括课外项目研究、课外科技创新与制作等内容，可参考国外部分国家的课外学习时间，约为课堂教学时间的2倍。

（二）教师的投入

机械原理项目式教学模式与综合考核方法增加了课外项目的编程指导与答疑、材料核查、验收答辩、论文审阅和成绩评定等工作，其工作量与班级学生人数相关。以小班学生30人10组为例，教师工作量投入约为传统教学模式的2.5倍。因此，基于CDIO的机械原理教学模式与考核方法，适合于小班化（30人左右）教学，否则教师精力难以胜任。

（三）学生的投入

机械原理项目式教学模式与综合考核方法，增加了网络自学、Matlab语言及其编程、课外项目研究与总结汇报、文献查阅与论文撰写等任务，其课后投入时间约为传统模式的5倍，是课堂教学时间的2-3倍。该模式只适合于与专业项目结合紧密的技术主干课和专业课，一方面课外项目工程实践性强，另一方面学习任务可行。以每周16学时（4-5门主干课）为例，课外投入时间约40学时，平均每人每天学习时间共11.2学时（约9小时），是可以推广的。

（四）教学资源优化

增加学生课外学习资源的投入和学生管理的自由度，硬件资源包括自习教室、开放实验室、机房等场地，软件资源包括课程课外项目和本科生创新计划、机械设计创新大赛等活动，学生管理自由度包括教室和实验室的开放时间、教师答疑时间、宿舍管理方式等方面。

四、结束语

经过长期实践与改进，基于CDIO的机械原理教学模式改革采用贯穿课程教学全过程的全方位、多元化综合考核方法，涉及课堂教学参与度、课外项目验收和期末考试等方面，更加注重教学过程、综合能力、学习态度的考核，消除传统考核方式的形式单一化、内容统一化和成绩功利化的不良影响，着力调动学生积极性和主动性，提高课堂教学质量，及时考查学生对新知识的学习能力、应用能力和创新能力，为后继课程学习、课程设计、毕业设计奠定良好的基础，实现科研基本思路和规范的训练，可有效提高学生知识水平、专业能力、工程意识和科研素养。

[ 注 释 ]

[1] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013（5）.

[2] 于晓红，韩建友，邱丽芳，等.深化机械原理课程教学改革[J].中国大学教学，2005（4）：25-26.

[3] 于晓红，王小群，邱丽芳.机械原理与机械设计课程体系的优化整合[J].中国大学教学，2008（7）：34-36.

[4] 陈文华，陈秀宁.“机械原理”课程改革的实践与探索[J].机械工业高教研究，2001（1）：71-74.

[5] 顾文斌，王怡，庄曙东.基于卓越工程师计划的“机械原理”课程改革与创新[J].中国电力教育，2013（16）：100-101.

[6] 李滨城，徐超.机械原理MATLAB辅助分析[M].北京：化学工业出版社，2010（12）.

[7] 宋小芬.高等院校学生评教方式的利弊及优化路径[J].大学教育，2012（2）：61.

[8] 胡娟，贺俊林，冯晚平.机械原理教学方法和手段的改革[J].陕西农业大学学报，2006（5）：30-31.

[9] 李宏，张全明，王成志，等.机械原理课程多元化综合考试方法初探[J].集美大学学报，2007（1）：86-88.

流体机械原理教学方法的探索与实践 篇4

关键词：流体机械原理,教学方法,课程

流体机械原理是流体机械及工程本科专业一门非常重要的专业基础课。其主要是一门系统介绍泵, 水轮机, 风机和压缩机等流体机械基本原理的课程, 本专业的学生对这门课程的掌握直接影响对后续课程比如“叶片泵原理及水力设计”, “容积泵”等课程的学习。我校流体机械及工程学科是全国重点学科, 多年来, 我们一直致力于对流体机械原理进行一些教学改革, 尽量让本专业的学生掌握好这门基础课, 实践表明, 教学改革取得了较好的效果, 现在“流体机械原理”教学方法的一些探索介绍如下:

1 采用多媒体教学, 改变传统的教学模式

从以往流体机械原理教学情况反馈看, 绝大部分学生认为本课程枯燥, 抽象, 难懂。调查显示, 学生对一门课程的第一印象很重要。以往在教学中绪论都是是一笔带过, 这种方式不太妥当。重视绪论的讲解, 运用图片、动画、视频等手段, 结合生产实习中学生接触到的知识, 吸引住学生, 留下较好的第一印象, 让学生对这门课产生兴趣。因此, 我们对教学方式和模式做了相应的改变。采用多媒体教学代替了传统的教学方法, 以前用的讲解流体机械内部结构的挂图被一幅幅立体图片代替, 使得学生对流体机械有了更深入的认识。随着计算流体力学软件 (CFD) 的发展, 通过CFD软件可以很容易的获得各种流体机械内部的流场分布。以往很难理解的流体在叶轮中的运动, 可以通过各种三维动画和数值模拟结果展示给学生, 这不仅有利于学生掌握好相关知识, 也增加了课堂的生动性。

2 实践教学注重学生观察能

力、分析能力和动手能力的培养, 注重理论与实践相结合的教学方法

本学科拥有小型水泵综合性能实验台、风机性能实验台和水泵性能闭式实验台 (图1) , 此外还有国际上最先进的三维立体粒子流速场仪 (图2) 、三维相位多普勒粒子动态分析仪 (PDA) 、高速动态分析仪等先进仪器设备。本课程充分利用这些资源, 设置了课前实验室.实验室在课堂教学开课前对学生开放, 由专职教师值班.在实验室里, 还摆放了典型结构的泵与风机的实物, 学生可以观察到泵和风机的结构, 还可以在老师的帮助演示部分泵和风机的工作过程, 通过PIV实验演示, 使学生初步了解了泵内部的流场分布。这样, 不仅加强学生对流体机械的认识, 提高学生的动手能力, 还能通过认识实习和生产实习, 加强学生对现场实际和设备实际运行情况的认识。

3 突破课本课堂的束缚, 把新的技术和研究成果带入课堂

随着水利工程、石化行业的高速发展, 对泵提出了较高的要求, 因此, 出现了大量新结构泵和采用新原理、新设计方法设计的泵。这些泵结构创新、原理创新和设计方法创新, 具有使用可靠、高效节能, 它们的性能及设计方法是在教材中无法完整的找到的。为了使流体机械专业的学生能更快、更好地适应社会, 将新的技术和研究成果带入课堂, 介绍给学生, 是非常必要的。例如图3所示的高压自平衡双壳体多级离心泵是目前除了核主泵之外技术含量最高的泵, 其先进性有:整台泵系统由主泵、电机、增速器和集中供油站系统组成, 附件有管路、检测传感器和显示仪表等;泵结构为卧式、双壳体、内壳体为水平中开自平衡多级离心泵, 在不移动管路情况下抽出内壳体进行维修, 中心线水平支撑;叶轮采用滑装, 并用卡环逐级轴向定位;各级叶轮采用对称布置, 各级叶轮所产生的轴向力相互抵消, 不需采用平衡盘结构, 就能实现泵腔内巨大的轴向推力达到自动平衡, 这避免了因平衡盘碰撞烧死而导致停机和断轴等严重事故, 大大提高了泵运行的可靠性, 大大减少了泄漏, 提高了泵的效率;泵体采用双蜗形流道, 叶轮旋转产生的大部分径向力能够平衡, 大大减轻了主轴两端的径向轴承的负荷, 延长轴承的使用寿命。由此可见, 仅仅从这样一个示例, 学生就可以了解到很多实用的但是课本中没有或者讲解不详细的知识。

4. 总结

近年来, 针对流体机械原理这门课程的特点, 通过在实际教学中不断地进行尝试和探索。以上几个方面是本人在教学中的体会和心得, 只要授课过程中能注重上述几个方面, 相信该课程的授课效果会有一定的提升。当然, 目前针对流体机械原理课程所进行的工作也只是初步的、尝试性的, 教学质量的大幅度提高不是一蹴而就的, 而是需要进行长期深入地努力才能实现。

参考文献

[1]吕祥翠, 张伟, 叶会华.流体机械课程改革的探索与实践[J].天津城市建设学院学报.2007;13 (2) :155-158

[2]李文科.流体力学与流体机械课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报:社会科学版.2006;23 (4) :113-114.

地下工程设计原理与方法考试资料 篇5

隧道：修筑在岩体、土体或水底，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道

导坑：在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道 洞门：在隧道端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构

垭口：线路跨越分水岭时，分水岭的山脊上的高程较低之处

越岭线：从一个水系过渡到另一个水系是跨越高程很大的铁路线路

河谷线：沿河傍山而行的铁路线路 隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间

隧道建筑限界：线路上各种建筑物和设备均不得侵入的外部的轮廓线

锚杆：插入到围岩岩体内利用机械的方法加固围岩的一种金属杆状构件

岩体：处于一定天然应力状态中的地质体 围岩：对隧道稳定性有影响的那一部分岩体 围岩压力：隧道开挖后围岩作用在支护结构上的压力 结构面：岩体中具有一定方向，力学强度相对较低的地质界面（原生，构造，次生）

蠕变：作用应力不变应变随时间的增长而增加 松弛：作用的应变不变应力随时间的增长而衰减 风化作用：地表岩体在大气温度水和生物的综合影响下，使岩石的物理性质或化学成分发生改变的地质作用 溶蚀：使岩体致密度降低并会破坏颗粒之间的胶结从而使岩石强度降低

流变性：与时间或温度有关的变形或破坏性质 初始应力：岩体在天然状态下所具有的内在应力 二次应力：坑道开挖后坑道周围一定范围内的岩体产生应力重分布的状态

三次应力：坑道支护后坑道周边的岩体的应力变化的状态 岩体的初始应力状态：由于岩体的自重和地质构造作用在隧道开挖前岩体中存在的应力状态

坑道的稳定性：隧道围岩在开挖过程中不设任何支护情况下所具有的稳定程度

塑性：围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质 塑性区半径：对于塑性围岩当围岩内应力超过围岩强度后，在坑道周边产生径向塑性位移形成塑性松动区的范围 塌落拱：将隧道开挖后所形成的相对稳定的拱称为 成拱作用：天然拱像一个承载环一样承受上覆范围地层的全部重量并向两侧传递下去称为围岩的弹性抗力：由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起围岩对支护结构的约束反力

变形协调条件：汇交于同一节点上各单元在此节点处所产生的端点位移与结构节点位移相等

静力平衡条件：在同一节点上作用的各单元节点力的总和应与该点荷载相平衡

收敛：围岩产生挤向隧道内的变形 约束：支护对围岩向坑道内变形的阻止 隧道勘测的一般规定

制定勘测计划，完备勘测资料，设计勘测和施工勘测，评价对环境造成的影响 隧道工程调查的内容

自然概况，工程地址特征，水文地质特征，不良地质地段，地震基本烈度等级，气象资料，施工条件 分析克服高程障碍三种方案的优缺点

绕行：施工容易工期短费用少；运程增加长期运营条件变差改造困难地质复杂施工困难。深堑：展线长度比绕行短；急弯陡坡多在山顶开挖工程量大不确定因素多。隧道：线路平顺缓直运营条件好运程缩短；工程量大工期长费用高 分析解决平面障碍两种方案的优缺点

沿河绕行：对地形条件要求高，线路增长，工程量大运营条件差，不良地质病害工程伴随出现；只在条件允许时使用。隧道穿直：初期工程量大；线路平直，工程单一，无急弯陡坡，运营条件好，不受山体塌方落石影响 曲线隧道设计应注意的问题

1尽可能采取较短或曲线半径较大的曲线，宜将曲线设置在隧道洞口附近2不宜将洞口落在缓和曲线上3隧道内曲线长度不应短于一节车厢长度4一座隧道内不设超过一个以上曲线5两条曲线间应有较长夹直线 隧道内坡道折减的原因及方法

1列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低2洞内空气阻力增大

曲线隧道净空加宽的原因和方法

1车辆通过曲线时转向架中心点沿线路运行车辆本身不能随线路弯曲仍保持其矩形形状2曲线外轨超高车辆向曲线内侧倾斜使车辆界限上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离 喷锚支护的特点

与围岩紧密贴合，支护及时，柔性好，同时封闭围岩壁面防止风化，并能封闭围岩的张性裂隙和节理，提高围岩的固有强度控制围岩的变形，能充分调动围岩本身的自稳能力。有效利用洞内净空，提高作业的安全性和作业效率，能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖，能用于整治塌方和隧道衬砌的裂损

复合式衬砌的支护机理

先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强硂凝固后形成薄层柔性支护结构，满足初期支护施作及时刚度小易变形的要求，与围岩紧密贴合从而保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整充分发挥围岩的自承作用。二次衬砌完成后，衬砌表面光滑平整可以防止外层风化装饰内壁增强安全感。既可以充分发挥喷锚支护的优点又能发挥二次衬砌永久支护的可靠作用。明洞的类型

拱形（路堑式、偏压直墙式、偏压斜墙式、半路堑单压式）棚洞（盖板式、刚架式、悬臂式）隧道门的类型

环框式、端墙式、翼墙式、柱式、台阶式、斜交式、耳墙式 洞门的类型

环框式、端墙式和柱式、翼墙式与耳墙式、其他形式(台阶式斜交式）、拱形、遮光棚式 隧道附属建筑物的类型

通风建筑物，安全避让设备、防排水设备、电力及通讯信号安放设备

喷射混凝土的喷射方式

1干喷（拌合料输送到喷嘴以前才与水汇合）2湿喷（拌合料先与水拌合再以浆液输送）机械通风的方式

1纵向式（洞口风道式、喷嘴式、竖井斜井式、射流式）2全横向式3半横向式

岩石在单轴和三轴压缩下的破坏形式

三轴低围压下（张破裂）中等围压下（剪破裂）高围压下（延性破坏）

抗拉强度、抗剪强度的测定方法

抗拉（直接拉伸法、棱柱体试件的弯曲、圆柱体的弯曲、圆盘弯曲、液压扩张试验、巴西试验）抗剪（直接剪切法、倾斜板间加压的单向剪切法）

典型的岩石的全应力-应变曲线分为哪四个阶段 压密阶段弹性阶段塑性阶段破坏阶段 无支护坑道丧失稳定的形式

1由于破碎岩体的自重超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部较少在侧壁处造成局部崩塌2围岩的应力重分布造成的应力集中区域内的岩体强度破坏而形成的崩塌3在塑性岩体中稳定性的丧失是由于塑性变形的结果 隧道围岩失稳破坏性态

1脆性断裂2块状运动3弯曲折断破坏4松动解脱5塑性变形和剪切破坏 围岩压力的类型

1松动压力2形变压力3膨胀压力4冲击压力 天然拱范围的大小与下列因素有关

1围岩的地质条件2支护结构架设时间3刚度以及它与围岩的接触状态4隧道的形状和尺寸5隧道的埋深6施工因素

隧道围岩分级的目的1作为选择施工方法的依据2进行科学管理及正确评价经济效益3确定结构上的荷载4给出衬砌结构的类型和尺寸5制定劳动定额、材料消耗标准基础等 隧道围岩分级的方法主要有哪些

1以岩石强度或物理指标为代表2以岩体构造岩性特征为代表3以地质勘探手段相联系4组合多种因素5以工程对象为代表

围岩分级的基本因素与影响因素

岩石的坚硬程度和岩体的完整程度，地下水和初始应力场 支护结构的作用

1与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载2保持隧道断面的使用净空3防止围岩质量的进一步恶化4提供空气流通的光滑表面 支护结构的基本要求

1必须与围岩大面积地牢固接触，保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作2重视早期支护的作用并使早期支护与永久支护相互配合协调一致的工作3允许隧道围岩能产生有限的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用使两者更协调的工作4必须保证支护结构的及时施作5要能根据隧道围岩的动态及时地进行调整和修改

支护结构的类型

1防护型2构造型3承载型 地下结构计算理论发展的七个阶段

刚性结构阶段、弹性结构阶段、假定抗力阶段、弹性地基梁阶段、连续介质阶段、数值方法阶段、极限和优化设计阶段

地下结构计算方法的分类

荷载结构法（弹性链杆法、假定抗力法、弹性地基梁法）地层结构法（剪切滑移法、特征曲线法、数值法）地下结构设计模型分类

经验类比模型、荷载结构模型、地层结构模型、监控设计模型

荷载结构模型的三种计算模式

1主动荷载模式2主动荷载加被动荷载模式3实际荷载模式

局部变形理论与共同变形理论

局部变形理论：认为地层表面某点上施加的外力只会引起该点产生沉陷（变形），外力与沉陷之间为线性关系。共同变形理论：认为地层表面某点上施加的外力不仅会引起该点产生沉 陷（变形），而且会引起附近的地层也产生沉陷变形，外力与沉陷之间为非线性关系 地层-结构模式的求解方法

数值法、剪切滑移破坏法、特征曲线法 确定Pmin的途径

1现场实测的塑性区半径r求（按重力平衡条件求）P2根据坑道周边的允许位移值求P3实地量测形变压力作为P4 根据围岩特征曲线求P监控设计法原理

通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息（数据），再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计参数和施工对策。施工前的预设计阶段和修正设计阶段

监控设计的主要环节及其包含的工作内容

现场监测:制定监测方案、确定测试内容、选择测试手段、实施监测计划；数据处理：原始数据的整理、明确数据处理的目的、选择处理方法、提出处理结果；信息反馈：反馈方法（理论反馈经验反馈）反馈作用（修正设计指导施工）

监控量测的项目及内容

肉眼观察、岩体力学参数测试、应力应变测试、压力测试、位移测试、温度测试、物理探测 监控量测的目的1提供监控设计的依据和信息（掌握围岩力学形态的变化和规律、掌握支护结构的工作状态）2指导施工，预报险情（做出工程预报，确定施工对策、监视险情，确保施工安全）3校核理论，完善工程类比方法（为理论解释，数据分析提供计算数据与对比指标、为工程类比提供参数指标）4为隧道工程设计与施工积累资料 反馈信息在设计与施工中的应用

1评价围岩的稳定性2评价围岩达到稳定的标准，确定最终支护时间及仰拱灌筑的时间3调整施工方法与支护时机4调整锚杆的支护系数5调整喷层厚度6调整变形余裕量，修改开挖断面尺寸 求解回归系数的方法

选点法、图解法、平均法、最小二乘法等 隧道预支护的概念、类型及其使用条件

引机械创新设计项目入机械原理教学 篇6

[关键词]实践创新;机械原理;教学方法

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0111-03

机械原理是一门介绍机械中常用机构和一般工作条件下常用参数范围内的通用零部件设计的基本知识、基本理论和基本方法的重要的专业基础课，是机械类及相关工程类专业的必修课程。在机械原理这门课程中，学生要掌握“三大机构”和“三大分析”。“三大分析”即机构结构分析、机构的运动学分析和机构的动力学分析的基本知识;“三大机构”即连杆机构、凸轮机构和齿轮机构的设计与综合。机械原理课程的培养目标是使学生具有创新机构运动方案的设计能力，即针对不同的设计任务，综合运用多学科的相关知识，提出多种机构运动方案，并进行综合评价确定最优方案。因此，它又是一门多学科、实践性很强的学科。[1]

一、机械原理教学中存在的问题

当今世界，科技发展日新月异，技术快速发展，而我们的教材一直是经典教材，课程的内容跟不上科学研究的发展，也跟不上技术的实际应用，甚至存在有些知识点是实际应用中多年弃之不用的技术等问题。结合这几年授课经验，笔者发现，机械原理教学中存在如下几点不足：

第一，缺少实践教学环节，缺少学生创造性思维能力和实际设计能力的培养。

第二，重理论知识系统性而轻工程应用背景的介绍。如连杆机构中转动副（铰链），学生从书本上见到的只是杆是直线和铰链是圆组成的机构运动简图，对于现实生活的机械产品难有较好的感性认识。特别是在大四做毕业设计结构设计的时候，构件与构件之间的实际的铰链的装配关系容易出错。

第三，缺少对机械设计新技术、新发展和新成果介绍，以及机构解析法设计的内容。

第四，与其他课程联系少，往往是就机构分析而机构分析，可通过设立综合性强的课题，将机械原理与工程力学、机械设计结合进行综合性设计，或结合设计比赛进行串接。

第五，在实践环节，每年都做同一个题目“减速器的课程设计”，只是每个学生的数据不同而已，没有体现“以学生为中心”的教育理念，使得该环节程序化，制约了学生的创新能力。

以上问题的存在，使得本来是创新性强、思维发散灵活、创作激情澎湃的机械原理教学，有可能变成理论实际脱节、教学过程枯燥、学习目标盲目、学习激情减退、教学质量下降的灌输式教学。[1]

二、要善于提出问题，引导学生主动思考

在教学过程中，需要将学生的地位至于教学的核心。让学生参与到教学活动里，在进行教学之前可以设置多重问题，让学生在问题的引导下层层深入，自主进行深入学习，提高学习的兴趣和效率。

机构自由度计算是机械原理教学中的重点内容之一，教师要做到深入浅出地讲授构件和运动副产生约束作用，由此自然给出平面机构自由度计算公式。不仅加入了理论知识，还使用一些简短视频和动态图，让学生了解各个运动副之间的关系，便于理解和识别复合铰链、虚约束等特殊情况。增加一些趣味性和实际生活中常见并且熟悉的机构进行分析，或者对看起来复杂的机构进行简化。引领学生在计算自由度的时候建立对机械原理的最初理解以及兴趣。鼓励学生将学到的机构进行应用。建立简化机构和对机构原动件到从动件进行顺序分析的解题思路。提出机构，让学生自由分析和进行计算，再进行讲解。培养学生分析和解决问题的能力。

齿轮机构在各种机器中应用广泛，在讲授这部分知识时，利用在实验室不同类型齿轮机构的模型和视频、联系实际进行理论知识的讲解，可以加强学生知识的理解。首先要建立对一般齿轮类型的认知。了解齿轮传动在实际应用中的重要性，再提取最普通的直齿圆柱齿轮进行分析。可以让学生自己探索分度圆，齿根圆，模数等的意义。通过对齿廓的研究了解渐开线各个参数的意义，了解为什么渐开线是最常用的齿廓，从而了解渐开线的优点。再通过实际啮合状态，提出啮合相关的问题，包括啮合规律、传动比、重合度等疑问。在研究斜齿轮、蜗轮蜗杆传动时，让学生类比齿轮的公式，进行公式的推断，从而了解其与渐开线直齿圆柱齿轮的异同。通过让学生研究对不同齿轮加工方法的异同，了解齿轮的加工过程。按照从实际到理论，从设计到制造的顺序，提出不同阶段的问题，引领学生建立系统的齿轮方面的知识。了解不同阶段不同的公式以及公式的来源。[2]

三、注重实践创新

我校教师带领学生连续参加第四、五、六、七届全国大学生机械创新设计大赛（慧鱼组）。2014年我校学子一举斩获一等奖，不仅取得了我校在此项赛事中的最好成绩，还实现了我校在该赛事一等奖奖项的零的突破，为学校赢得了荣誉。还带领学生参加了江苏省第五届机械创新设计大赛暨第六届全国大学生机械创新设计大赛获省二等奖，不仅要求学生设计出作品，并且要做出实物，进行现场模拟。据悉，全省独立学院获得的最高奖项为二等奖，且只有三项，我校即占其中之一。今年我们争取再接再厉取得好名次。

第七届（2016年）全国大学生机械创新设计大赛的主题为“服务社会——高效、便利、个性化”;内容为“钱币的分类、清点、整理机械装置;不同材质、形状和尺寸商品的包装机械装置;商品载运及助力机械装置”。我们选择关于钱币的分类、清点、整理机械装置的设计。

在当今的社会生活中，人们越发注重绿色出行，因此公交车出行越来越成为人们优先选择的公共交通设备。然而，现如今公交车上钱币分类主要依靠人工或者简易的投币装置，这样的方式成本高并且效率低下。这都预示着新型的多功能投币机械将会被人们广泛使用，其需求量将会越来越大。作品一设计的是新型公交车投币箱。利用简单的滑道及杠杆机构进行纸币及硬币的分离，再以简单的滑道机置对不同面值的硬币进行分类，如图1所示。由两个滑道构成主要结构，上面一个滑道两点固定，主要是给硬币和纸币一个下落的初速度，下面的滑道是一个杠杆结构，硬币的质量完全可以压下杠杆落入硬币箱，人们把硬币从投币口投入，经过一系列物理反应，达到分离的目的。此结构简单，不需要能源输入，只需要小小的改动就能更便利。主要创新点：1.没有科幻元素，处处体现实用化。简单的机械结构容易制造，并且出现故障容易修理。2.无须通电和供能，因此投币机十分安全并且节能、受到的使用限制也会大大缩小。3.设计制造成本低，可批量生产，便于推广。此设计不仅功能齐全、可靠性高，并且机械装置简单，大大降低了公交公司的生产成本，价格的低廉也将会赢得广泛的客户群。由于成本低，可以批量生产，具有广泛的市场性和实用性。

作品二是根据公交车上的投币特点（需要人们一个一个投）设计了该产品，如图2所示。我们根据硬币的直径不同，给它们在轨道上安排了不同的出币口，使得不同面额的硬币进入不同的空间内。由于目前我国新版人民币有三种圆形硬币，其直径依次为：一元硬币25mm、5角硬币22.5mm、1角硬币20.5mm。所以我们将第一个出口处的挡板与轨道的间距设置为21mm（先将一角钱分出），将第二个出口处的间距设置为23mm（再将五角钱分离），最后的出口的间距设置为26mm。这样，不同的硬币就会不同的出口处落出，原理如图3所示。我们在每一个出币口搭建了一个容器，使它的开口直径不超过它所盛装的硬币的直径（装一元的容器直径为40mm，五角的为40mm，一角的为30mm）的两倍;我们又测量出每一种硬币的厚度（一元为1.85mm，五角为1.65mm，一角为1.67mm），然后根据计算，在容器外表面标出刻度（不同的高度对应不同的数量，如：在一元容器外，每隔18.5mm，画一刻度线，标出数字十;在五角容器外，每隔16.5mm，画一刻度线，标出数字十;在一角容器外，每隔16.7mm，画一刻度线，标出数字十）。主要创新点： 1.可进行硬币的分类。2.可计数根据测量硬币堆积的厚度，从而计算出硬币的数量。3.将轨道分段衔接。4.原理简单，结构简单。5.系统还具备升级和扩展的潜能。本作品结构简单，可后续添加其他功能，较好地满足了硬币发展的需求。

作品制作历时四个月，经过多次改造。从刚开始产品设计的构思到最后整个作品的制作完成都充分发挥了学生的创新意识，培养了学生综合设计能力与团队协作能力，提高了学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践能力。[3]

四、总结

通过这次研究课题的实践，不仅让学生学到了许多了专业知识，而且培养了其解决问题的能力。其次，团队管理也是很重要的，一个团队核心就是通过合作去开展工作，这样才能发挥最大的效益。合作就需要良好的管理，对于不同的问题需要设立讨论小组，对问题进行研究，集众人之力去解决问题。最后笔者认为，本次研究关键就是不断反思问题，从反思中取得突破。研究是个连续的过程，在每个阶段发现问题才能确定接下来工作的方向，这样不断进行反思总结，才能取得突破，取得最后的胜利。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 孙亮波.在机械原理教学中引入机械创新设计项目的研究与实践[J].机械，2010（12）：21-23，33.

[2] 殷勇辉，高志，章兰珠.提高机械原理课程教学质量的思考与实践[J].中国大学教学，2014（6）：57-59.

[3] 张跃，李雪滢等.浅谈大学生实践创新项目对机械类应用型创新人才培养的促进——以南京理工大学泰州科技学院为例[J].大学教育，2015（8）：168-169.

[4] 黄晨华，蔡小梦，毛桂生.提高机械原理教学质量的方法探讨[J].大学教育，2012（11）：92.

机械设计节能基本原理与应用研究 篇7

1 机械设计节能基本原理

一般来说, 在研究机械设计节能基本原理的过程中, 一定要遵守能量守恒定律, 以此为基础, 来进行机械设计节能方法的研究与应用。

1.1 基于势能的机械设计节能方法

利用机械设计的能量守恒定律来研究基于势能的机械设计节能方法。据此定律, 我们可以知道系统势能会对有势力消耗的功率大小造成不同程度的影响。在此过程中会产生不同的变化, 如下:当机械设备在工作过程中, 其中的势能会由于受到设备运行的影响, 从而使其势能受到不同程度的影响而发生变化。而当这种变化的势能停顿的时间过于短暂, 就会使得这部分势能不能及时转化成可以进行利用的势能, 从而导致大量的能源遭到消耗。由此我们也可以知道, 这种现象是十分不利于资源能源的节约的。所以, 为了避免此种现象的出现或者是将这种现象出现时的能源消耗降到最低, 应该采取必要的措施来进行解决。即当机械设备在开始工作时, 需要将势能变化的范围控制到最小, 从而实现机械设计节能的目的。

1.2 基于动能的机械设计节能方法

在机械设备的运作过程中, 机械动能发挥了巨大的作用。具体来说就是机械设备通过消耗能源将其转化成必要的势能, 从而机械利用势能来保证自身的运行与工作。虽然利用能量守恒定律基本原理, 我们可以对动能进行必要的控制, 但是由于机械本身结构十分地复杂难懂, 所以操作起来十分的困难。而且影响动能能量变化因素是多种多样的, 每一种因素都有可能对动能产生或较大的影响, 从而影响机械设备的正常运行。

基于以上问题的出现, 为了降低资源能源的消耗力度, 实现节能的要求, 以促进社会的可持续发展进步。所以, 当机械设备在工作过程中, 要尽量减少机械在运行过程中零件之间产生的摩擦力, 这样就可以最大程度地将资源能源转化成我们实际生活中所需要的有效动能。一般来说, 工作人员以及技术人员可以采取的措施包括: (1) 将零件之间的装配在进行核对与检验, 进一步增强其精准度与精配度。 (2) 采用先进的机械装配材料, 利用先进的材料的良好的性能, 将消耗资源与能源的数量降到最低。 (3) 就是我们日常生活中比较常用的一种简便方法, 即减少机械设备的启停程序以及次数即可。

1.3 降低其他的消耗功率

在机械设备运行过程中, 由于各种因素的影响, 总会产生各种无用功的出现, 所以说如果能采取必要的措施来减少这些无用功功率的出现, 就可以最大程度地达到节能的目的。机械设备运行过程中产生两种无用功是我们日常生活着比较常见的现象。第一, 是机械设备工作时, 各种零部件与各种物体之间都会产生大量的热量, 也就是设备所作出的无用功。第二, 由于材料本身质量的原因或者机械本身做功的原因, 都会使一些个别材料产生变形, 从而造成了大量功率的损耗。所以, 对于机械设计的节能需要充分考虑材料的性能、设备运行产生的热量以及功率损耗等问题, 要积极地采取有效的进行解决, 达到节能的目的。

2 机械设计节能基本原理的应用

在我们日常生活中, 我们经常可以看见机械设计节能基本原理的应用, 但是当前社会机械设计节能基本原理应用最为广泛的还是在汽车上的应用。而每一种汽车之间由于性能等不同因素的影响, 使不同汽车的能耗消耗大小也存在极大的差别。一般来说性能越优异的汽车它的能源消耗就越大。当然, 机械设计节能的基本原理不仅被应用到汽车行业中, 而且被广泛地应用到升降机等各种大型设备中, 并且对人们现实的生活起到了重要的指导作用。

与此同时, 我们还应该知道的是, 虽然机械设计节能基本原理被广泛应用到社会生活的实践中。可是我们获悉要想促进机械设计节能质量的提高, 就要在技术发展上面下足功夫, 若技术水平不能达到预期要求, 那么任何的技术使用对其发展而言就将无存在意义, 故此能会洗技术水平是促进其发展必不可少的关键因素。但是机械设计相关工作人员以及技术人员更不能被科学技术所束缚住, 也就是不能被先进的技术捆绑住手脚。机械设计节能需要进行大胆的创新与尝试, 既要引入先进的技术, 还需要立足根本, 以我为主, 为我所用。

3 结语

在社会资源能源紧缺的时代大背景下, 节能已经成为促进社会经济可持续发展的重要课题。因此, 机械设计的相关人员需要以机械设计节能基本原理为标准, 设计过程中仅仅围绕能量守恒定律, 从而利用科学的方法来达到节能的目的, 进一步促进社会经济的发展进步。

摘要：随着节能减排在我国经济发展中占据着越来越重要的位置, 人们对于机械设计节能的研究也提上了日程。本文主要通过了三种方法对机械设计节能基本原理以及其基本原理的应用进行了简要的分析, 以促进节能型社会经济的发展进步。

关键词：机械,设计节能,基本原理,应用研究

参考文献

[1]车胜创.机械设计节能基本原理的分析与应用[J].长安大学学报 (自然科学版) .2011 (03) :95-101.

[2]徐伟.机械设计节能基本原理的分析与应用[J].南方农机.2016 (07) :85+87.

[3]范敬伟.机械设计节能基本原理及其应用的相关研究[J].山东工业技术.2015 (06) :10.

机械原理虚拟实验系统的设计与实现 篇8

机械原理课程是机械工程专业的一门理论性和实践性都很强的主干专业基础课程,其实验教学是学生理论联系实际的一个重要实践环节。目前,高校机械原理真实实验项目主要存在实验设备费用较高、管理维护费时费力和共享性较差等缺点。

为推进东华理工大学机械工程实践教学信息化的建设[1],并针对本校机械工程专业多层次和两地办学中机械原理实验教学工作凸显的设备耗资较高、管理维护费时费力、设备共享性差等问题,进行了基于本校现实情况的机械原理虚拟实验系统的建设。

1 机械原理虚拟实验系统的设计

本项研究的目标是构建一个具备多功能的、能够切实有效完成机械原理实验的软件系统。目前大部分高校开设的机械原理实验项目有平面机构运动简图测绘实验、渐开线齿廓范成加工原理实验、渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测定实验和机构创新组合设计实验[2]。本虚拟实验系统以上述4个实验项目为主要内容,并设计相应的辅助功能模块,构建机械原理实验系统的框架,如图1所示。

(1)系统管理模块。利用VB编程技术建立实验系统的注册和登录功能,实现实验系统的账号管理功能。

(2)实验简介模块。通过机械原理虚拟实验简介,学生可以快速了解本虚拟实验系统。通过真实实验简介,学生可以了解真实实验情况,并有助于提高虚拟实验的实践效果。

(3)虚拟实验项目模块。本模块是实验系统的核心。通过选择不同的实验项目名称,系统自动弹出选择的子实验主界面。

(4)辅助功能模块。该模块包括五项辅助功能,其主要作用是:指导学生如何在实验系统完成实验、提供了实验报告递交方式、方便调用计算机截图和计算器工具、提供了实验的交流反馈平台、帮助用户解决系统使用问题。

2 机械原理虚拟实验系统开发流程

本实验系统开发的主要内容有:①实验系统主界面;②机构运动简图画板;③范成加工动作的仿真;④虚拟交互动作的实现;⑤子实验模块的整合。其中②、③、④项为本实验系统开发的主要难点内容,下面对这3项的实现作简要说明。

2.1 机构运动简图画板的开发

根据平面机构运动简图绘制的步骤,机构运动简图画板应具有绘制直线、圆、矩形、任意曲线、擦除、标注文字、线型选择、粗细选择、颜色选择等绘图功能。利用VB中绘图代码和函数均能实现以上功能。为了更方便地绘制运动简图,电子画板应设计为网格画板。

2.2 范成加工动作的仿真

根据渐开线齿廓范成原理,范成加工过程可以简化为齿条和被加工齿轮按给定传动比啮合的过程。在此过程中,齿条沿齿坯分度圆作纯滚动,齿条齿廓在齿坯中留下的轨迹包络线就是被加工齿轮的齿廓。因此,首先应利用VB编程绘制齿轮毛坯和齿条;其次,计算出齿条沿齿坯做一定纯滚动后齿廓关键点的坐标函数表达式;最后,利用循环语句,不断重复,直至齿坯齿条相对转动360°[3]。

2.3 虚拟交互动作的实现

目前常用的虚拟现实软件有Unity3D、EON Studio、Quest3D、Virtools、Cult3D、Web3D、VR-Platform等[4]。本系统中3项子实验系统需要虚拟交互,其中渐开线齿轮参数测定实验有高的图像质量、较复杂的交互操作和能VB中发布等要求,根据Cult3D的特点[5],本实验系统的虚拟交互设计开发选用Cult3D Designer来完成。

首先,利用机械行业中Pro/E或SolidWorks等三维CAD软件来完成机构、齿轮、卡尺、构件等实验设备的建模和装配[6];其次,利用3D Max和Maya能将*.wrl文件和*.iges文件转换成*.c3d文件;第三,根据实验操作动作,利用Cult3D进行交互动作事件的设计;最后导出相应的*.co格式文件,并发布在由VB构建的项目中。机械原理虚拟实验系统具体的开发流程如图2所示。

3 机械原理实验系统中关键技术的实现

3.1 平面机构运动简图测绘虚拟实验

本子实验目的是让学生熟悉常见平面机构并掌握机构运动简图的绘制。首先,利用Pro/E建立常见的平面机构三维模型,并标记各构件的长度,然后进行运动仿真,输出动画文件;其次,将模型经3D Max 8转换成*.c3d文件格式,再导入Cult3D进行机构旋转、拆装等交互事件的设计,然后通过Cult3D插件发布在用VB开发的系统中。在子实验界面中“机构展示”的作用是让学生了解机构的运动情况;在“机构结构分析”中,学生可以旋转、移动、缩放以及拆装机构,通过这些交互动作模拟真实实验中进行机构结构分析的过程。

为了方便学生实验,系统利用VB编写了机构运动简图画板[7]。其中在画板制定位置输入文字的关键代码如下:

利用画板绘制简图的实验效果如图3所示。

3.2 渐开线齿廓范成加工原理虚拟实验

依据齿廓范成加工原理,首先根据输入参数(包括模数m、齿数Z、压力角、变位系数x等)利用VB编写绘制齿坯的关键几何形状[8]。其关键代码如下:

其次,根据齿条作纯滚动的过程计算出齿条齿廓关键点的坐标表达式,通过循环语句,实现齿条范成加工齿轮的仿真。其关键代码如下:

最后,完善实验界面输入参数和输出参数及操作按钮的开发。m=4 mm、Z=20和x=0的齿廓范成加工仿真如图4所示。

3.3 渐开线直齿圆柱齿轮参数测定虚拟实验

本子实验的测量包含公法线长度测量、齿顶圆和齿根圆直径测量以及弦齿厚测量。因这3项测量交互设计大同小异,本文只对弦齿厚测定的交互动作设计进行说明。

弦齿厚测量动作可分解为齿轮的转动、齿轮的平动、齿高分尺的移动、齿厚分尺的移动、整体放大、整体平动以及整体转动。具体设计如下:首先,通过“WorldStart_1”建立起虚拟世界;其次,通过“鼠标-控制球”交互动作中三键分别实现齿厚、齿高分尺移动和齿轮平动;第三,通过按键“KeyPress_1”事件和“对象运动”交互动作实现齿轮的旋转;第四,通过不同按键“KeyPress_x”事件和“对象运动”交互动作控制整体的放大、缩小、平移、旋转以及复位动作;最后,利用演示窗口检验交互设计是否符合实验要求。

交互事件规划设计后需要将其发布为*.co文件。通常认为*.co文件可以在IE浏览器、Office软件、Acrobat、Authorware以及Realplayer中发布。经实验,在VB 6.0的部件中加载Cult 3Dplayer 1.1Type Library控件后,*.co文件能在VB工程里面展示。利用VB加载第三方文件的方法完成*.co文件在VB的发布后,弦齿厚测量操作的效果如图5所示。

3.4机构创新组合设计虚拟实验

机构创新组合设计的原理是基于已有的构件,通过创新组合设计方法设计出机构方案,然后在实验平台上搭建出创新机构。本子虚拟实验为学生提供构件库,学生通过虚拟实验系统构件展示窗口先熟悉已有构件,基于已有构件进行机构创新组合设计。根据组合机构方案选择好所需构件,最后学生通过调用Pro/E软件进行创新组合机构的装配和运动分析。其中调用Pro/E程序代码如下:

机构创新组合设计虚拟实验主界面见图6。

4总结

本虚拟实验系统利用Cult 3DDesigner和VB 6.0等进行了功能模块、范成仿真、参数输入、参数计算和绘制画板的开发和虚拟交互操作的设计,再利用*.co格式文件在VB工程中的发布技术完成了机械原理虚拟实验系统的开发。本系统具有可更新扩展、实验项目丰富、具有数据记录计算模块以及便于反馈交流等优点。随着信息化技术发展,虚拟实验室将在实验教学中占据越来越重要的地位,也将是实践教学改革的重要方向。

参考文献

[1]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[2]金增平.机械基础实验[M].第2版.北京:化学工业出版社,2013.

[3]林福,谢源,孔艳艳.基于VB的齿轮范成过程的动态仿真[J].闽西职业技术学院学报,2012,14(1):100-104.

[4]朱喜青.基于EON的机械基础虚拟实验室研究与实现[D].广州:华南理工大学,2012:1-20.

[5]苏威洲.实现网络三维互动-Cult3应用指南[M].北京:清华大学出版社,2001.

[6]钟日铭.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0从入门到精通[M].第2版.北京:机械工业出版社,2010.

[7]杨忠宝,康顺哲.VB语言程序设计教程[M].北京:人民邮电出版社,2015.

机械设计原理与方法 篇9

关键词：机械设计,节能原理,实际应用

1 机械设计概述

所谓的机械设计就是对所有部件和整体的配合进行设计的过程, 整个过程都要遵循机械应用的原则, 大到整个机械设备的配合及运行, 小到每个工作零件的选材、大小及润滑等, 都要你按照其运行的基本原理进行构思设计。对不同用途的机械, 要利用不同的原理进行相应功能的设计。

2 现代的机械生产模式

(1) 能适应市场批量生产的要求。现在的市场对机械产品的需求量很大, 相应的生产周期也在不断减小。这对传统生产模式是一种挑战, 因此, 机械生产的方式以及观念都发生了很大变化。目前, 生产企业都使用了自动化控制技术, 再加上多媒体技术的辅助, 为企业带来了极大的益处。 (2) 引进全新的技术, 完善现在的生产模式。目前, 单一的生产技术已跟不上市场的脚步, 必须要将多个领域的技术综合起来, 以很好地适应社会。在机械制造行业, 传统模式以人工操作的方式为主, 这样不仅生产速度慢, 而且容易出现差错, 导致产品质量较差, 此外, 对能源的浪费也很严重。

当下的生产模式中, 加工车间的安全也是一个重要问题, 工人一旦操作失误, 不仅会危及人身安全, 而且会影响产品质量, 导致整个生产过程面临误工, 耽误整体产品的生产效率。

3 机械设计的节能基本原理

所谓机械设计节能的基本原理就是对设备的动能输出以及势能和其消耗的无用功进行整理, 并进行函数分析, 总结出该如何进行设备的节能设计。

(1) 动能方面的节能分析。在传统设计中, 工程师一般都考虑动能变化对输出功率的影响, 调节改善设备的波动、使用周期及加工精度, 很少改善其给系统带来的影响。因此, 笔者主要在这一点上进行研究改善。传统机械设备的动能并没有完全开发出来, 这主要是因为在加工过程中, 动能没有及时进行回收并转化。本着节能原则, 调节系统的动能变化范围, 尽可能地缩小范围。

(2) 在输出力方面的节能分析。不同工作要求的机械设备在工作过程中的输出力是不同的, 即使是相同的机械设备在不同过程要求下输出的力也不完全相同。因此, 要在节能方面进行改善。

导致机械设备在工作过程中输出力偏高的因素主要是在很短时间内, 力的变化波动比较大, 在函数中表现为周期函数。只要把输出力的波动变化范围缩小, 变化越小, 节能的效果也就越好。

(3) 降低无用功, 节省能源。无论何种机械设备, 都不可避免地会有摩擦以及其他阻力, 这些阻力都或多或少地产生无用功。这些都和设备在设计过程中采用的零件精度以及润滑方式有很大关系。这些无用功都对设备的使用效率产生极大阻碍。因此, 在设计时, 要充分考虑节能因素, 最大限度地减小无用功, 提升设备的使用率。

(4) 节能原理的分析总结。节能的方法主要就是在动能、输出力以及减小无用功等方面对设备进行改进。简单地说, 就是工程师在设计的过程中, 把系统的一些参数变化维持在一个尽可能小的范围内, 就可以极大地节省能源。但这点实现起来极为不易, 是所有工程师长期奋战的目标。

4 机械设计节能原理的实际应用

由于机械设计节能的基本原理主要涉及质点以及动能定理, 因此, 由质点组成的对象都可以利用, 其适用范围宽泛。

4.1 该节能原理在升降机械力的应用

升降机械在实际工作中消耗的功率较大, 产生的无用功也较大, 因此, 要在节能方面进行改善。改进前, 要先研究消耗的原因, 大部分功率的消耗都发生在设备提升以及下放物体的过程中。一般来说, 在设计升降机械前, 一定要标准化, 结合电梯的设计原理, 加入机械设计的节能原理。在升降机械设计中的应用升降机械与其他机械相比, 消耗功率的主要特征是货物和人的重量 (有势力) 在提升或下降的匀速运动过程中均要消耗功率。工程实践证明, 以相同的速度提升质量相等的重物, 按照电梯标准计算设计的曳引驱动机构所消耗的功率比传统卷扬驱动机构要小得多。若按“系统势能为常量或在最小范围内变化”设计升降机械或电梯, 可得平衡升降机和平衡电梯设计方案。在平衡升降机中, 若用Q (t) 表示提升物体的质量, 用P表示自重不变的配重, 用r1表示升降货物卷筒的半径, r2表示升降配重卷筒的半径, 若要平衡升降机的系统势能为常量, 则必须满足式Q (t) r1=Pr2 (公式1) , 虽然Q (t) 为变量, 但可采用自动变速机构改变传动比, 可实现系统势能为常量。在平衡电梯中, 若用Q (t) 表示轿厢和水箱自重以及随人数变化载质量, P (t) 表示配重和水箱自重 (变量) , 曳引轮与导向轮半径相等用r表示。平衡电梯在工作时, 当进入轿厢人的质量为q1, 轿厢下水箱里将有p1重的水进入配重下水箱。电梯空载时, Q (t) =QP (t) =P, 电梯工作时Q (t) =Q+q1-p1, P (t) =P+p1, 将其代入式 (公式1) , 则可求得轿厢下水箱里水进入配重下水箱的质量。

可以看出由轿厢水箱进入配重水箱水的质量只是人质量的1/2。现对卷扬驱动机构、曳引驱动机构和平衡升降机或平衡电梯所需要的电机功率进行对比, 可以看出平衡升降机或平衡电梯显然要比曳引驱动机构要小。同时还可以发现, 卷扬驱动机构系统势能在最大范围内变化, 曳引驱动机构系统势能在较小范围内变化, 平衡升降机或平衡电梯的系统势能为常量或在最小范围变化。由此可知, 当系统势能为常量时, 该机构节能效果最为明显。

4.2 在加工型设备中的应用

加工型机械设备在实际生活中较为常见, 其在加工过程中消耗的能源也最大, 因此, 该类设备的节能尤其重要。以牛头刨床为例, 该设备主要由一个质量很大的主轴来操作其稳定运行, 要想实现节能, 就要降低输入的功率, 结合机械原理, 再增添一个该装置, 设备的功率变为原先的2倍, 以提升功率, 节省能源。

4.3 该节能原理在大压路机上的应用

大型压路机的轮子表面并没有严格按照周期函数来表现, 其变化范围较大。这在无形中阻碍了节能设计。因此, 要想真正实现节能, 就要把冲击轮的势能在重心处于最低处时的变化缩小在一个最小区间, 区间越小, 节能效果越好。

5 结语

机械设计原理与方法 篇10

关键词：产品设计,以人为本,技术层面,情感层面

1 设计原理

“以人为本”应该是设计者始终坚持不变的设计原理。产品设计的最终目的是人而不是其他的什么东西，它是为了满足人的生理和心理需求的一种创造性活动[1]。近年来的设计往往是为了所谓的“设计”而设计，或是为了美观牺牲了功能性，都在一定程度上忽视了人作为产品设计的最终使用者、体验者的权利。

2 设计方法

2.1 技术层面

技术层面的设计创新始终是不变的设计方法之一。人们对于产品功能性的追求，不断促使技术的进步、人类社会的发展。使用价值作为产品设计的底线，始终在被优化调整、改进。通信系统体积越来越精、小，功能越来越多，性能越来越强;新材料、色彩肌理的发掘应用，让人们体验了一次又一次视觉上的奇幻旅程[2,3]。

然而，并不能只是凭借升级使用工具来满足人的需要，而是应该通过工具的设计，使人沿着合理、正确的生存发展方向发展，而不是日渐走向“生理、心理退化”。

2.2 情感层面

关于产品设计创新的另一个层面就是情感的表达，人与物在心理上、情感上的交流;或是人通过物得到的人与人心理上的沟通;人通过产品来彰显自己的态度与价值，属于精神层面的创新。信息社会中，选择产品的一个重要标准就是看它是否能够满足人们高情感的需要。高情感的需求主要包括：优质、良性生活指标的体现，生活态度的展现。人们享受着各种高科技工具带来便捷、惊奇刺激的同时，又在机器泛滥的冷漠环境下将要窒息，日渐呈现出一种对情感性满足的极度渴望。“我们的社会里高技术越多，我们就越希望创造高情感的环境，用技术的软性一面来平衡硬性的一面[4]。”

产品设计的创新应紧紧围绕这两个方法的并行，如同车的轮子，缺一不可。

3 结合设计原理与方法来分析改良

现实生活中往往存在一些麻烦，如果用设计的眼光来观察并用设计的方法来解决，有时候甚至只需要稍稍一点改动，这些改动可以是技术上的小修整，也可以是情感上的二次表达，就可以达到意想不到的效果。

3.1 U盘的再设计

目前的U盘存在的问题：目前市场上的U盘都是必须连接电子设备后，才能显示总容量和所剩容量，而不能直接以盘本身的形式来显示。

能不能利用设计原理与方法使U盘不必连接电子设备，目测就可以预知容量大小呢?这就需要对其进行二次设计。U盘的再设计既要做到满足人的基本使用需要，又要保证人们在使用时感到一种不同于以往的趣味化，将简单的拷贝过程变得更有新意。

这里可以通过女性常用的化妆品外观来达到最终目的。一个乍看好似化妆品的U盘，用瓶身的体积来表现数据的多少：当输出数据时，瓶身逐渐呈挤压状，表示数据外流输出;瓶身逐渐圆润时，则数据输入。在保证了直观观察所剩空间大小的同时，又使得人与物情感上的交流性得到体现。U盘设计见图1。

3.2 吸管的再设计

吸管的再设计存在的问题：人们在饮用休闲饮料的时候，便利店往往提供的是尖头塑料吸管，因为这样比较方便扎开。同时，问题也产生了，吸管尖端以下的饮料果肉部分完全喝不到，人们就会用力吸，发出啧啧的声音。如果是在公共场合，也是一种不礼貌的行为。

如何让人们在保持良好形象的同时又能轻松地吃到果肉呢?解决办法为把吸管底端剪掉一部分，但仍保留一个尖角，便于扎开的同时，又可以保证下面的果肉部分全部喝光，连啧啧的声音也没有了。吸管设计见图2。

3.3 纸巾盒的再设计

流行像一阵风，连纸巾盒也免不了俗。现在市面上的纸巾盒真可谓是花样百出，如何将现有的纸巾盒做得更出彩、更与众不同是设计者面临的问题。

纸巾盒再设计的创新点：将普通的纸巾盒加入环保题材。纸巾盒表面仿制树木纹理，采用柔软的硅胶材质，随着纸巾的抽取，纸巾盒逐渐变小。人们使用纸巾的过程就仿佛一棵生长百年的树在你的手下毁灭的过程，唤起人们节约用纸、注重环保的意识。

设计者在产品设计中要本着“以人为本”这一设计理念，不断实现技术层面的创新、情感层面的突破来达到更高的生活水平。产品设计凭借这些方面的创新对于国家工业化发展的进程、大众生活品质的体现、人类情感性的表达都有重要的意义[5,6]。设计者应充分重视产品设计创新在当今社会被从新赋予的定义，努力做到为人类更好、更优地发展。

参考文献

[1]约翰.奈斯比特.大趋势——改变我们生活的十个方向[M].北京:中国社会科学出版社,1984.

[2]杨晓蕾,易晓.从设计教育看中国产品设计的创新实力[J].科技创新导报,2011(9):148-149.

[3]金璐.中国传统日用器物与产品设计创新[J].神州,2012(28):249.

[4]杨砾,徐立.人类理性与设计科学[M].沈阳:辽宁人民出版社,1988.

[5]洪燕云.新产品设计创新思维与技法的应用[J].中国重型装备,2000(3):15-18.