虛擬仿真技術在材控專業綜合實驗中的應用

呂東莉 張濤

摘要：本文從材料成型與控制專業培養的目標與特點出發，總結以往教學及實驗中的一些經驗，探討了將虛擬仿真應用到專業綜合實驗教學中的必要性。結合近年來綜合實驗教學實踐發現，將虛擬仿真技術引入到材料成型與控制專業綜合實驗中，培養了學生綜合運用專業知識與工程實踐的能力，教學效果明顯。

關鍵詞：虛擬仿真;專業綜合實驗;材料成型與控制;實踐

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）46-0226-02

一、前言

隨著人類社會的發展和科學技術的進步，傳統的單一專業的技術型人才已經不能滿足社會發展的需要，而需要具備材料成型加工工藝及模具、成型加工設備及自動控制等知識和能力的應用型綜合人才。加快材料科學與工程教育的改革，培養能夠適應社會快速發展，并能持久地為我國材料技術和經濟發展服務的創造性人才已迫在眉睫[1-2]。實驗教學是教學活動中的關鍵環節之一，它不僅是對理論教學的驗證、補充和拓展，而且還是培養學生的創新能力、實踐動手能力和發現并解決實際問題能力的重要途徑，已經越來越受到人們的關注。傳統的材料成型與控制專業教學中實驗教學和實踐環節嚴重滯后，為此西南石油大學材料科學與工程學院調整教學計劃，讓學生基本完成了專業基礎理論課程的學習和專業方向課程實驗的基礎上進行專業綜合實驗，通過專業綜合實驗的開展，加深了學生對材料成型與控制專業理論知識的理解與掌握，更為重要的是可以使學生將已學的各門課程的知識聯系起來，并加以綜合運用。

二、材料成型與控制專業綜合實驗的實施

根據專業培養目標要求，我校材料成型與控制專業建立了符合工程教育規律的教學體系，構建了材料成型各專業方向所需知識和技能平臺實驗教學體系，即專業課程基礎實驗、專業綜合實驗、研究與創新實驗三層次的實驗教學體系。其中專業綜合實驗是將專業基礎理論及實驗方法有效地融合后開設的實驗，學生在開展綜合實驗過程中不再孤立地進行各專業模塊操作，而是將專業模塊有機地結合起來，使材料成型與控制工程專業的學生具備進行合成制備工藝的初步設計、工藝與性能關系、結構與性能關系的綜合訓練[3]。

三、虛擬仿真技術在材控專業綜合實驗中的應用

1.虛擬仿真技術應用的目的。隨著近年來材料工業的不斷發展，材料成型及控制專業也已經遠遠超出傳統熱加工的范疇，已經形成了一個從材料加工的基礎理論知識開始，進而對材料成型的形狀控制、組織結構控制、性能控制和生產過程控制，能夠完成模具計算機設計及制造、材料成型計算機仿真與控制、新材料、新產品工藝的開發等的完整體系。材料成型與控制專業是一個連接材料科學與實際工業應用的橋梁。正是由于這種“橋梁”的特點，要求該專業的學生特別注重理論和實踐相結合，能夠在學習的過程中做到多動腦，多動手，細體會。在專業綜合實驗教學中，由于材料成形過程是極其復雜的高溫、動態和瞬時過程，難以直接觀察，材料成型與控制專業的虛擬仿真實驗可以開展高危、高成本、極端條件下的材料制備、分析及加工的虛擬仿真實驗，可以使學生直觀明了地了解材料成形的全過程，形象具體，相似度高，起到理論聯系實踐的學習效果引導學生興趣，這樣就比單純理論和實驗研究做得更深刻、更全面、更細致，甚至還可以進行一些理論和實驗目前暫時還做不到的研究。

2.虛擬仿真技術應用的條件。在當今計算機技術的快速發展及大范圍推廣應用的條件下，學生日常生活、學習、科研工作中越來越離不開計算機這個重要的工具。為了讓學生能夠更充分有效地利用計算機，近年來，西南石油大學材料科學與工程學院逐步開設了有限元理論和數值模擬類課程，使學生理解虛擬仿真解決問題的基本思想，購買了大型有限元軟件DEFORM、JSCAST和SYSWELD等軟件，形成了完善的教學體系，取得了很好的教學效果。針對材料學科特點材料成型與控制專業開設了計算機相關教學內容：

（1）計算機輔助工程。隨著計算機技術及應用的迅速發展，使計算機圖形學、計算機輔助設計與計算機輔助制造等新技術得以十分迅猛地發展。計算機輔助工程可以包括工程和制造業信息化的所有方面，對材料成型加工過程進行模擬，能及早發現工藝及模具的設計缺陷，并能對加工產品運行的可靠性進行模擬及評估。開設的計算機輔助工程的相關實驗，把CAD與CAE技術結合起來，通過這些實驗，讓學生親身體會到計算機在工程實際中的應用，學生可以完成相關材料成型工藝設計，并通過有限元分析等手段校核設計結果，并通過結果分析進而進行工藝及模具的優化設計。

（2）材料加工過程的數值模擬。通過上機模擬實驗，學生利用掌握的有限元理論進行對材料加工過程進行相關物理場的分析計算。

液態金屬充型過程的計算機模擬：液態成形過程的計算機模擬已由形狀尺寸的宏觀模擬進入微觀模擬階段。通過對液態金屬凝固過程的建模與分析，可以模擬得出凝固組織相形態、凝固過程中晶粒度的變化、凝固過程中微觀缺陷的種類及出現的位置，最終可以依據這些內容對鑄造工藝進行優化設計。鑄造仿真軟件JSCAST可進行幾乎所有的鑄造工藝過程模擬，包括：壓鑄、重力砂鑄、金屬型鑄造、半固態鑄造等。可以對鑄件成形過程中流場、溫度場進行模擬，并能夠預測鑄造過程中的缺陷;從而對鑄造過程中所涉及的工藝參數和工藝方案等做出評價和優化，達到降低試生產次數、減少模具費用，提高批量生產的產品品質和成品率，最大可能地節省能源、降低成本。

塑性成形的計算機模擬：金屬塑性加工的變形過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程。對金屬塑性變形過程中金屬流動特點、組織轉變規律、缺陷的種類及產生部位的判斷往往是依據工程師經驗的積累，因而一些復雜的產品的成型加工質量難以保證。隨著金屬塑性成形技術的日益發展，人們意識到金屬材料的塑性變形規律、模具與工件之間的摩擦現象、材料中溫度的變化和微觀組織的變化對產品質量都有很大影響，人們對金屬塑性成形過程中的變形規律、變形力學的分析越來越重視。塑性成形過程的計算機模擬是利用計算機技術上對金屬塑性成形過程進行多物理場的分析，并通過計算機圖形系統將求解的各物理場結果進行演示，如圖1所示。用塑性加工過程模擬可以實現的功能很多，例如揭示塑性加工過程，建立變形、力學參數和溫度等的函數關系，制定最佳工藝過程及制度，設計最佳設備結構和參數，用于求解金屬變形過程中各物理場的分布規律，進行模具受力分析及壽命預測，預測金屬的成形缺陷類型及產生部位。

焊接過程的計算機模擬：焊接是兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結合和擴散連接成一體的工藝過程，該過程是涉及傳熱傳質及力學等的復雜過程，實際生產過程的影響因素也非常多，單純進行理論分析很難準確地解決生產實際問題。通過焊接過程計算機模擬技術，可以定量分析焊接過程中各因素對焊接質量的影響規律。通過焊接過程的計算機模擬可以分析焊接熱傳導、焊接熔池中的流體動力學、焊接電弧的傳熱傳質過程、焊接變形和殘余應力的預測分析等。焊接模擬軟件SYSWELD完全實現了機械、熱傳導和金屬冶金的耦合計算，考慮晶相轉變及同一時間晶相轉變潛熱和晶相組織對溫度的影響。

四、效果

通過將虛擬仿真技術應用到專業綜合實驗中，使學生對本專業的專業技能、加工設備及工藝等方面的情況有較為全面的了解，能將課堂所學的理論知識付之實踐中，取得了良好的效果。

1.綜合素質得到提升。不僅鍛煉了學生的觀察能力、分析能力、動手能力，提高了綜合應用知識的能力，而且讓學生領會了分工合作的團隊精神和鍛煉了協調處理技術問題和人際關系的能力，使學生得到了真正意義上的綜合鍛煉。

2.積極性和主動性得到加強。綜合實驗增強了他們吃苦耐勞的精神、克服困難的勇氣和對專業的興趣和自信心。

3.教學相長。學生在實驗中會遇到各種各樣的問題，有些問題需要教師深入思考來解決。因此，這使得教學與實踐更緊密地結合，促進教師專業知識的提高。

五、結論

將虛擬仿真技術用于材料成型與控制專業的綜合實驗中，可以很好地解決實驗教學、科研項目方面的一些問題，使材料成型與控制專業的學生在學習相關專業理論知識的基礎上，將工業生產實際與理論很好地結合起來，使學生在綜合應用基礎理論知識、獨立解決工程問題和提高自身創新等能力方面得到系統訓練和提高，通過近幾年的教學實踐證明，實驗教學特色、實驗教學成果和效果、學生第二課堂活動等方面取得了豐碩的成果。利用計算機虛擬仿真技術為材料成型與控制專業實驗教學服務是今后各個高校研究的重要課題。

參考文獻：

[1]賈俐俐，孔凡新.材料成型及控制工程專業教學改革的探索與實踐[J].南京工程學院學報：社會科學版，2007，4（7）：50-55.

[2]黃貞益.材料成型及控制專業建設探討[J].安徽工業大學學報：社會科學版，2005，（1）：107-108.

[3]吉愛國.綜合性實驗教學模式的探討與實踐[J].實驗室研究與探索，2007，26（1）：94-96.