秦升學(xué)　劉杰

摘 要 文章在分析山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）教學(xué)與本科畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用的現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)改革授課和考核方式來(lái)加強(qiáng)本科生對(duì)CAE技術(shù)的學(xué)習(xí)措施，并通過(guò)提高CAE技術(shù)在材料成型及控制專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的比重與考核力度，來(lái)提高畢業(yè)生應(yīng)用CAE技術(shù)的解決工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 CAE技術(shù) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 教學(xué)改革 材料成型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.019

The Study on Measures to Improve the CAE Application ability of the Undergraduates of Material Forming Specialty

QIN Shengxue， LIU Jie

（College of Mechanical and Electrical Engineering，

Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

Abstract Based on analysis of the CAE （computer aided engineering） application status and problems in the teaching and graduation project for undergraduates of material forming specialty， the reform measures of teaching and testing of CAE course is proposed in this paper. The ability of solve engineering problem of the graduates could be also improved by improving the application proportion and strengthening the check system in the graduation project.

Key words CAE; graduation project; teaching reformation; material forming

材料成型及控制工程專業(yè)涉及材料科學(xué)、成型工藝與自動(dòng)控制技術(shù)的綜合與交叉，要求畢業(yè)生具有材料成型加工基礎(chǔ)理論與應(yīng)用能力，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，CAE技術(shù)對(duì)與材料成型行業(yè)的作用越來(lái)越重要，已經(jīng)成為材料成型從業(yè)高等技術(shù)人員必備的技能之一。目前，山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)設(shè)模具方向，包括金屬塑性成形及模具設(shè)計(jì)和塑料成型及模具設(shè)計(jì)，該方向更注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并對(duì)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力提出了更高的要求。

本文從CAE在材料成型與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，對(duì)金屬塑性成形 CAE和注塑成形CAE 教學(xué)與畢業(yè)設(shè)計(jì)改革進(jìn)行了探索。

1 CAE技術(shù)在我校材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

模具優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)是模具數(shù)字化制造設(shè)計(jì)核心技術(shù)之一，①尤其是三維設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真模擬分析技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)雖在國(guó)內(nèi)已有不同程度應(yīng)用，但仍處于較低水平。目前在模具領(lǐng)域應(yīng)用較多的世界著名CAE軟件有MOLDFLOW、DYNAFORM、AUTOFORM、POLYFLOW和DEFORM等，同時(shí)也是山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)習(xí)中可以接觸到商業(yè)軟件。②

金屬塑性成形加工過(guò)程中加載條件與變形過(guò)程異常復(fù)雜，傳統(tǒng)分析方法已經(jīng)證明不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元理論的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可以解決經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)無(wú)法解決的問(wèn)題。了解金屬塑性變形的各種常量的變化歷程，如金屬成形過(guò)程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢(shì)、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變等，對(duì)塑性成形工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、壓力機(jī)的選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。我校在金屬板料沖壓技術(shù)和體積成形中主要選用DYNAFORM和DEFORM軟件進(jìn)行教學(xué)。在板料成形數(shù)值模擬分析 CAE 技術(shù)教學(xué)過(guò)程中，以DYNAFORM為主重點(diǎn)介紹汽車覆蓋件的拉深成形數(shù)值模擬，在 Deform數(shù)值模擬 CAE 成形教學(xué)過(guò)程中，重點(diǎn)講授模鍛成形和擠壓成形。

塑料模CAE技術(shù)主要是利用高分子材料學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等基本理論，建立塑料成型過(guò)程的數(shù)學(xué)和物理模型，構(gòu)造有效的數(shù)值計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析，使對(duì)塑料成型過(guò)程的認(rèn)識(shí)從宏觀進(jìn)入微觀，從定性進(jìn)入定量，從靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，為優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和控制產(chǎn)品成型過(guò)程以獲得理想的最終產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)分析手段。本專業(yè)塑料模具課程以注塑和擠出工藝與模具設(shè)計(jì)為主，其中注射成型部分以MOLDFLOW軟件為主，擠出工藝部分以Ployflow軟件為主。

目前，本專業(yè)在本科教學(xué)階段CAE教學(xué)中突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在理解有限元求解問(wèn)題的本質(zhì)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)相關(guān)的有限元軟件，通過(guò)實(shí)訓(xùn)掌握簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題求解過(guò)程和方法，為獨(dú)立應(yīng)用軟件分析問(wèn)題打下基礎(chǔ)。③但從最終在畢業(yè)設(shè)計(jì)中CAE分析應(yīng)用的情況來(lái)看，可以熟練應(yīng)用以及解決問(wèn)題的同學(xué)還占少數(shù)，如何加強(qiáng)本科階段對(duì)CAE技術(shù)的學(xué)習(xí)，尤其是通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐性更強(qiáng)的過(guò)程更好地掌握CAE技術(shù)的應(yīng)用，成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

2 加強(qiáng)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中CAE應(yīng)用能力的措施

2.1 改進(jìn)授課方式加強(qiáng)學(xué)生CAE分析技術(shù)的學(xué)習(xí)

采用分散課時(shí)授課方法。對(duì)于本科生，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)鍛煉CAE技術(shù)應(yīng)用能力并發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)離不開(kāi)前期的課程學(xué)習(xí)。目前材料成型及控制工程專業(yè)CAE技術(shù)教學(xué)安排方面除了有限元理論基礎(chǔ)知識(shí)外，還開(kāi)設(shè)有專業(yè)CAE軟件課程，但課程內(nèi)容通常由授課教師自己掌握，造成出現(xiàn)只偏向一種軟件的現(xiàn)象，如側(cè)重研究注塑成型方向的教師一般只講授polyflow或modflow軟件，而側(cè)重金屬塑性加工方向的教師則可能只講授金屬板料成形和體積成形CAE分析軟件。由于專業(yè)CAE軟件只安排一個(gè)學(xué)期的課程，就造成一屆學(xué)生只能學(xué)習(xí)運(yùn)用一種軟件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在專業(yè)領(lǐng)域通才教育的目的，畢業(yè)生在職場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力下降。針對(duì)這種情況，本文作者提出了專業(yè)CAE分析技術(shù)分散教學(xué)的方法，將CAE課程課時(shí)分配到各個(gè)專業(yè)課程中，在專業(yè)課程授課過(guò)程及課程設(shè)計(jì)中穿插講授CAE軟件，從應(yīng)用方法到案例分析與應(yīng)用，讓學(xué)生在專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中體驗(yàn)先進(jìn)CAE方法，又為畢業(yè)設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

在CAE技術(shù)授課過(guò)程采用有限元理論與軟件操作并重的講解方式。由于本科階段教育，CAE技術(shù)的掌握要求相對(duì)不高，課時(shí)安排受到限制，因此需要在比較少的時(shí)間內(nèi)講解盡可能多的知識(shí)。在實(shí)際教學(xué)中，一些教師往往把重點(diǎn)僅僅放在軟件操作上而忽略有限元理論講解，使得學(xué)生操作時(shí)只能靠機(jī)械記憶，無(wú)法與所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)融會(huì)貫通，不利于學(xué)生對(duì)軟件的更深一步理解。所以在教學(xué)中應(yīng)該采用有限元理論與軟件操作并重方式教學(xué)，教師可以建議學(xué)生去看一些書籍、論文，爭(zhēng)取學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束后，能夠獨(dú)立地完成類似的題目以及難度更高的題目，同時(shí)具備一定的理論自學(xué)能力與較強(qiáng)的軟件操作能力。

2.2 從課程設(shè)計(jì)開(kāi)始注重CAE分析軟件的應(yīng)用

軟件的學(xué)習(xí)往往在應(yīng)用中會(huì)更容易掌握，尤其對(duì)固有的流程、方法與技巧而言，必須經(jīng)過(guò)實(shí)際操作才能得心應(yīng)手。目前在材料成型及控制工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)中，往往只注重利用手冊(cè)與公式計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)模具，并不強(qiáng)調(diào)CAE技術(shù)的應(yīng)用，只是把CAE技術(shù)的應(yīng)用放到畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么大部分同學(xué)會(huì)因?yàn)榛竟δ懿僮鞯纳?，而?duì)軟件的應(yīng)用失去興趣與耐心，很難達(dá)到CAE分析所驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。因此在培養(yǎng)方案中可注明將CAE分析加入到課程設(shè)計(jì)中，從專業(yè)課程學(xué)習(xí)伊始就注重CAE分析的應(yīng)用。如在課程設(shè)計(jì)中提出CAE分析應(yīng)用的建議并給出應(yīng)用方法與流程，但不作為必須考核內(nèi)容，而作為額外加分的評(píng)估條件，以引導(dǎo)學(xué)生提高對(duì)CAE技術(shù)應(yīng)用的積極性。

2.3 增加CAE分析在畢業(yè)設(shè)計(jì)中指導(dǎo)與考核比重

CAE技術(shù)在以沖壓模具和塑料模具為課題的畢業(yè)設(shè)計(jì)中有著重要的作用，可以有效減少設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)—修正—再設(shè)計(jì)的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計(jì)達(dá)到或者逼近合用的結(jié)果，這在實(shí)踐中具有重要意義。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制畢業(yè)生設(shè)計(jì)進(jìn)度，在完成初步模具設(shè)計(jì)三維造型后，統(tǒng)一進(jìn)入CAE分析階段，模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—分析—優(yōu)化—再設(shè)計(jì)修改的循環(huán)的設(shè)計(jì)過(guò)程。采用集中時(shí)段進(jìn)行CAE分析模式的好處還在于便于集中指導(dǎo)。另外在本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)改革階段，嘗試實(shí)行了小組制，將同一分析類型的學(xué)生分為若干組，如注塑模具組與沖壓模具組，每一組中分配至少一名能夠熟練運(yùn)用CAE分析技術(shù)的學(xué)生，實(shí)現(xiàn)互助促進(jìn)的模式。④

在畢業(yè)設(shè)計(jì)考核過(guò)程中，既重視設(shè)計(jì)說(shuō)明書中CAE分析內(nèi)容與結(jié)果的正確性與對(duì)模具設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性，又注重學(xué)生在答辯過(guò)程中對(duì)CAE技術(shù)的理解與應(yīng)用方法掌握情況，防止發(fā)生抄襲或他人代工的現(xiàn)象。

3 總結(jié)

CAE分析在材料成型及控制工程專業(yè)中的作用是不容忽視的，采用分散課時(shí)以及改進(jìn)授課方法和考核方式，可有效提高本科生CAE技術(shù)應(yīng)用能力，充分利用課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐機(jī)會(huì)，為畢業(yè)后工作中熟練應(yīng)用CAE技術(shù)打下基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目或者課題項(xiàng)目：山東科技大學(xué)群星計(jì)劃資助項(xiàng)目（qx2013221），山東科技大學(xué)特色名校建設(shè)資助項(xiàng)目

注釋

① 李萌崛，焦鈺，張萬(wàn)明.CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].科技傳播，2012（12）：134-135.

② 申長(zhǎng)雨，陳靜波，劉春太，李倩.塑料模CAE技術(shù)發(fā)展概況[J].模具工業(yè)，2001.239（1）：51-56.

③ 秦升學(xué)，任莉新，郝繼東.材料成型計(jì)算機(jī)模擬本科教學(xué)的若干問(wèn)題與對(duì)策[J].青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010.23（1）：64-64，68.

④ 梁冬玲，邵新妍，周佳，朱士江.關(guān)于專業(yè)選修課程考核方式的探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2009.35：97.