有限元軟件在金屬塑性成形課程中的應(yīng)用

張莉 臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000

有限元軟件在金屬塑性成形課程中的應(yīng)用

張莉 臺(tái)州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000

分析了有限元軟件在金屬塑性成形課程中的應(yīng)用特點(diǎn)，探討了在本門課程中引入DEFORM軟件的教學(xué)模式。

有限元軟件；金屬塑性成形；DEFORM；教學(xué)模式

金屬塑性成形課程是一門專業(yè)理論課，是研究金屬的塑性變形過程，分析變形體內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布，為模具設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而減少依靠經(jīng)驗(yàn)處理工藝問題的盲目性。

金屬塑性成形是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，塑性變形過程中既存在幾何非線性（應(yīng)變與位移之間的非線性），也存在物理非線性（應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性），加之初值條件的復(fù)雜性以及數(shù)學(xué)處理上的困難等，導(dǎo)致人們長(zhǎng)期以來只能通過采用簡(jiǎn)化、假設(shè)和利用實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖解、模型等方法，即回避上述難點(diǎn)才能對(duì)金屬塑性成形過程予以分析。

隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，塑性有限元法的發(fā)展應(yīng)用開始與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，塑性成形理論取得了突破性的進(jìn)展，很多塑性成形技術(shù)中的難題都迎刃而解。利用計(jì)算機(jī)運(yùn)用數(shù)值模擬方法可以快速地獲得較精確的解，金屬塑性成形過程分析不再困難。

1 有限元軟件的引入

有限元模擬采用一組數(shù)學(xué)方程和定解條件將實(shí)際過程抽象成理論模型，通過計(jì)算機(jī)求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測(cè)在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實(shí)際過程。在本門課程的教學(xué)過程中，以DEFORM有限元軟件為應(yīng)用主體，通過模擬使得復(fù)雜的金屬塑性成形過程變得直觀而又具體，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。本門課程引入該軟件具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）直觀性

DEFORM不僅能直觀描述金屬塑性成形過程如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的分布狀態(tài)及金屬變形狀態(tài)等，其分析結(jié)果可以表現(xiàn)為仿真結(jié)果的等值線、云圖等顯示方式，也可以表現(xiàn)為仿真過程顯示，即在計(jì)算機(jī)上對(duì)金屬塑性成形過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤描述，并通過計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)演示整個(gè)成形過程，從而揭示金屬的流動(dòng)規(guī)律、各種因素對(duì)變形行為的影響及成形過程中變形體和模具的各種力場(chǎng)的分布。

因此運(yùn)用有限元軟件分析金屬塑性成形，既能直觀地描述塑性成形過程中金屬流動(dòng)狀態(tài)，又能客觀地求解塑性變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布狀態(tài)，從而為模具型腔與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、產(chǎn)品工藝制定及優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了科學(xué)的依據(jù)。

（2）應(yīng)用廣泛性

DEFORM是一個(gè)面向工程、面向用戶、與CAD軟件無縫連接的商品化有限元分析軟件，是現(xiàn)代虛擬制造技術(shù)產(chǎn)品。

DEFORM軟件可對(duì)在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析,是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元模擬仿真分析軟件，專門設(shè)計(jì)用于各種金屬成形工藝和熱處理工藝進(jìn)行模擬仿真分析，是用于模擬分析金屬材料體積成形如自由鍛、模鍛、擠壓、拉拔、軋制、擺輾、輾鍛（輥鍛）等多種塑性成形工藝過程，可用于模擬和分析冷、溫、熱塑性成形問題，可模擬和分析多工序塑性成形問題，可進(jìn)行模具應(yīng)力、彈性變形和破損分析，可提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)如材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。

因此，可以滿足本門課程的應(yīng)用要求。

（3）良好的人機(jī)交互界面

DEFORM具有友好的用戶圖形界面，操作簡(jiǎn)單方便，采用CAD方式建模和可視化視窗系統(tǒng)，有集成的金屬合金材料庫(kù)和多種成形設(shè)備模型，具有良好的人機(jī)交互特性，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

2 DEFORM教學(xué)模式構(gòu)建

本門課程采用理論實(shí)踐一體化的教學(xué)方法，由師生一同在機(jī)房進(jìn)行邊教、邊學(xué)、邊做的教學(xué)過程，采取“講授—協(xié)作學(xué)習(xí)—實(shí)踐討論—師生互動(dòng)—有針對(duì)性的講授”的方式，即先由教師講解學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，再由學(xué)生上機(jī)操作并相互討論，然后老師和學(xué)生之間對(duì)出現(xiàn)問題進(jìn)行交流，最后再針對(duì)學(xué)生在實(shí)際操作過程中出現(xiàn)最多的問題進(jìn)行短時(shí)講解。例如，在教授DEFORM軟件前處理的各個(gè)命令時(shí)，教師先上機(jī)操作并講解一部分命令的含義及操作原則，然后讓學(xué)生自己在計(jì)算機(jī)上操作這些命令，并相互討論，期間教師對(duì)提出問題的學(xué)生進(jìn)行討論和指導(dǎo)，并從中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題最多的操作命令，當(dāng)學(xué)生都練習(xí)完成后，教師再針對(duì)出現(xiàn)問題最多的操作命令進(jìn)行要點(diǎn)講解。通過這種教學(xué)方式，使教學(xué)內(nèi)容和理論知識(shí)與實(shí)際操作結(jié)合起來，將教學(xué)內(nèi)容由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，由抽象變?yōu)榫唧w，整個(gè)教學(xué)過程生動(dòng)直觀，既加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和操作技能的綜合理解，又通過上機(jī)完成仿真過程，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)本門課程的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中引入案例分析法，案例分析法是一種歸納啟發(fā)式的教學(xué)方法。案例分析法以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、判斷能力和解決問題的能力，從而達(dá)到鞏固理論知識(shí)和技能，融會(huì)貫通的目的。根據(jù)教學(xué)目的的需要，通過對(duì)典型案例的分析與討論，將各模塊知識(shí)整合起來，使學(xué)生對(duì)運(yùn)用DEFORM軟件進(jìn)行金屬塑性成形分析過程更為熟悉和理解，并對(duì)典型案例的仿真分析結(jié)果進(jìn)行研究和討論，進(jìn)而深入了解金屬塑性成形的過程、原理及影響其成形質(zhì)量的各關(guān)鍵因素。例如，對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行變形分析和熱分析，則需討論整個(gè)仿真分析的步驟流程、有關(guān)參數(shù)的設(shè)置及相互影響關(guān)系、仿真分析的結(jié)果及滿意度等。通過案例分析，可使學(xué)生得到一個(gè)系統(tǒng)的練習(xí)，將前期的操作練習(xí)整合在一起，對(duì)使用有限元軟件處理問題有一個(gè)更為直觀具體的概念。

在學(xué)生掌握基本理論知識(shí)和基本操作技能的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用DEFORM軟件獨(dú)立完成與課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)際能力。教師可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生查找和分析資料，再進(jìn)行具體的操作實(shí)施。通過該過程不僅讓學(xué)生獲得相關(guān)的理論知識(shí)、操作能力，還讓學(xué)生感受主動(dòng)獲得這些知識(shí)的過程，主動(dòng)分析、判斷和解決問題的成就感。有利于培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究工作的能力，了解科學(xué)研究的方法，以及了解模具加工的現(xiàn)狀和最新的研究技術(shù)。

3 效果評(píng)價(jià)

通過教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)模式有助于學(xué)生直觀、深入地了解金屬塑性成形的原理和方法，突出DEFORM軟件的應(yīng)用性和實(shí)踐性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生綜合水平得到提高。

[1]謝玉書. 數(shù)控專業(yè)CAX軟件教學(xué)模式探討[J].職業(yè)教育研究.2010,2:91-92

[2]張麗杰,孫曉梅,周永斌.構(gòu)建農(nóng)林高等院?！读帜具z傳育種》課程實(shí)踐教學(xué)體系[J].中國(guó)科技信息.2010,7:238-239

張莉（1977—），女，講師，博士，主要從事CAD/CAE、先進(jìn)制造技術(shù)、智能設(shè)計(jì)技術(shù)等研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.190