《金屬凝固過程數值模擬》課程的教改探討

劉光磊

摘 要： 隨著社會發展和科技進步，利用計算機進行數值模擬分析已成為材料成型領域研究的新方法。針對當前形勢和發展趨勢，國內高校將《金屬凝固過程數值模擬》這門課作為材料成型專業的一門公共課程。但是，大多數學校該課程教學仍停留在教師“一言堂”或“灌輸式”的教學模式下。基于此，在進一步明確本課程教學內容和方法、課程作用及解決問題的前提下，從理論教學和實踐教學兩大方面提出新的教學思路和方法，對提高課程教學質量有較好的參考價值。

關鍵詞： 凝固模擬 教改 實踐

1.引言

材料成型及控制工程專業是教育部1998年新增的專業，它以材料科學為基礎，有機結合鑄、鍛、焊等加工工藝和計算機應用等相關基礎學科。材料成型專業作為綜合反映一個國家制造技術水平的專業，是促進機械、冶金、汽車、新材料、電器、電子、航天、航空等國民經濟發展離不開領域的支柱專業，其培養的人才是社會未來發展不可估量的力量。隨著人類社會發展和科學技術進步，對材料成型領域產品的精密性、質量、可靠性、經濟和環保等要求越來越高。近年來，計算機技術飛速發展，打破傳統材料成型專業單純依靠反復實驗和理論知識解決生產應用過程中的實際問題的僵局，利用計算機科學中的輔助模擬仿真計算功能儼然成為材料成型研究的第三種重要方法。通過該方法可以在研發過程中對新產品的成型工藝進行仿真模擬、分析計算，避免試制或實際生產過程中出現的問題，為根本上解決產品缺陷問題提供有力依據，從而大大縮短研發周期、降低成本、提高產品質量等，是材料科學研究的前沿領域及熱點方向。

面對這種形勢和發展趨勢，所有高等學校都將《金屬凝固過程數值模擬》這門課程作為材料成型專業的一門公共課程。遺憾的是，長久以來本課程一直處于教師“一言堂”或者“灌輸式”的教學模式下，使得學生的課程興趣下降，嚴重影響教學效果。在國家倡導新一輪課程改革浪潮的背景下，我認為更重要的是培養學生獲取知識的自覺性，提高學生的創新思維和動手能力。針對當前行業發展和社會需求，從多個方面開展研究和探索，爭取為《金屬凝固過程數值模擬》課程的教改提供可行性方案。

2.《金屬凝固過程數值模擬》課的內容和作用

2.1教學內容和方法

金屬凝固過程數值模擬主要是研究金屬材料由液態到固態的相變過程，通過建立正確的數學模型，采用恰當的數值計算方法借助計算機解決這些模型，研究金屬在澆注和凝固過程中的熱量傳遞、質量和動量變化等現象，從而得到反映凝固過程規律或具有實踐指導意義的結果。具體研究對象是：如果說把液態金屬的成型過程稱之為一個體系的話，那么這個體系包括三個部分：鑄件、鑄型和處在的環境和兩個界面：內界面和外界面。上述體系只能稱為簡單體系或簡化體系，實際生產中的體系會更復雜，也就是復雜（精確）體系：在鑄件和鑄型之間還存在諸如氣隙之類的中間層。以各組元之間的熱交換規律分析為例：對于簡單體系而言，只要分析金屬鑄件內部、金屬與鑄型之間、鑄型內部、鑄型與大氣之間的熱交換就可以；對于復雜體系而言，還要分析金屬與氣隙、氣隙內部和氣隙與鑄型間的熱交換，一方面給模擬分析增加了相當大的難度，另一方面分析計算量是成倍增長的，計算機的模擬運算時間會翻倍增加。

通常習慣將金屬材料凝固過程模擬分成以下兩類：第一，宏觀模擬：（1）流動充型場；（2）溫度場；（3）濃度場；（4）應力和應變場；（5）宏觀缺陷預測。第二，微觀模擬：根據上述四個宏觀物理場的計算結果，結合相變規律預測微觀組織形貌及其形核和長大的動態過程，進而預測材料性能。其研究方法包括三種：一是編程和計算機運算實現：（1）模擬對象分析；（2）數學建模；（3）時間和空間的離散化；（4）數值計算方法（有限差分法、有限元法、邊界元法）；（5）線性方程組的求解；（6）圖形化后處理。二是借助商業化的通用工具軟件實現，如ANSYSYS，有二次開發接口，較簡單。主要工作是確定模擬問題的種類和確定單值性條件，重點是CAD建模和網格剖分。三是借助專業化的工具軟件實現，如ProCast，無二次開發接口，適合工程技術人員進行菜單式操作。

當然，凝固過程是一個非常復雜的過程，除了金屬液流動充型動態過程外，還包括金屬與鑄型材料的相互作用、鑄件的形狀特點及金屬冷卻、凝固時其成分、體積變化等一系列伴生現象。我們利用計算機進行模擬的宗旨是獲得高質量的鑄件產品。最理想的狀態是把上述所有伴隨凝固過程而產生實際現象全部納入一個統一的模型中，這樣模擬出的結果更接近實際，也更準確。遺憾的是目前計算機和科技水平還做不到。

2.2課程作用及解決問題

2.2.1預知金屬流動與充型過程

流動充型場模擬可以預測充型過程中的冷隔、澆不足和卷氣傾向，對設計最佳的內澆口、排氣口和澆注溫度、澆注過程具有指導意義。

2.2.2預知鑄件的收縮缺陷與補縮

對于金屬而言，在凝固過程中會發生體積收縮，并有可能由于得不到及時補充而在最后凝固的部位形成孔洞，一般稱為縮孔。如果孔洞很細小，分散分布，又稱疏松。預知鑄件的收縮缺陷與補縮最主要的方法是采用溫度場模擬，如等溫線法、溫度梯度法等判定方法。

2.2.3預知凝固過程中的偏析

鑄件中化學成分不均勻的現象稱為偏析。偏析分為宏觀偏析和微觀偏析。除了單質外，在一般的凝固和鑄造條件下，偏析幾乎是不可避免的。對宏觀偏析的預測采用溫度場、濃度場模擬+相圖等手段進行綜合分析。

2.2.4預知鑄件裂紋

影響鑄件產生裂紋的因素很多，如合金成分、澆注工藝、鑄件形狀、鑄型條件等，給計算機模擬預知工作帶來很多難題。目前，主要是模擬凝固過程中的溫度場、凝固后期鑄件的應力應變狀態及金屬液補縮過程進行判斷。

2.2.5預知微觀組織和機械性能

隨著材料科學的發展，鑄造成型方法越來越多，工藝越來越復雜。如制備同樣成分和形狀的合金鑄件，采用砂型、金屬鑄造得到的同樣鑄件的組織和性能就不一樣，主要是凝固速度不同，所以預知鑄件的微觀組織和機械性能通常要綜合所有模擬的物理場，而且分析起來更專業、更難。

3.教改思路和方法

由于該課程的理論性和應用性較強，因此應強化學生對教學內容的理解接受性，加強學生實際操作能力的培養。

3.1理論教學方面

3.1.1教材選擇和建設

學生對相關理論知識的掌握是后續應用的基礎。目前，廣為應用的模擬軟件大多是基于有限元理論開發的，學生必須學會使用有限元法解決工程應用問題。教學時，優選突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的教材，這里推薦楊全、張真主編的《金屬凝固與鑄造過程數值模擬》一書，該教材內容安排合理、淺顯易懂。另外，要求教師在講課過程中適當增加實例講解，使學生理解有限元求解問題的本質。

3.1.2教學手段現代化和多樣化

打破傳統教學方式，采取現代化、多樣化教學形式，如采用Powerpoint、三維動畫和視頻播放等方式將講課內容做成課件，充分發揮多媒體的優勢，一方面加深學生對難點、重點的理解和認識，另一方面大大提高學生的學習興趣，更便于學生課后復習。

3.1.3增加教師和學生的互動

課堂教學時間畢竟是有限的，再加上每個學生認識理解問題的能力參差不齊，有必要建立一個網絡平臺，如QQ群、微信群、論壇BBS等，便于師生之間利用課后時間進行交流和補充，不但能增進彼此之間的感情，更能培養學生的自學能力和創新意識。

3.2實踐教學方面

3.2.1軟件學習

受課時的限制，本課程的教學重心不會放在軟件教學上，這就要求學生利用課后時間進行。目前凝固模擬軟件大多是國外開發的，使用語言也是英文，如Pro-cast、Flow-3D、Solidcast、ansys、UG、ProE等，為了降低學生的學習難度，一方面要求教師挑選一種軟件在課堂上進行清晰合理的介紹，另一方面可以利用業余時間組織一個短期軟件培訓班，提高學生軟件操作和對模擬結果進行分析的能力。同時，有必要鼓勵學生參加相關軟件的資質考試，使其具備較高的軟件使用能力。

3.2.2課程設計

為了檢查學生對課程內容的理解和掌握情況，結合本課程教學安排一至兩次課程設計。課程設計內容可以讓學生選擇感興趣的零部件生產過程進行模擬分析，教師負責難度把握和協助指導，有條件的學校可以將學生分組進行大型產品模擬設計。整個過程中，要求學生盡量獨立思考、分析問題和解決問題，明確如何使用所學知識，為以后實踐打下堅實的基礎。

3.2.3其他實踐

為了取得良好的學習效果，積極開展學術交流和實踐交流活動。一是聘請國內外高校或企業材料成型領域的教授、工程師做報告，使教學內容和教學水平緊跟國際先進水平，讓學生和教授的綜合素質均得到提高；二是精心組織和鼓勵學生參加各種比賽，如國家級的“挑戰杯”大學生課外科技學術作品競賽、全國鑄造工藝設計大賽，以及學校自己打造的“星光杯”科技文化競賽等；三是支持學生勇于創新，積極申報“大學生科研立項資助項目”，進一步對所學知識進行應用轉化。

4.結語

為了培養出符合時代和社會發展的高素質人才，必須在學生教育和培養環節上進行創新和改革。學生學習凝固模擬這門課的目的是掌握引言中所述的材料研究中的第三種重要方法，解決實際工程問題。因此，絕對不能純粹地把模擬軟件的操作和分析當做本門課的唯一任務學習。在上文論述中，筆者結合工作經驗和教學感悟，提出了對《金屬凝固過程數值模擬》這門課教改的一些建議和想法，希望對材料成型專業課教學有一定的幫助。

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