高職模具CAD/CAE課程的改革與實踐

桂林理工大學南寧分校機械與控制工程系 黃榮學

隨著制造業的飛速發展，市場競爭白熱化，產品更新換代加快，模具工業正向著信息化、智能化和精密化的方向發展，CAD/CAE/CAM技術的應用，極大的提高了產品質量，縮短了從設計到生產的周期。

中國模具工業協會制定的模具行業“十二五”發展規劃中指出：在行業中全面推廣模具全三維CAD和CAD/CAE/CAM設計生產技術。可見，模具CAE技術已經成為模具設計與制造的重要發展方向。然而，目前大多高職院校培養的模具專業畢業生達不到企業要求的知識結構，這是因為專業課程的設置偏重于CAD/CAM，而對CAE的重視不夠，對學生的培養僅停留在傳統模具設計方法上，知識體系不夠完善，專業課程體系的設置嚴重滯后于模具CAD/CAE/CAM技術的發展[1]。由于市場缺乏熟練應用模具CAE技術的專業人才，制約了我國CAD/CAE/CAM技術在行業中的推廣應用。因此，作為培養模具設計與制造應用型人才的高職院校應把握行業發展方向，及時調整人才培養方案和進行課程改革，把模具CAE納入課程內容體系。

1.模具CAD/CAE技術及其應用

1.1 模具CAD/CAE技術

模具CAD技術包括計算機輔助進行產品的幾何造型、模具結構的詳細設計、模具的分型面、型腔和型芯設計以及基于數據庫管理的參數化設計等幾個方面；模具CAE技術（Computer Aided Engineering）是計算機輔助模具工程分析，包括產品成型質量分析、模流分析、模具結構優化分析、模具應力應變分析等方面。CAE技術貫穿于產品研制過程的每一個環節之中，用于指導和預測產品在概念、設計和成型階段的行為。CAD/CAE技術提供了從產品設計到生產的完整解決方案。

1.2 CAD/CAE技術在模具優化設計中的應用

隨著產品對模具的要求越來越高，傳統的模具設計方法已無法適應產品更新換代和提高質量的要求。通過模具CAD/CAE技術，采用科學、合理的方法，以計算機軟件的形式，為模具工作者提供一種行之有效的輔助工具，使他們能借助于計算機對成型制品、成型工藝、模具結構、模具壽命等進行反復的修改和優化，直至獲得最佳結果。CAE技術已成為產品開發、模具設計及產品加工中這些薄弱環節的最有效的途經，模具CAD/CAE技術能顯著地縮短模具設計與制造周期、降低模具成本、提高模具壽命，保證產品的質量。

目前，CAD/CAE技術已廣泛應用于汽車覆蓋件模、板料沖壓模、注塑模、擠壓模、壓鑄模等模具的優化設計，并取得了矚目的成效。在汽車覆蓋件、板料沖壓等冷成形模具的設計中，主要運用CAE進行板料的成形性指標、應力應變、結構優化、模具壽命和成形工藝等的分析，在行業中廣泛應用的專用CAE軟件有Dynaform、Deform、Pamstamp等。注塑模CAE主要用于充型模流分析、澆注系統分析、冷卻系統分析及模具結構優化分析等，專用的分析軟件是Moldflow。擠壓、壓鑄模CAE主要用于材料流場數值分析、溫度場分析、模具/壓鑄件應力場分析等，專用的分析軟件有ProCast、Flow-3D等[2]。

2.模具CAD/CAE課程改革

2.1 模具CAD/CAE課程改革的必要性

盡管CAD/CAE/CAM技術目前在我國模具行業的應用取得了一定的成效，但由于CAE應用型人才的缺乏制約了CAD/CAE/CAM一體化技術的全面推廣。必須認識到，以市場為導向、科學的專業設置與建設是體現高職教育特色及競爭力的兩個方面，以職業能力培養作為重點，充分體現職業性和實踐性。但從目前來看，高職院校大多都把主要精力放在模具CAD/CAM的教學上，卻很少涉及CAE課程。因此，對相關課程的改革勢在必行，以適應市場對模具人才的要求。

模具設計與制造專業作為我校高職重點建設的專業之一，結合模具技術的發展情況和學校對人才的培養定位，及時調整了模具專業人才培養方案，在專業課程設置及課程內容改革更新中，增設了模具CAE課程內容。經過幾年的教學與實踐，并不斷對教學內容、教學方法和手段進行改革和探索，已逐步形成了科學合理的模具CAD/CAE課程體系，此課程模塊突出了計算機輔助模具優化設計能力的培養，是模具專業人才培養方案中不可或缺的一個環節。

2.2 模具CAD/CAE教學內容安排

模具的種類比較多，實際生產所需模具又以塑料模、沖壓模、壓鑄模等為主，生產企業大多選用UG、Pro/Engineer、Solidworks等三維CAD軟件來進行這些模具的設計。以我校模具專業人才培養方案為例，考慮到學生服務面向和崗位能力要求，選用了功能強大的Pro/Engineer作為模具設計教學軟件，課程安排在第4個學期進行，此時學生已具備了沖壓模和注塑模具設計的理論基礎，這將有助于培養學生運用所學的專業知識來進行計算機輔助模具設計，符合教學和認知規律。CAD部分的教學包括基礎建模、高級建模以及模具設計三大部分，著重培養學生的空間思維和三維設計能力。而在CAE教學軟件方面，選擇了廣泛用于注塑成型分析的Moldflow軟件和用于沖壓/壓鑄成型分析的Deform軟件。由于CAE分析是建立在CAD幾何建模的基礎上的，考慮到知識結構的銜接性，把模具CAE部分的教學安排在CAD課程內容之后進行。

值得注意的是，對于高職院校的學生而言，基礎知識比較薄弱，CAE教學不能像本科教育那樣過多地引入理論方面的教學，應該主要強調在應用層面的教學，不涉及復雜的算法。課程目標主要是讓學生了解有限元法基本思想、有限元分析的基本過程和核心問題，學會利用相關的CAE軟件去分析和解決實際問題。

3.教學方法和手段

模具CAD/CAE技術是一門實踐性非常強的課程，對學生來說，重要的是熟練操作、靈活應用。根據本人多年的教學經驗，以工作過程為導向，采用項目驅動進行講、練結合的教學方式，為學生設計一個在學中練、在練中學的學習情境，能夠取得較好的教學效果。

模具CAD作為一種計算機輔助工具，重點培養學生的操作方法和操作技巧，必須通過引入大量的實際案例來進行教學，讓學生在課堂上邊學邊練，這樣可以激發學生的學習興趣，加深對專業知識的理解。而對于模具CAE部分，因專用軟件操作較簡單，教學的重點不在于軟件的使用方法和使用技巧上，把CAE課程引入高職教育的主要目的也并非要向學生講授理論知識，而是結合相關專業知識，使他們學會應用CAE軟件來解決實際工程問題的能力，同時也為了學生能夠加深對本專業的理解。因此，在教學過程中，為了達到預期的教學效果，教師要結合實際的工程案例，善用計算機進行輔助模擬分析，并根據模擬所得的圖表及動態云圖直觀的展現在學生面前，幫助學生分析產品結構、工藝參數等因素對產品質量、生產成本及模具強度等問題的影響，從而培養學生學會分析問題和解決問題的能力。

隨著CAD/CAE/CAM技術的快速發展，新產品開發改變了傳統的試錯設計法，采用從概念設計到計算機模擬分析，再到優化設計的過程，實現了產品高效、低成本的開發設計。高職院校模具專業要結合實際需要對CAD/CAE課程進行改革和實踐，使學生真正具備基于工作過程的優化設計能力，同時還要考慮與后續課程模具CAM相銜接，并不斷推進模具CAD/CAE/CAM技術一體化課程的教學改革，以培養高素質、有競爭力的復合型模具人才。

[1]姜俊俠,劉白.模具CAD/CAM/CAE技術一體化課程建設初探[J].深圳信息職業技術學院學報,2010,8(3):23-25.

[2]陳暉,周細應,李名堯.模具CAD/CAE/CAM技術的應用及其發展趨勢[J].鑄造技術,2010,31(11).

[3]管愛枝,施于慶,王瑞金等.模具CAD/CAE/CAM課程的教學改革與實踐[J].浙江科技學院學報,2010,22(2):153-156.