數值模擬技術在材料塑性成形教學實踐中的應用

王華君，湯 玄，朱春東，張 洋

（武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

材料塑性成形是包含材料學、塑性力學和機械學等內容的交叉型學科，主要的研究分析方法有上限法、主應力法和有限元法等。作為工程技術類學科，在教學中除了系統的專業理論知識學習以外，還需要將大學教育與工業實踐相結合，培養學生的實踐動手能力，使學生具備發現問題和解決問題的能力[1]。

然而，目前本科生在入學之前，沒有任何工業實踐經驗，從事此類專業教學的教師，大部分從大學或研究院進修后，直接從事教學工作，也沒有長期的工業實踐經歷。此外，培養時間和經費的限制，使得針對工業實踐的教學，無法系統充分地實施。

隨著計算機數值模擬技術在工程技術領域的應用日漸普及，有限元技術已成為塑性成形領域教學與研究中的關鍵性技術[2～3]。通過使用商業化有限元仿真軟件，進行成形數值模擬，對金屬成形工藝設計、模具設計以及成形品質的控制等，具有很大現實意義，可以部分解決實踐經驗不足所帶來的問題。在實驗方面，不再受到過多的時間及經費的限制，使學生在專業知識學習和實踐認識方面，形成了很好的銜接。

1 數值模擬引入教學體系

在國內外的多數大型企業中，數值模擬已成為新產品開發鏈條中不可缺少的一環。工廠企業要求從事本專業工作的學生，能夠有扎實理論知識的同時，具有較強的實踐能力[4]。

為了讓學生能夠更好的理解數值模擬計算解決問題的基本思想，近年來，武漢理工大學材料科學與工程學院逐步建立和開設的有限元理論和數值模擬類課程，形成了完善的教學體系（圖1），取得了很好的教學效果。

圖1 材料成形數值模擬引入教學體系

2 在基礎實驗教學中的應用

塑性成形原理是本專業的基礎課，正擠壓、反擠壓以及圓柱鐓粗實驗，是金屬塑性成形原理專業課程中的重要實驗。傳統的實驗教學，具有一定的局限性[5]，學生無法直接觀察到塑性變形過程中材料在模具型腔內的變形過程，只能通過觀察變形結束后網格的變化情況，來推斷金屬的流動情況，對于變形過程中的其他信息也無法直觀了解[6]。

現在，在教學中使用DEFORM軟件進行相應的數值模擬實驗，不僅可以動態的觀察到變形的全部過程，直觀地了解材料在模具內的流動過程，利用軟件的后處理功能，還能對變形過程中的應力場、應變場和溫度場等進行分析。

在“摩擦對鐓粗變形的影響”的實驗教學中，無法演示摩擦系數為0或1這樣理論值時的變形情況。采用有限元與實驗相結合的方法，則變形過程一目了然，并能清楚地看到摩擦系數對鐓粗變形的影響（圖2）。

圖2 鐓粗不同摩擦系數時的速度場分布圖（摩擦系數a為0；b為0.12；c為1）

在正擠壓實驗教學中，要求學生在一定范圍內修改摩擦因子、凹模角度、溫度、凸模運動速度等參數，觀察分析這些參數對于成形情況及變形過程的影響。此類開放性實驗，學生擁有一定的自由性，能夠進行傳統實驗中沒有或無法進行的各種實驗，教學效果非常好。

3 在本科畢業論文教學中的應用

畢業論文是大學教育的最后一個環節，畢業論文的品質，也是檢驗學生對于所學專業知識運用能力的一個重要標準。隨著數值模擬在本科教學中的逐漸推廣和發展，學生已經能夠將數值模擬作為一種重要的分析工具，完成比較優秀的畢業論文。以下是一些主要采用數值模擬技術完成的本科畢業論文案例。

3.1 精密塑膠件熱冷循環模具注塑成型塑料流動與工藝優化

在2010年本科畢業論文階段，嘗試將3名本科生的畢業論文與科研項目“精密塑膠件熱冷循環模具注塑成型技術及其產業化——廣東省科技廳（2009 B0906 00025）”結合起來，取得了良好的效果。

研究內容解決了該項目中塑料流動與工藝優化關鍵問題，其中陳浩同學的畢業論文，獲得2010年度湖北省優秀本科生畢業論文一等獎。

3.2 精沖工藝有限元模擬

精沖成形過程復雜，溫度、應力難以測量。采用數值模擬研究精沖過程中的金屬流動規律，可以加深對精沖的實質上的理解，驗證精沖原理中有關金屬流動規律的描述。

魏鵬程對AISI-1035鋼精沖工藝進行了有限元建模，重點研究了精沖過程中金屬的流動規律、驗證了靜水壓力的作用，并對精沖和普沖進行了比較；在熱力耦合模型基礎上，分析了變形區內的等效應力和等效應變等分布（圖3）。該論文獲2007年度湖北省優秀本科生畢業論文二等獎。

圖3 精沖成形過程數值模擬（a為靜水壓力分布；b為溫度場；c為應力場）

4 結束語

武漢理工大學材料塑性成形專業方向，近年來將數值模擬引入到材料成形教學實踐中，優化了傳統的教學體系，針對工程技術類人才培養的特點，在解決加強理論與實踐相結合的問題上，找到了新的途徑。從有限元模擬技術與教學實踐整合的運行情況看，多個班級（如2006級、2007級塑性成形與模具專業本科生）的教學實踐表明，教學效果明顯，具體體現在：

一是促進了學生對塑性成形原理基本理論的理解；

二是提高了學生的綜合能力和創新精神；

三是進一步提高就業競爭力，促進了本科生就業能力的提高。

[1]W Johnson.Developments in forming technology-an engineering educator’s approach[J].Journal of Materials Processing Technology，1992，（931）：1-26.

[2]A E M Pertence,P R Cetlin.Analysis of a new model material for the physical simulation of metal forming[J].J of Materials Processing Technology，1998，(84)：261-267.

[3]權國政，周 杰，艾百勝.推廣數值模擬教學培養高層次材料成形類人才[J].中國科教創新導刊，2009，（11）：1.

[4]Taylan Altan.Education and research in engineering-how are we doing in a rapidly changing world，Integrated Systems Engineering Seminar.[DB/OL]http://nsm.eng.ohio-state.edu/html/education.Html.2010-02-10.

[5]賈俐俐.擠壓工藝及模具[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]林新波，李積彬，王 藝.金屬棒料正擠壓成形綜合性實驗的設計與探索[J].實驗技術與管理，2005，5(25)：56-60.