周大帅，刘永志，郭灝，刘尧
（六盘水师范学院矿业与机械工程学院，贵州 六盘水 553004）
我国大部分院校的机械制图、机械设计课程的教学大多仍以理论为主，甚至有些院校仍以“尺规作图”、理论计算为主，这样虽然可以提高学生的尺规作图的动手能力和作图素养，但有悖于增材制造人才培养的初衷[1-3]。从培养高级应用型人才的角度来讲，主要包括理论知识和应用技能，无论是机械制图还是机械设计，都是对成熟的机械制图和机械设计的相关知识理论展开讲授，很少涉及创新性知识和创造性技能的探索和教育，更不用说把机械制图，机械设计、现代设计方法、机械创新设计与方法以及有限元分析等课程融合在一起的课程，致使学生对所学的各门课程的知识都是零碎的、分散的、杂乱的，没有融会贯通，形成机械专业应有完整的知识体系，到工作实践时很难实现从措手不及到得心应手。
随着增材制造的发展，3D造型技术由于其可视化程度高、交互设计强等特点，在现代工程各领域得到广泛应用。机械制造类企业对机械类技能人才三维造型能力的要求也不断提高[4]。在智能制造时代，三维模型是创意设计、虚拟仿真、加工制造、强度校核、优化设计、动态特性检测、装配调试等的重要载体，每一个环节都由三维模型支撑，环环相扣，缺一不可[5]。因此，基于当前智能制造的发展“3D打印技术”课程的改革势在必行。
OBE理念由美国学者Spady提出，其以学生为中心，以学习成果为导向，配合多元个性化学习方法，激发学生学习能动性，以达成培养目标，并强调个性化评定，根据成果反馈来改进课程教学[6]。
机械制图、机械设计、现代设计方法等课程学习的最佳方式是在工厂实践中获得知识与能力，在实践运用中将机械制图、机械设计、现代设计方法、有限元分析等课程有机整合优化，实现各门课程知识的融合与发展，让学生亲身参与到机械零部件的设计、出图、制造、优化与生产的整个过程，可以使抽象的形体分析过程具体化，实现感性认识和理性认识的统一。即过程为：理论分析——3D模型绘制——机械设计中的强度分析——有限元的结构优化——3D模型打印。
四旋翼无人机是一款常见的能垂直起降、以四个旋翼为动力装置的飞行器，如图1所示。其在军事、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾等方面的作用越来越大，无人机的设计目标之一就是在保持刚度的同时，减轻自身重量，从而提高其自身的承运能力。由于受传统加工工艺和材料的限制，很难满足对机架轻量化、高效的结构要求。拓扑优化作为一种先进的轻量化工具，使结构轻量化设计带来了很大的发展空间，在许多工程领域得到了应用，如机械设备、汽车车身、航天等领域。
图1 四旋翼无人机及机架模型
随着智能产品的发展，各种智能产品仍离不开机械设计，无论电子产品或以计算机为中心的装置怎么发展，几乎所有的产品都具有机械功能和人机交互功能，因此，所有的产品都需要机械设备来制造和装配以及用机械零件进行包覆，时下高端产品无人机机架的设计过程也不例外。
3.1 机械制图，绘制模型
机械制图是机械类专业的一门必修的技术基础课。其主要任务是培养学生具有画图能力和看图能力，能够阅读比较复杂的机械图样，绘制（含零部件测绘）一些常用零件的机械图样，并学会完整地标注尺寸等。本模型包含四个旋翼电机座、电子设备和载重，机架根据实际的受力工况进行了适当的简化省略，运用机械制图、机械设计的相关知识，搭建无人机机架的3D模型，为节约材料和反映机架的实际工况，机架模型进行了缩放，机架典型位置及需要优化的机架如图2和图3所示。
图2 4个旋翼
图3 载荷加载部位
3.2 机械设计，完善结构
机械设计的教学目的是使学生掌握基本的工程计算与简单机械零部件的设计，具有分析、解决实际工程问题的能力，为专业学习起到承前启后的作用。无人机机架的类型虽然很多，但其设计的基本原则却大体相同，包括以下几个方面：①满足使用要求，能够按照预期的技术要求顺利地执行机械的全部功能，其次是能在预定的寿命期内不发生破坏、变形而导致机械的失效。②满足经济性要求，在设计、制造中要求成本低，轻量化。③满足工艺性要求，结构尽可能简化，合理的机构组合方案或结构方案等。
3.2.1 工况分析
无人机在飞行中，整机处于无约束状态，仅受到重力的作用。主要载荷有：无人机携带了摄像头等有质量的物体，在有限元分析无人机受力状态时，利用“质量点”功能，将摄像头等物理的质量施加给无人机机架位置的下方，通过柔性连接器连接，连接器端点的坐标为（0 mm，0 mm，-20 mm），质量为0.1 kg，旋翼受力具备如下：
旋翼F1：作用于位置1的圆孔内侧面，大小为30 N，方向为Z轴正方向。
旋翼F2：作用于位置2的圆孔内侧面，大小为30 N，方向为Z轴正方向。
旋翼F3：作用于位置3的圆孔内侧面，大小为30 N，方向为Z轴正方向。
旋翼F4：作用于位置4的圆孔内侧面，大小为30 N，方向为Z轴正方向。
摄像头等其他设备配重F5：作用于负载加载位置，坐标为（0 mm，0 mm，-15 mm），大小为80 N，方向为Z轴负方向。
载荷工况：载荷工况1：F1，F2，F3，F4；
载荷工况2：F5，载荷工况详细信息如图4所示。
图4 载荷工况
本模型所用的材料是ABS（杨氏模量2000 MPa、泊松比0.35、密度1060 kg/m3、屈服应力45 MPa），对分析模型进行材料属性附加。
3.2.2 机架的初始静强度有限元分析
依据机架的受力、约束及工况等情况，对机架进行静强度分析，分析结果中的位移、安全系数、米塞斯等效应力如图5、图6和图7所示。
图5 初始静强度位移分析结果
图6 初始静强度安全系数分析结果
图7 初始静强度米塞斯等效应力分析结果
从初始静强度分析结果可知，整个机架中，除了旋翼电机座外，其他部分存在较大的优化空间。
3.3 模型优化
优化设计建立在近代数学最优化方法和计算机技术的基础上，为工程设计提供一种现代设计理论与方法、机械创新设计的重要的设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，大大提高设计效率和质量。
依据以上分析结果，选择机架为设计空间，该机架为对称结构，机架形状控制以任一竖向对称面为准，双向拔模，通过Inspire的拓扑优化模块对该模型进行结构优化，工况与原来的一致，优化目标是刚度最大化的前提下，质量减为原来的36.67%，模型优化结果如图8所示，一键拟合PolyNURBS后，结果如图9所示。
图8 以刚度最大化质量减少30%为目标
图9 拟合PolyNURBS后
在相同的工况下对优化前后模型进行分析对比，位移、安全系数及米塞斯等效应力等参数，均满足总体设计要求，达到预期目标，对比见表1。
表1 优化前后对比
3.4 3D打印技术
作为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术的3D打印技术，将与机器人、人工智能等技术一起，提高制造业生产线的柔性化程度，以更低成本生产定制产品，推动制造业生产方式由大规模生产向个性化定制转变，在本设计中，它的作用亦是如此。
3.4.1导入优化后的模型
依据上述优化后的机架模型，另存为stl格式，导入UP studio 3D切片软件中，如图10所示，通过工艺参数设置，修改打印模型的轮廓、分层、路径宽度、特殊选项等，定义打印材料及其相关属性。保存为模型的G代码文件。
图10 模型导入UP studio
3.4.2 打印模型
把有打印信息的G代码文件，加载到已调平的极光尔沃A3 3D打印机中进行打印，如图11所示，完成的原始模型和优化模型分别如图12和图13所示。
图11 极光尔沃A3 3D打印机
图12 机架原始模型实体
图13 机械优化后的模型实体
通过无人机机架的轻量化设计，实现了机械制图、机械设计、现代设计方法、3D打印技术等课程整合优化与融合，这个过程也是机械工程类课程建设的过程，从中可以得出以下结论：
（1）必须要有先进的OBE理论思想作为指导，课程整合与优化的目的是提高教学效果，建立连贯的知识体系，培养学生学习的积极性、主动性，提高学生的分析问题和解决问题的能力，使工科学生具有“工程”思维，培养出能适应社会、具有创新能力的复合人才。
（2）课程整合与优化改革，是高校教育实践战略深入推进的主要分支，有序的课程资源协调规制，不仅可以简化知识体系，还可以明晰学科授课知识点，提升学生的学习效率。
（3）通过本次机械类多门课程的整合与优化过程，可大大提高学生的学习兴趣与主动性，使学生可以把所学的多门课程有机的联系在一起来，形成完整的知识链，实现从理论模型到实践中的真实产品，对产生设计和制造有较大的指导和现实意义，为将来知识的运用打下良好的基础。
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