數值模擬在塑性加工原理教學中的應用與實踐

摘 要 本文研究了數值模擬技術和塑性加工原理課程特點，提出了數值模擬技術應用于課堂教學中的實施方案。通過展示圖片對基本原理和工藝進行解釋，幫助學生深入理解理論問題和系統了解金屬塑性成形工藝過程，提高教學質量和課堂效果，且在培養學生分析解決實際問題的能力，提高參加科技創新活動主觀能動性方面效果顯著。

關鍵詞 數值模擬 塑性加工原理 課堂教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

工程技術類學科教學在授予系統的專業理論知識外，將理論與實踐相結合培養學生具備動手能力、發現問題和解決問題的能力尤為重要。①數值模擬技術可以提供豐富的圖片、數據和視頻從而幫助學生理解金屬塑性成形中力學行為、塑性流動機制及工藝參數對成形過程的影響規律，因而在工程力學②、材料力學、③土木工程④等課堂教學中得到了一定研究與應用。本文提出了將數值模擬技術應用于塑性加工原理課程教學的技術方案，針對課程特點給出了數值模擬技術在課堂教學中的應用實例，分析了其對課堂教學、本科畢業設計和科技創新活動的應用效果。

1 數值模擬在塑性成形教學中應用方案

金屬塑性加工原理主要探索金屬塑性成形過程中的力學行為及變形規律、組織性能演變及摩擦對塑性成形的影響規律，學習該課程需要建立準確的物理概念，掌握塑性變形的基本規律和變形力學分析方法，注重理論聯系實際，提高分析和解決塑性加工實際問題的能力。金屬塑性成形的研究主要是分析塑性變形區的應力場、應變場、溫度場，并分析它的變形特性，比較常用的研究方法主要有主應力法、滑移線法、極限分析法和有限元法。塑性加工原理課堂教學中遇到的主要問題表現為理論枯燥晦澀，教學資源陳舊單一，課堂氣氛沉悶，理論與實際脫節嚴重，實驗環節跟不上。

數值模擬以計算機為手段，利用計算和圖像顯示研究工程問題中的變形、溫度、應力應變分布規律以及微觀組織、力學、機械和物化性能變化。該方法適應于各類金屬塑性成形過程的分析，能夠較全面地考慮多種因素對成形過程的影響，并且提供詳盡的力能參數或溫度等信息。利用數值模擬技術將實際工程問題進行建模，依據一定的邊界條件和工藝參數進行數值計算，將求解所得應力應變分布、載荷變化、組織變化等以圖片、數據及視頻方式展現出來，能夠很好的貫穿于金屬塑性加工原理課堂授課中。應用方案如圖1所示。

圖1 應用方案

2 數值模擬在本科教學中的應用案例

為幫助理解圣維南原理、應力集中現象、分流面等基礎理論，以帶孔薄板受拉過程為例進行數值計算。當中心存在小孔時，應力分布狀態將發生明顯應力集中（圖2）。最大應力產生于90€按Γ钚∮αΣ？€按Α3叢部贅澆αγ饗員浠猓溆啻蟛糠鐘αυ嘉？.5MPa，幾何尺寸微小變化對較遠處沒有影響，符合圣維南原理。摩擦存在使環形件鐓粗過程中側面出現鼓形（圖3）。壓下量較大時，外側表面金屬質點逐步移動至上、下砧發生側面翻平現象。存在摩擦且壓下量大時，外側金屬流動阻力增加使其金屬向內側流動，出現分流面（圖3），加深了學生對圓環鐓粗過程和“最小阻力定律”的認識。

圖2 等效應力分布 圖3 速度場分布

通過近兩年的教學實踐和對2008和2009級共124名材料成型及控制工程專業學生的問卷調查，超過約95%的學生認為數值模擬結果結合課本內容進行教學對課堂教學效果具有很大幫助。數值模擬技術在教學中的應用優勢主要體現在：提高了課堂教學的生動性，豐富了教學資源；加深了學生對原理性知識的認識和掌握；培養學生科研能力，拓展思維方式和專業認知廣度，提高了學習本專業的興趣。還有約5%的學生認為數值模擬雖然從客觀上給出了相關理論解釋，但是從個人主觀上還是沒有真正理解力學知識內涵。

2010-2012年兩年時間內，作者帶領學生完成本科畢業設計19人，其中獲得優秀9人，約占47.3%，比全校優秀論文平均比例20%的兩倍還多，在獲得優秀的9篇論文中，有8篇是利用數值模擬技術求解和優化實際工程問題。另外，近兩年帶領4組學生參加學校科技創新活動，均獲得優秀，學生借助數值模擬技術發表學術論文3篇，EI檢索2篇。可見，數值模擬技術在課堂教學中的應用與實踐不僅提高了學生課堂聽課興趣，一定程度上也培養了學生科技創新能力。

3 結論

提出了數值模擬技術在課堂教學中的應用方案，并將數值模擬技術引入到了塑性加工原理課堂教學中。以帶孔薄板受拉過程為例，計算分析了應力分布規律，解釋了圣維南原理、應力集中、平面應力問題等基本理論加深了同學們對原理和工藝的認識，在提高課堂教學效果，本科生培養質量和科技創新能動性方面效果顯著。

基金項目：東北大學秦皇島分校教學改革與建設項目（課題編號：201203）

注釋

① W Johnson. Developments in forming technology- An engineering educator’s approach [J]. Journal of Materials Processing Technology. 1992.31（1-2）：1-26.

② 李永梅，李玉占.鋼筋混凝土雙向板計算機數值模擬的輔助教學[J].東南大學學報，2012.14：184-190.

③ 祝捷，劉京紅，張曉天，等.基于數值模擬的材料力學教學導入法[J].河北農業大學學報，2011.13（4）：468-470.

④ 桑建兵，于文英，焦永樹，等.數值模擬在工程力學課程教學中的應用研究[C].力學與工程應用會議論文集，2012.