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试述在机械设计专业及机械学科发展中CAE技术与力学的作用
摘要：基于学科发展的培养学生的视角，阐述了在机械设计专业及机械学科发展过程中，CAE技术与力学的关键作用。
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中国制造崛起的一个重要表现是生产能力迅速扩张。初步估计，我国已有上百种制造产品（涉及家电制造业、通信设备、纺织、医药、机械设备、化工等十多个行业）的产量成为“世界第一”，这其中机械设计专业培养的学生功不可没[1]。
机械设计制造和自动化专业是一个集机械设计与制造、计算机科学和信息技术于一体的交叉学科。专业培养以机械设计与制造为基础，并且能够运用先进设计制造技术。在工业生产中从事机械制造的设计、制造、开发和利用。在现代机械行业中，往往会出现很多复杂的技术问题，因此需要具备各方面技术的理论与方法的人才。这也就是机械设计制造与自动化专业对于我国机械行业人才储备的重要意义。
从培养学生的角度看，要能够培养合格优秀的机械设计专业人才，必须以科学发展观为指导。通过对教学工作方式和方法的改进，完善机械设计制造与自动化素质教育体系，建立宽厚的基础知识结构，按照厚基础、宽知识、强能力、高素质的教学改革方向，强化政治思想、人文素质和基本理论知识。通过理论指导和实践探索，对该专业的教学理念进行更新[2]。加强学科内容的创新、教学方法的灵活化，促进教师不断加强自身素质的提高。在教学中不断提高自身的教学水平，并且将专业知识与社会环境相结合，务实求真，更好地教育学生。此外，有条件的学校，应该在专业选修课中增设学科前沿性课程、跨学科课程、综合性课程、理论基础类课程、理论提高类课程、双语教学和能力培养课程，加大选修课的比例[3]。
从学科发展的角度，东北大学的闻邦椿院士认为[4]，机械学科的发展战略首先要考虑现代机械的发展趋向和国际研究的前沿，这些趋向和研究前沿可大致分为以下四个主要方向：尖端制造方向、综合集成方向、信息化方向、绿色化方向。
针对产品质量的设计方法而言，设计方法论正在向产品综合质量或综合性能的总体方向发展，它是以产品设计总体质量为目标，即在最大范围内来满足用户对产品总体质量或综合性性能的要求。综合设计法的普遍公式是（1+3）+x。括E中1是概念设计，或功能优化设计；3是三化综合设计法，即综合动态优化、智能优化和可视优化设计为一体的广义优化方法；x是依据产品的特点采用的设计方法。举例来说，针对大型非线性问题结构的必须考虑其非线动力学问题。
哈尔滨工业大学的黄文虎院士，论述了必须加强机械与力学等各学科的交叉研究[5]。他举例来说，大型旋转机械因容量和参数提高而导致非线性影响加强，必须采用非线性动力学设计的原理、理论和方法。
事实上，在机械设计与力学的融合方面，CAE技术是典范之一。CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴的多学科交叉技术。CAE是指Computer AidedEngineering，泛指用计算机辅助分析、计算和仿真在内的一切研发活动，其核心是基于计算力学的有限元分析技术。
以美国福特汽车为例，在2000年引用CAE技术之后，与20世纪90年代初期相比较，新车的开发周期由原来的36个月降低为12～18个月，开发后期设计修改率减少50%，原型车制造和实验成本减少50%，投资收益提高50%。CAE技术在其他的机械设计领域中也发挥了作用，目前，航空航天、医疗器械、重工机械等行业对CAE技术的应用都非常重视，CAE产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥的作用已经无可替代。可以说，CAE技术的应用程度已经成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志，以美国为首的发达国家甚至将CAE技术作为“事关国家竞争力和国家安全的战略技术”。
随着各种数值分析方法及力学理论的不断发展与完善，加之高速、大容量计算机的出现与推广，使高精度、大规模计算成为可能，从而推动了CAE技术的飞速发展。产品设计由原来的实机验证转变为CAE驱动的设计过程。现代产品设计中，CAD完成初步设计后，首先进行基于CAD模型的产品功能CAE虚拟试验，对产品的强度、刚度等工作性能进行仿真，如果不满足设计要求，就重新设计，直到功能全部满足设计要求，再进行试做。这样的设计流程，大大缩短了实物试验的周期，降低了试验成本[6]。
如图2和图3所示，基于CAE技术的机械产品开发过程大大减少了样机的制备和修正过程，极大降低了相关成本。
综合以上所述，我们认为，不管从给学生建立宽厚的基础知识角度看，还是从专业和学科发展来看，力学以及CAE技术都具有重要的意义。
图2传统的开发流程；图3CAE辅助的开发流程
参考文献：
[1]张福润.机械学科专业发展战略研究[J].中国大学教学,2005,(1).
[2]刘思鹏.浅谈我国目前对机械设计制造和自动化专业发展及规划[J].科技致富向导,2013,(15):128+228.
[3]刘炎,罗学科,王侃.机械设计制造及其自动化专业本科教育多层次人才培养模式探索[J].煤炭高等教育,2008,26(1):119-120.
[4]闻邦椿.关于机械学科发展战略的若干思考[J].河北科技大学学报,2008,29(1):1-6.
[5]黄文虎.加强机械与力学的交叉提高产品设计水平[C].中国科协2005年学术年会,2005.
[6]刘鸿莉,张轶,刘军.CAE技术在机械设计领域中的应用现状及发展趋势———以机电专业为例[J].科技创新导报,2016,(18):4-6.
杨莎莎,沈承.浅谈力学及CAE技术在机械设计专业及机械学科发展中的意义[J].教育教学论坛,2020,(4):171-172.
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量子不确定关系表明,即使我们知道了量子态的全部信息,我们也无法同时精确地预测任意两个互不对易的可观测量的测量结果.量子不确定关系是量子力学和经典力学的本质区别,因此对不确定关系的研究能够帮助我们更好的认知量子力学.此外,不确定关系被广泛的应用于量子信息科学的每一分支中,比如,量子非克隆理论,量子密码,纠缠探测,量子自旋压缩,量子度量学和量子同步.
2020-12-08
地震研究的终极目标是对地震事件的发生时间、位置和震级进行准确的预测.目前,地震短期预测仍是具有高复杂度的世界性科学难题,现有的预测方法仍存在很大的可创新空间(周硕愚等,2019).对于地壳内部的构造地震而言,地震事件的发生是整体断层系统长期演化的结果.因此,地震预测方法的发展离不开对发震断层内部的摩擦过程及触发机制的研究.
2020-09-05
创新不仅是民族进步的灵魂，也是国家蓬勃发展的不竭动力。有关数据表明，教育部正在制定本科专业的教学质量标准，重点纳入创新精神和能力的培养。同时，全国各高校都在结合自己学校专业的特点，组织修改培养方案，将创新精神和能力作为重要培养指标之一。 空气动力学是能源与动力工程专业的技术基础课，是研究作为流体的空气的力学运动规律及其应用的学科。
2020-08-10
风洞试验、数值计算和模型飞行试验是空气动力学研究的三大手段，通过三大手段的综合应用，形成闭环的气动试验研究体系。气动试验研究体系着眼设备发展大局和信息化发展趋势，以CPS技术为核心，实现“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成，形成链路通畅、高度数字化的试验研究环境，形成气动数据从生产到应用生态链，用多维度融合赋能气动研究创新发展，为气动研究工作注入新的活力[3,4]。
2020-08-10
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施，油源系统是风洞的动力系统，为风洞所有阀门和执行机构提供液压动力，用于实现试验模型各种高难度状态的自动驱动和控制，是十分重要的组成部分。文中风洞是国内主力生产型风洞，控制系统已非常老旧，故障频发，另外随着国内各新型装备吹风试验对风洞的运行性能及功能要求进一步提高，原控制系统已不能很好地满足试验需求。
2020-08-10
“材料力学”课程是全国高等院校机械工程、土木建筑、车辆工程等专业的必修科目，根据国家对本科教育和人才培养的整改优化，国内高校对“材料力学”课程的教学课时做出相应调整[1]。“材料力学”课程因内容较抽象、研究问题较繁琐，因此对于基础较薄弱、理解能力较差的学生学习该课程会更加困难[2]。
2020-08-10
平流层浮空器是指利用轻于空气的浮升气体产生的浮力在平流层底部进行持久驻空飞行的浮空类飞行器,主要包括平流层飞艇和高空气球,具有飞行时间长、搭载能力强、使用效费比高等优点.平流层浮空器在全天候、全天时的信息获取应用中具有显著优势,可为对地观测、通信保障、防灾减灾、环境监测等应用需求提供重要的技术解决方案,具有巨大的军民应用前景[1].
2020-08-10
间隙这一非光滑因素广泛存在于机械系统中,比如齿轮传动系统中的齿侧间隙、导杆滑块机构中的多运动副间隙、起落架系统中的扭转间隙、空间机械臂的关节间隙、共振筛内的弹簧间隙等[1,2,3,4,5]。系统结构内的间隙,是引起分段约束问题的主要因素,它会对机械系统的动力学特性产生重要的影响,因此吸引了许多学者对含间隙系统的动力学行为进行研究。
2020-08-10
当飞机、车、船及火车运行速度较高时,湍流边界层激励的结构振动噪声成为该类交通工具内噪声的重要组成部分,会大大降低乘坐舒适度。舰艇在10kn以上中高航速时,流激振动噪声是声呐自噪声的重要组成部分,对声呐正常工作有不利影响[1]。湍流边界层激励结构振动主要包括湍流壁面脉动压力功率谱和结构随机振动响应功率谱两大内容。
2020-08-10
当一个物体在流体中作刚体运动或模态振动时,会带动其周围的流体一起发生运动,其中运动流体的动能可以用相应的附加质量进行度量。若假定流体无黏无旋,则依据势流理论,完全浸没物体的附加质量取决于其形状及运动模式,而与位移大小、速度及加速度无关[1]。对于附加质量,除极个别简单情形存在解析解外,一般需由数值方法或实验进行计算。
2020-08-10
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期刊名称：应用力学学报
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主管单位：国家教育部
主办单位：西安交通大学
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1000-4939
国内刊号： 61-1112/O3
创刊时间：1984年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
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2020-04-25
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