呂東莉 張濤

摘要：本文從材料成型與控制專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)與特點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)以往教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中的一些經(jīng)驗(yàn)，探討了將虛擬仿真應(yīng)用到專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必要性。結(jié)合近年來(lái)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將虛擬仿真技術(shù)引入到材料成型與控制專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)與工程實(shí)踐的能力，教學(xué)效果明顯。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn);材料成型與控制;實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）46-0226-02

一、前言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的單一專業(yè)的技術(shù)型人才已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要，而需要具備材料成型加工工藝及模具、成型加工設(shè)備及自動(dòng)控制等知識(shí)和能力的應(yīng)用型綜合人才。加快材料科學(xué)與工程教育的改革，培養(yǎng)能夠適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展，并能持久地為我國(guó)材料技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的創(chuàng)造性人才已迫在眉睫[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它不僅是對(duì)理論教學(xué)的驗(yàn)證、補(bǔ)充和拓展，而且還是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際問題能力的重要途徑，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的材料成型與控制專業(yè)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)嚴(yán)重滯后，為此西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，讓學(xué)生基本完成了專業(yè)基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)方向課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，通過專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的開展，加深了學(xué)生對(duì)材料成型與控制專業(yè)理論知識(shí)的理解與掌握，更為重要的是可以使學(xué)生將已學(xué)的各門課程的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，并加以綜合運(yùn)用。

二、材料成型與控制專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，我校材料成型與控制專業(yè)建立了符合工程教育規(guī)律的教學(xué)體系，構(gòu)建了材料成型各專業(yè)方向所需知識(shí)和技能平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，即專業(yè)課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、研究與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。其中專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)是將專業(yè)基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)方法有效地融合后開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在開展綜合實(shí)驗(yàn)過程中不再孤立地進(jìn)行各專業(yè)模塊操作，而是將專業(yè)模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使材料成型與控制工程專業(yè)的學(xué)生具備進(jìn)行合成制備工藝的初步設(shè)計(jì)、工藝與性能關(guān)系、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的綜合訓(xùn)練[3]。

三、虛擬仿真技術(shù)在材控專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1.虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的目的。隨著近年來(lái)材料工業(yè)的不斷發(fā)展，材料成型及控制專業(yè)也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)熱加工的范疇，已經(jīng)形成了一個(gè)從材料加工的基礎(chǔ)理論知識(shí)開始，進(jìn)而對(duì)材料成型的形狀控制、組織結(jié)構(gòu)控制、性能控制和生產(chǎn)過程控制，能夠完成模具計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)及制造、材料成型計(jì)算機(jī)仿真與控制、新材料、新產(chǎn)品工藝的開發(fā)等的完整體系。材料成型與控制專業(yè)是一個(gè)連接材料科學(xué)與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的橋梁。正是由于這種“橋梁”的特點(diǎn)，要求該專業(yè)的學(xué)生特別注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，能夠在學(xué)習(xí)的過程中做到多動(dòng)腦，多動(dòng)手，細(xì)體會(huì)。在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于材料成形過程是極其復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)和瞬時(shí)過程，難以直接觀察，材料成型與控制專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以開展高危、高成本、極端條件下的材料制備、分析及加工的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生直觀明了地了解材料成形的全過程，形象具體，相似度高，起到理論聯(lián)系實(shí)踐的學(xué)習(xí)效果引導(dǎo)學(xué)生興趣，這樣就比單純理論和實(shí)驗(yàn)研究做得更深刻、更全面、更細(xì)致，甚至還可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皶簳r(shí)還做不到的研究。

2.虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的條件。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及大范圍推廣應(yīng)用的條件下，學(xué)生日常生活、學(xué)習(xí)、科研工作中越來(lái)越離不開計(jì)算機(jī)這個(gè)重要的工具。為了讓學(xué)生能夠更充分有效地利用計(jì)算機(jī)，近年來(lái)，西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院逐步開設(shè)了有限元理論和數(shù)值模擬類課程，使學(xué)生理解虛擬仿真解決問題的基本思想，購(gòu)買了大型有限元軟件DEFORM、JSCAST和SYSWELD等軟件，形成了完善的教學(xué)體系，取得了很好的教學(xué)效果。針對(duì)材料學(xué)科特點(diǎn)材料成型與控制專業(yè)開設(shè)了計(jì)算機(jī)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容：

（1）計(jì)算機(jī)輔助工程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用的迅速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造等新技術(shù)得以十分迅猛地發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助工程可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，對(duì)材料成型加工過程進(jìn)行模擬，能及早發(fā)現(xiàn)工藝及模具的設(shè)計(jì)缺陷，并能對(duì)加工產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性進(jìn)行模擬及評(píng)估。開設(shè)的計(jì)算機(jī)輔助工程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，把CAD與CAE技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過這些實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身體會(huì)到計(jì)算機(jī)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，學(xué)生可以完成相關(guān)材料成型工藝設(shè)計(jì)，并通過有限元分析等手段校核設(shè)計(jì)結(jié)果，并通過結(jié)果分析進(jìn)而進(jìn)行工藝及模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）材料加工過程的數(shù)值模擬。通過上機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用掌握的有限元理論進(jìn)行對(duì)材料加工過程進(jìn)行相關(guān)物理場(chǎng)的分析計(jì)算。

液態(tài)金屬充型過程的計(jì)算機(jī)模擬：液態(tài)成形過程的計(jì)算機(jī)模擬已由形狀尺寸的宏觀模擬進(jìn)入微觀模擬階段。通過對(duì)液態(tài)金屬凝固過程的建模與分析，可以模擬得出凝固組織相形態(tài)、凝固過程中晶粒度的變化、凝固過程中微觀缺陷的種類及出現(xiàn)的位置，最終可以依據(jù)這些內(nèi)容對(duì)鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑄造仿真軟件JSCAST可進(jìn)行幾乎所有的鑄造工藝過程模擬，包括：壓鑄、重力砂鑄、金屬型鑄造、半固態(tài)鑄造等。可以對(duì)鑄件成形過程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并能夠預(yù)測(cè)鑄造過程中的缺陷;從而對(duì)鑄造過程中所涉及的工藝參數(shù)和工藝方案等做出評(píng)價(jià)和優(yōu)化，達(dá)到降低試生產(chǎn)次數(shù)、減少模具費(fèi)用，提高批量生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)和成品率，最大可能地節(jié)省能源、降低成本。

塑性成形的計(jì)算機(jī)模擬：金屬塑性加工的變形過程是一個(gè)非常復(fù)雜的彈塑性大變形過程。對(duì)金屬塑性變形過程中金屬流動(dòng)特點(diǎn)、組織轉(zhuǎn)變規(guī)律、缺陷的種類及產(chǎn)生部位的判斷往往是依據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)的積累，因而一些復(fù)雜的產(chǎn)品的成型加工質(zhì)量難以保證。隨著金屬塑性成形技術(shù)的日益發(fā)展，人們意識(shí)到金屬材料的塑性變形規(guī)律、模具與工件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中溫度的變化和微觀組織的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響，人們對(duì)金屬塑性成形過程中的變形規(guī)律、變形力學(xué)的分析越來(lái)越重視。塑性成形過程的計(jì)算機(jī)模擬是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)上對(duì)金屬塑性成形過程進(jìn)行多物理場(chǎng)的分析，并通過計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)將求解的各物理場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行演示，如圖1所示。用塑性加工過程模擬可以實(shí)現(xiàn)的功能很多，例如揭示塑性加工過程，建立變形、力學(xué)參數(shù)和溫度等的函數(shù)關(guān)系，制定最佳工藝過程及制度，設(shè)計(jì)最佳設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)，用于求解金屬變形過程中各物理場(chǎng)的分布規(guī)律，進(jìn)行模具受力分析及壽命預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)金屬的成形缺陷類型及產(chǎn)生部位。

焊接過程的計(jì)算機(jī)模擬：焊接是兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散連接成一體的工藝過程，該過程是涉及傳熱傳質(zhì)及力學(xué)等的復(fù)雜過程，實(shí)際生產(chǎn)過程的影響因素也非常多，單純進(jìn)行理論分析很難準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)實(shí)際問題。通過焊接過程計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以定量分析焊接過程中各因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律。通過焊接過程的計(jì)算機(jī)模擬可以分析焊接熱傳導(dǎo)、焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)、焊接電弧的傳熱傳質(zhì)過程、焊接變形和殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)分析等。焊接模擬軟件SYSWELD完全實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的耦合計(jì)算，考慮晶相轉(zhuǎn)變及同一時(shí)間晶相轉(zhuǎn)變潛熱和晶相組織對(duì)溫度的影響。

四、效果

通過將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生對(duì)本專業(yè)的專業(yè)技能、加工設(shè)備及工藝等方面的情況有較為全面的了解，能將課堂所學(xué)的理論知識(shí)付之實(shí)踐中，取得了良好的效果。

1.綜合素質(zhì)得到提升。不僅鍛煉了學(xué)生的觀察能力、分析能力、動(dòng)手能力，提高了綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，而且讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)了分工合作的團(tuán)隊(duì)精神和鍛煉了協(xié)調(diào)處理技術(shù)問題和人際關(guān)系的能力，使學(xué)生得到了真正意義上的綜合鍛煉。

2.積極性和主動(dòng)性得到加強(qiáng)。綜合實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了他們吃苦耐勞的精神、克服困難的勇氣和對(duì)專業(yè)的興趣和自信心。

3.教學(xué)相長(zhǎng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到各種各樣的問題，有些問題需要教師深入思考來(lái)解決。因此，這使得教學(xué)與實(shí)踐更緊密地結(jié)合，促進(jìn)教師專業(yè)知識(shí)的提高。

五、結(jié)論

將虛擬仿真技術(shù)用于材料成型與控制專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)中，可以很好地解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研項(xiàng)目方面的一些問題，使材料成型與控制專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，將工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際與理論很好地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生在綜合應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)、獨(dú)立解決工程問題和提高自身創(chuàng)新等能力方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練和提高，通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色、實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果和效果、學(xué)生第二課堂活動(dòng)等方面取得了豐碩的成果。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)為材料成型與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)是今后各個(gè)高校研究的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

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