基于现代设计方法的研究生科研能力培养实践运用

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[ 摘 要 ] 以厦门理工学院研究生学位课程《车辆现代设计方法》为例，探讨专业型硕士研究生的科研能力培养模式，针对不同专业的硕士生，选择适合各自研究方向的车辆现代先进设计方法，达到快速有效精确地设计车辆零部件、各总成和整车，预测分析车辆性能的能力目标。汇总多种车辆现代设计方法，以归纳总结案例教学模式为主体，采用有效的教学方法和教学手段，提高研究生独立分析问题和解决问题的科研能力，使其尽快进入所学专业研究方向的科研状态，达到案例分析—课题研究一体化目的，为其后续顺利进入课题研究奠定良好的基础。

[ 关键词 ] 现代设计方法;专业硕士研究生;案例教学;案例课题一体化

[ 中图分类号 ] G643.2 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1005-4634（2018）03-0065-05 0 引言

厦门理工学院（以下简称学院）研究生院招收專业型硕士研究生已有6届 ，招生人数逐年增加，所招收专业以车辆工程和电气工程为主，而研究的课题则因学生选择导师不同而有明显的差异。来自不同大学的学生，其本科阶段的专业背景也有所不同，主要是以车辆工程专业、机械制造专业、汽车服务工程、汽车运用工程、电气工程、自动化专业、材料科学与工程等专业为主。《车辆现代设计方法》课程（以下简称课程）是学院车辆工程专业硕士研究生培养方案的专业学位课。首届研究生授课时，并没有合适的教材，而是选用机械类现代设计方法课程教材为试用教材，利用网上资料和笔者课题组多年的研究成果，归纳总结不同的车辆现代设计理论和方法，以案例教学方式为研究生讲解。从第3届研究生开始，选择适合车辆现代设计方法的教材，同时补充了科研新方法。

课程的教学方法以现代设计方法为主线，以案例设计分析方法为抓手，要求每位研究生在学习本课程各种现代设计方法后，掌握2～3种具体的设计方法或者综合运用方法，并应用到实际研究中。这种教学模式的运用，可以综合培养在读研究生科研能力，起到衔接理论教学与科研实际运用的桥梁作用，能将所学到的车辆现代设计方法快速有效精确地运用到实际研究中去。学院研究生院在研究生培养方案中明确规定，研究生在二年级阶段，必须参与企业产品设计、生产与制造的全过程，重点结合研究课题方向参与企业实践环节，加深理论知识的理解与运用。所以，这种科研案例分析—课题研究相融合的一体化教学模式，为每位研究生顺利进入下一阶段的课题研究做好了充分的准备。

1 学生分析

在讲授课程之前，为了合理地组织教学内容、明确学习目标、设计教学活动、选用合适的教学方法与教学手段等教学外因条件，需对研究生的基本情况进行分析，做到真正的“因材施教”，提高教学的针对性和创新性[ 1，2 ]。

首先要了解每位在读研究生的研究方向，学院车辆工程专业的研究方向有：（1）车辆安全、可靠性与整车设计工程化;（2）车辆性能试验与检测技术;（3）车辆传动、电控技术及其应用;（4）车辆关键零部件材料、成型及产业化;（5）机动车污染控制与防治技术。平均每年有30%以上的研究生选择研究方向1;选择研究方向2～4的各占到20%左右;10%以下的研究生选择研究方向5。每个研究方向都有合适的现代设计方法运用，而每位学生应掌握设计方法的程度有所差异。目前，随着汽车技术的日新月异，使用单一的传统设计方法，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）和机械优化设计等方法已不能满足现代车辆产品设计过程中的需求。应根据汽车企业的具体需求、设计法规标准的规定进行必要的现代设计方法的更新[ 3，4 ]。在教学过程中，不断以科研案例分析入手，引入最新的车辆设计方法：如CAE分析与优化设计方法的结合运用;多体动力学和运动学仿真设计、稳健设计、虚拟设计、绿色设计和创新设计等方法在车辆整车性能仿真预测分析、零部件设计、制造工艺、车辆安全、可靠性与整车性能优化设计中的综合运用;汽车电子技术的运用和实践（目前该技术在汽车技术中所占比例近30%）。

2 优化教学内容

2.1 教学内容

传统的车辆设计经常运用二维计算机辅助设计CAD方法、优化设计等，是行之有效的，但随着车辆设计中现代方法与传统方法的综合运用带来的突出成果，研究生们经过多渠道不断接受大量科技信息，也促使教学方法和教学手段的不断更新与改进。笔者在近几年的研究生专业学位课程教学中，综合运用“四新”方法，即新技术、新材料、新工艺、新方法的讲解，不断更新讲义、教案和PPT，并以科研课题研究过程中用到多种综合方法为教授本课程的主线，以科研案例分析为主导。在课程开始前，熟悉学生的主要研究方向，将当届的研究生进行大分类，使学生以研究方向为切入点，熟悉和掌握2～3种设计方法和流程，通过收集整理相关的资料，完成小、大作业，将自己的研究成果或者阶段性的研究成果汇总成技术总结报告并撰写小论文，将现代设计方法运用到实际科研课题中，提高研究生运用各种现代设计方法解决问题的能力和技巧，使他们能够顺利进入课题的研究阶段。

为达到理论与实践的紧密结合，学院为教师和研究生搭建了从事科研的“车辆CAE性能安全可靠性检测研发平台”，该平台由动力传动装置、变频驱动装置、应力、扭矩、位移、温度测量装置、双通道电液伺服控制装置、图像采集装置、PLC控制器、32通道动态应变仪、微位移发生装置、工控机、数据采集装置、侧翻试验台和移动式碰撞试验台等 20多个独立的试验装置组成。除此之外，研究生院不定期召开科研讲座和研讨会，组织参加国内外学术交流会议，开阔研究生的视野，使他们掌握各自研究领域最新科研动态。

2.2 课程中的法规标准

通常在课程的开始环节，先了解学生对汽车法规标准方面的认识情况。学生一般认为这些法规标准是企业从事标准工程师的工作范畴。所以，近几届，无论在本科生还是研究生的教学中都反复强调车辆设计中涉及到的法规标准的重要性和意义所在，要求学生到校图书馆或者实习期间到企业的标准化室学习有关的约定要求，强调法规标准在汽车产品设计中是第一要素，如果某一设计环节不满足要求，就会造成此种车型无法公告走向市场[ 5 ]。教师由浅入深地引导学生查阅学习有关法规标准，如车身上部结构安全性、侧翻法规、安全座椅法规、排放等方面的要求。而对于非车辆专业的研究生，可根据各自专业的课程特点进行相关约束标准学习，这样后续进行设计可以有规可循、有据可查。

2.3 教学过程

1） 在课程教学过程中，教师精炼传统设计方法的授课课时，预留部分自学内容。同时，还开设了《车辆试验与检测技术》课程，配合理论教学，通过试验检验设计的可行程度，做到理论和试验同样重视。

2） 课外自学部分新方法，并通过查找文献资料举例说明此方法在车辆设计环节中的具体运用效果。

3） 针对不同研究方向的研究生，自选某种或几种现代设计方法运用到所研究领域中。以大作业的模式，用现代设计方法完成研究方向课题。

4） 针对每位研究生的课程研究内容进行一一检查、点评和互评，给出成绩，同时，根据教师的经验给出一些合理化建议。

2.4 教学方法改革

为保证各个章节的教学质量及其连贯性，由多个教师共同完成本课程。根据教师研究课题方向的不同，讲授自己最擅长的内容、设计方法及流程，每位教师负责2～3章节的内容，再由一个经验丰富的教师进行系统把握和贯穿。这样既可保证整个教学环节的完整性和系统性，又减少由于教学内容宽广，教师对不熟悉知识领域理解不深刻的问题。学院研究生院既定的车辆工程专业培养方向有5个，每个研究方向都有对应采用的现代设计理论与方法，具体如表1所示。

在实际运用中，一个研究方向的问题可用一种或多种现代设计方法与理论结合得到解决;而同一种设计方法与理论也可以解决多种不同问题。将现代设计方法与理论结合的传统设计方法能解决企业的一些实际问题。在教学中，以科研案例为引导，强调、说明多种设计方法的综合运用是解决科研课题的最佳途径。

3 案例分析

学院机械与车辆工程学院有相当一部分的教师和研究生从事车辆轻量化设计、车辆被动安全设计和汽车电子控制等方面的课题研究，在这些方面积累了丰富的经验。从车辆外部造型设计到内部的总布置设计，从零部件的安全设计到整车结构的安全设计等，都必须用到传统的CAD软件，而结构的强度校核分析、整车的碰撞、NVH、疲劳耐久性、流场分析和热管理分析及各种性能预测分析等行业需求的研究内容，又需要用到计算机辅助分析的各类软件帮助实施，因而要求研究生深入学习相关的理论知识和有关软件的操作技巧。

3.1 联合优化设计

现以车辆联合优化设计方法为例，说明其设计的全过程。车辆优化设计的主要流程[ 6 ]如图1所示。

車辆优化设计的主要流程依据研究对象的不同而有所差异。学院自主设计研发了一款电动观光导览车，从设计、分析、制造都由教师指导，本科生和研究生共同完成。图2所示是电动车车架优化设计的过程截图。通过优化设计后的电动车车架的变形和应力值都在材料强刚度允许的范围内，达到优化设计的目的。同时利用学校试验室仪器测试必要输出数据，进行设计参数修改调整和优化。随后两届的研究生继续以此为研究对象，结合拓扑优化设计和参数灵敏度分析方法，达到更优的设计效果，并将设计方案应用到新一代电动观光导览车设计中。在企业实习的研究生用该联合优化方法解决客车轻量化设计问题，并运用到客车企业的实际生产中。

通过具体案例的典型分析过程，结合小例题的运算和计算结果的后处理过程，使研究生对车辆优化设计的流程有了感性认识，再经过后期课题实战的锻炼，很快就可以成为利用CAE软件与CAD设计结合进行车辆优化设计的能手。

3.2 电子器件的结构—热耦合分析—动态分析

所有设计方法的正确运用均需要理论知识的充实，鉴于研究生生源不同，所学专业课和专业基础课程存在差异，涉及到的车辆现代设计方法，不单单需要静动态的设计，更需要进行多场耦合分析，机械寿命、电寿命等性能是企业更迫切追求的指标，企业更加关注这些指标的达成度。以纯电动汽车中用到的汽车关键零部件的设计过程为例，该过程包括结构的有限元分析与热场耦合分析电磁场与结构力的耦合分析。结合优化设计方法，使该型号电子产品质量轻、结构简单，运动机构的驱动力和磁场力达到合理匹配，机械寿命和电寿命等指标均达到国外同类产品的设计标准，满足企业的设计要求。车用电子产品的设计分析过程中变形、热场和动态设计的结果如图3所示。

3.3 稳健性设计与动态设计的结合

稳健性设计方法是由日本著名质量管理专家山口玄一博士创立的质量管理新技术，是最新颖、科学、有效的现代设计方法之一，依据对产品设定的某些优化目标，通过动态设计和方法达到对产品的低成本、高效益的质量管理。将稳健性（鲁棒性）设计方法运用到车辆制动系统中制动器关键参数的匹配优化，并在优化前后通过试验验证了制动器动态设计的效果，解决了此型号制动器低速制动噪声问题。表2是利用稳健性设计方法对有制动噪音的制动器参数的优化设计结果。

利用稳健性设计方法可以快速得到设计对象的性能参数值，通过排列组合获得多组仿真试验方案，经过对比仿真试验结果，辅以可行的试验测试技术和动态设计方法，可以达到理想的设计效果。

4 结束语

课程以案例式教学方式为主，集合多名有实际课题运作经验的教师为主讲，教学过程中避免“重理论、轻试验、重课内、轻课外”现象[ 7，8 ]。针对每种现代设计方法，都有实际案例的运行结果演示给学生，加深理论知识的理解与运用，让每位研究生结合自身研究方向（具体的研究课题），选择合适的设计方法，或者综合设计手段，解决实际问题，提高学生独立思考问题、解决问题能力，使其尽快进入课题的研究阶段。而研二阶段的企业锻炼，更加巩固了现代设计理论与方法的实战运用。该培养方式对实施研究生教育机制改革、提高研究生培养质量具有重要的示范意义。

参考文献

[ 1 ] 于克强，杨松华，宋胜伟.基于创新能力培养的机械设计基础教学设计改革与实践[ J ].教学研究，2017，40（3）： 82-86.

[ 2 ] 姚静，王佩.基于OBE 教学理念的项目驱动式专业课程教学设计[ J ].教学研究，2017，40（3）： 87-91.

[ 3 ] 郭栋，冯仁，李文礼.基于云平台的汽车设计课程教学改革初探[ J ].科教导刊（电子版），2016（31）：74-75.

[ 4 ] 叶明.汽车设计课程教学改革初探[ J ].中国校外教育，2010（1）： 60-61.

[ 5 ] 付昌星.汽车课程设计的教学改革和实践[ J ].经济管理（全文版），2016（12）：83-84.

[ 6 ] 王彦杰，晏磊，高亚梅.基于校企共建工程中心的研究生课程教学改革初探[ J ].经济管理（全文版），2016（12）：83-84.

[ 7 ] 姚莉，劉伟.研究生课程教学改革的几点思考[ J ].高等教育研究学报，2010（4）：36-39.

[ 8 ] 张玉存，刘彬，林洪彬，等.基于复合载体的提高工程类研究生创新能力方法[ J ].教学研究，2016，39（2）：92-97.

Research ability of master degree training practical application based on modern design methods

—For modern design methods of vehicle course as an example

Yu Guo-fei1，2，Sheng Jing1，2，Wang Hai-bing1

（1. Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology School ，Xiamen， Fujian 361024， China; 2.Collaborative innovation Center for R&D Coach and Special Vehicle of

Xiamen Fujian Province， Xiamen， Fujian 361024， China）

Abstract Using Xiamen University of Technology school′s "modern design method of vehicle" in master′s degree course as an example， to discuss the scientific research ability of the professional master graduate student. For different degrees master student， choosing modern design methods of the vehicle to fit their research direction， to achieve efficiently and accurately design spare parts of vehicle， assemblies and the whole vehicle， and also be able to predict and analysis vehicle performance. To sum up a variety of modern vehicle design methods， using the conclusion of teaching model as the main part and adopt effective teaching methods and teaching approaches， improving graduate student scientific research ability of independently analyze and solving problems， also lead students to enter the scientific research attitude of their majoring research direction. To achieve the purpose of case analysis - project research integration， and lay a good foundation for their future case research.

Keywords modern design methods; master′s graduate student; case teaching; case-project integration

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