提高材料成型專業本科生CAE技術應用能力的措施

秦升學　劉杰

摘 要 文章在分析山東科技大學材料成型及控制工程專業CAE（計算機輔助工程）教學與本科畢業設計應用的現狀與存在的問題基礎上，提出了通過改革授課和考核方式來加強本科生對CAE技術的學習措施，并通過提高CAE技術在材料成型及控制專業本科畢業設計中的比重與考核力度，來提高畢業生應用CAE技術的解決工程問題的能力。

關鍵詞 CAE技術 畢業設計 教學改革 材料成型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.019

The Study on Measures to Improve the CAE Application ability of the Undergraduates of Material Forming Specialty

QIN Shengxue， LIU Jie

（College of Mechanical and Electrical Engineering，

Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

Abstract Based on analysis of the CAE （computer aided engineering） application status and problems in the teaching and graduation project for undergraduates of material forming specialty， the reform measures of teaching and testing of CAE course is proposed in this paper. The ability of solve engineering problem of the graduates could be also improved by improving the application proportion and strengthening the check system in the graduation project.

Key words CAE; graduation project; teaching reformation; material forming

材料成型及控制工程專業涉及材料科學、成型工藝與自動控制技術的綜合與交叉，要求畢業生具有材料成型加工基礎理論與應用能力，并且隨著計算機技術和有限元理論的發展，CAE技術對與材料成型行業的作用越來越重要，已經成為材料成型從業高等技術人員必備的技能之一。目前，山東科技大學材料成型及控制工程專業設模具方向，包括金屬塑性成形及模具設計和塑料成型及模具設計，該方向更注重工程實踐能力的培養，并對學生解決實際工程問題能力提出了更高的要求。

本文從CAE在材料成型與控制工程專業畢業設計中的應用現狀入手，對金屬塑性成形 CAE和注塑成形CAE 教學與畢業設計改革進行了探索。

1 CAE技術在我校材料成型及控制工程專業學習中的應用現狀

模具優化設計與CAD/CAM/CAE一體化技術是模具數字化制造設計核心技術之一，①尤其是三維設計和計算機仿真模擬分析技術，這項技術雖在國內已有不同程度應用，但仍處于較低水平。目前在模具領域應用較多的世界著名CAE軟件有MOLDFLOW、DYNAFORM、AUTOFORM、POLYFLOW和DEFORM等，同時也是山東科技大學材料成型及控制工程專業學習中可以接觸到商業軟件。②

金屬塑性成形加工過程中加載條件與變形過程異常復雜，傳統分析方法已經證明不能適應現代工業發展的需要。 隨著計算機技術與有限元理論的發展，采用計算機數值模擬技術可以解決經驗設計無法解決的問題。了解金屬塑性變形的各種常量的變化歷程，如金屬成形過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢、材料內部的應力、應變等，對塑性成形工藝設計、模具設計、壓力機的選擇以及成形質量的控制等具有重大的現實意義。我校在金屬板料沖壓技術和體積成形中主要選用DYNAFORM和DEFORM軟件進行教學。在板料成形數值模擬分析 CAE 技術教學過程中，以DYNAFORM為主重點介紹汽車覆蓋件的拉深成形數值模擬，在 Deform數值模擬 CAE 成形教學過程中，重點講授模鍛成形和擠壓成形。

塑料模CAE技術主要是利用高分子材料學、流變學、傳熱學、計算力學和計算機圖形學等基本理論，建立塑料成型過程的數學和物理模型，構造有效的數值計算方法，實現成型過程的動態仿真分析，使對塑料成型過程的認識從宏觀進入微觀，從定性進入定量，從靜態進入動態，為優化模具設計和控制產品成型過程以獲得理想的最終產品提供科學依據和設計分析手段。本專業塑料模具課程以注塑和擠出工藝與模具設計為主，其中注射成型部分以MOLDFLOW軟件為主，擠出工藝部分以Ployflow軟件為主。

目前，本專業在本科教學階段CAE教學中突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的學習，讓學生在理解有限元求解問題的本質的基礎上學習相關的有限元軟件，通過實訓掌握簡單的工程問題求解過程和方法，為獨立應用軟件分析問題打下基礎。③但從最終在畢業設計中CAE分析應用的情況來看，可以熟練應用以及解決問題的同學還占少數，如何加強本科階段對CAE技術的學習，尤其是通過畢業設計這個實踐性更強的過程更好地掌握CAE技術的應用，成為一個亟需解決的問題。

2 加強學生畢業設計中CAE應用能力的措施

2.1 改進授課方式加強學生CAE分析技術的學習

采用分散課時授課方法。對于本科生，通過畢業設計鍛煉CAE技術應用能力并發揮其優勢離不開前期的課程學習。目前材料成型及控制工程專業CAE技術教學安排方面除了有限元理論基礎知識外，還開設有專業CAE軟件課程，但課程內容通常由授課教師自己掌握，造成出現只偏向一種軟件的現象，如側重研究注塑成型方向的教師一般只講授polyflow或modflow軟件，而側重金屬塑性加工方向的教師則可能只講授金屬板料成形和體積成形CAE分析軟件。由于專業CAE軟件只安排一個學期的課程，就造成一屆學生只能學習運用一種軟件，無法實現在專業領域通才教育的目的，畢業生在職場中的競爭力下降。針對這種情況，本文作者提出了專業CAE分析技術分散教學的方法，將CAE課程課時分配到各個專業課程中，在專業課程授課過程及課程設計中穿插講授CAE軟件，從應用方法到案例分析與應用，讓學生在專業知識學習過程中體驗先進CAE方法，又為畢業設計中CAE技術的應用打下基礎。

在CAE技術授課過程采用有限元理論與軟件操作并重的講解方式。由于本科階段教育，CAE技術的掌握要求相對不高，課時安排受到限制，因此需要在比較少的時間內講解盡可能多的知識。在實際教學中，一些教師往往把重點僅僅放在軟件操作上而忽略有限元理論講解，使得學生操作時只能靠機械記憶，無法與所學過的理論知識融會貫通，不利于學生對軟件的更深一步理解。所以在教學中應該采用有限元理論與軟件操作并重方式教學，教師可以建議學生去看一些書籍、論文，爭取學生在畢業設計結束后，能夠獨立地完成類似的題目以及難度更高的題目，同時具備一定的理論自學能力與較強的軟件操作能力。

2.2 從課程設計開始注重CAE分析軟件的應用

軟件的學習往往在應用中會更容易掌握，尤其對固有的流程、方法與技巧而言，必須經過實際操作才能得心應手。目前在材料成型及控制工程專業課程設計中，往往只注重利用手冊與公式計算來設計模具，并不強調CAE技術的應用，只是把CAE技術的應用放到畢業設計環節來實現，那么大部分同學會因為基本功能操作的生疏，而對軟件的應用失去興趣與耐心，很難達到CAE分析所驗證設計方案可行性并指導優化設計的效果。因此在培養方案中可注明將CAE分析加入到課程設計中，從專業課程學習伊始就注重CAE分析的應用。如在課程設計中提出CAE分析應用的建議并給出應用方法與流程，但不作為必須考核內容，而作為額外加分的評估條件，以引導學生提高對CAE技術應用的積極性。

2.3 增加CAE分析在畢業設計中指導與考核比重

CAE技術在以沖壓模具和塑料模具為課題的畢業設計中有著重要的作用，可以有效減少設計過程中設計—修正—再設計的循環次數，使初始設計達到或者逼近合用的結果，這在實踐中具有重要意義。在畢業設計中嚴格控制畢業生設計進度，在完成初步模具設計三維造型后，統一進入CAE分析階段，模具結構實現設計—分析—優化—再設計修改的循環的設計過程。采用集中時段進行CAE分析模式的好處還在于便于集中指導。另外在本專業畢業設計改革階段，嘗試實行了小組制，將同一分析類型的學生分為若干組，如注塑模具組與沖壓模具組，每一組中分配至少一名能夠熟練運用CAE分析技術的學生，實現互助促進的模式。④

在畢業設計考核過程中，既重視設計說明書中CAE分析內容與結果的正確性與對模具設計的指導性，又注重學生在答辯過程中對CAE技術的理解與應用方法掌握情況，防止發生抄襲或他人代工的現象。

3 總結

CAE分析在材料成型及控制工程專業中的作用是不容忽視的，采用分散課時以及改進授課方法和考核方式，可有效提高本科生CAE技術應用能力，充分利用課程設計與畢業設計的實踐機會，為畢業后工作中熟練應用CAE技術打下基礎。

基金項目或者課題項目：山東科技大學群星計劃資助項目（qx2013221），山東科技大學特色名校建設資助項目

注釋

① 李萌崛，焦鈺，張萬明.CAD/CAE技術在模具設計中的運用[J].科技傳播，2012（12）：134-135.

② 申長雨，陳靜波，劉春太，李倩.塑料模CAE技術發展概況[J].模具工業，2001.239（1）：51-56.

③ 秦升學，任莉新，郝繼東.材料成型計算機模擬本科教學的若干問題與對策[J].青島職業技術學院學報，2010.23（1）：64-64，68.

④ 梁冬玲，邵新妍，周佳，朱士江.關于專業選修課程考核方式的探索[J].科技創新導報， 2009.35：97.