CAE技術在材料成型及控制工程專業教學中的應用

朱磊+張欣+林紅旗

摘要：材料成型行業是制造業的核心產業，目前材料成型行業特別是鑄造行業對應用型CAE人才的需求迫切。我校不僅將鑄造CAE技術作為一門課程開設，還將CAE技術融入到材料成型及控制工程專業教學的各個環節，提升了教學效果，提高了學生的綜合工程能力，是一種有效的應用型人才的培養模式。

關鍵詞：CAE技術材料成型及控制工程專業鑄造方向

材料成型行業是是國民經濟發展的支柱產業，是制造業的核心產業。材料成型及控制工程專業是機械工程類專業，是機械工程與材料科學與工程的交叉專業，是理論性與實踐性要求都很高的，寬口徑、多方向的專業，主要研究對象是熱加工工藝，包含四個主要的專業方向：鑄造成型、塑性成形、焊接成形、塑件成型。

南陽理工學院是一所地方性應用型本科院校，材料成型及控制工程專業是學校2012年新增的專業，專業開設的初衷就是服務南陽市材料成型行業。南陽市的材料成型行業發達，其中鑄造行業占主導地位，我校材料成型及控制工程專業的辦學定位就是以鑄造為主，兼顧鍛焊及塑件成型。

一、專業培養目標及核心課程

由于鑄造行業的特殊性，社會急需從事鑄造成型及質量控制的技術人員。企業對于從業技術人員不僅要求掌握材料學科的基礎理論知識，如冶金傳輸原理、材料成型原理等，還要求具備大量機械類專業的基本能力，如模具設計及加工能力。專業的畢業生主要從事鑄造企業的生產過程控制、技術開發、經營管理、貿易營銷等方面的工作。

我校材料成型及控制工程專業的培養目標是具備鑄造工藝、模具設計和制造知識，具有較強的工程實踐能力及創新精神，能在鑄造生產第一線，從事合金熔煉、工藝工裝的設計制造、技術開發、企業管理和經營銷售等方面工作的應用型高級工程技術人才。專業的核心課程圍繞著合格鑄件的生產流程開設，主要有《冶金傳輸基礎》、《材料成型原理》、《鑄造合金及其熔煉》、《鑄造工藝學》、《特種鑄造》、《鑄造模具設計》等。

二、CAE技術在鑄造領域的應用

CAE，計算機輔助工程的簡稱，是利用計算機的數值計算技術對工程問題進行分析的技術，又稱為數值模擬技術。目前CAE技術已經逐漸應用在制造業的各個領域，深刻地影響和改變著傳統制造業的生產模式。

傳統的鑄件生產方式，主要是根據經驗進行設計，然后試生產再反復的調整修改工藝方案，直到生產出合格的鑄件。這種生產模式依靠技術人員的經驗和不斷的試錯生產，新產品研發周期長、生產成本高、勞動強度高、生產效率低。

鑄件生產的主要包括兩個主要過程：金屬液體流動充型過程和金屬液體冷卻凝固過程，其生產過程涉及流場、溫度場、應力場等多物理量的耦合計算，是CAE技術中的難點。鑄造CAE技術主要用來模擬鑄件的生產的流動充型及冷卻凝固，主要目的是預測冷隔、澆不足、夾砂等澆注充型缺陷以及縮松縮孔等冷凝缺陷，為制定合適的澆注工藝和設計合理的澆冒系統提供科學的依據。通過采用鑄造CAE技術，可以將原先在生產車間進行的反復試錯過程，轉移到計算機上模擬進行，極大的縮短了研發周期，降低了研發成本。

早期CAE技術在在鑄造領域的應用受限于算法及計算機運算能力，一直未得到推廣應用。近些年，隨著計算方法的成熟及計算機技術的飛速發展，CAE技術在鑄造領域的應用不斷的擴大和深入，已經逐漸成為鑄件設計及生產中的核心技術手段和必備工具。能夠熟練應用CAE技術的技術人員的缺乏已經嚴重制約了國內鑄造行業的升級換代和轉型發展。

鑄造工藝CAE包含傳熱學、流體力學、材料力學、凝固理論、數值分析、圖形學等多個學科門類，是材料成型領域的研究熱點。目前國內主流的CAE鑄造模擬軟件軟件有法國ESI公司的ProCAST，德國的MAGMA、韓國的Anycasting、華中科技大學的華鑄CAE等。我校材料成型及控制工程專業根據周邊企業的要求，結合專業發展的需要，購置了ESI公司的ProCAST，并將其大量應用在材料成型及控制工程專業的教學環節中。

三、CAE技術在課程體系中的應用

我校是一所應用型本科院校，培養的畢業生主要面向生產技術一線，應用型鑄造CAE人才，首先必須懂鑄造工藝，具備鑄件制造的相關的理論知識和鑄造模具設計加工的實踐能力，然后才是CAE技術的掌握。對于鑄造CAE技術的掌握主要體現在能夠使用現有的成熟的鑄造模擬軟件解決具體的鑄造生產中的工程問題，而不是研究CAE理論算法，開發新的CAE軟件，即“重在應用，輕在理論”。這里的理論主要是指數值算法和計算機技術開發等與鑄造生產直接關聯度較低的理論。

（一）課程體系的安排

材料成型及控制工程專業的課程體系設置如下：一年級主要是通識平臺課程，專業課程只有最基礎的《機械制圖》；二年級開始進行專業平臺課程，如《冶金傳輸基礎》、《材料成型原理》；三年級主要是專業方向模塊課程，鑄造方向的核心課程基本都在大三開設，如《鑄造合金及其熔煉》、《鑄造工藝學》、《特種鑄造》、《鑄造模具設計》、《模具制造技術》等；四年級的課程以實習、實訓、綜合演練等實踐環節為主，輔以專業選修課，如《焊接技術基礎》、《鍛壓技術基礎》、《塑料模具設計》等。其中講授CAE軟件ProCAST使用的教學環節《鑄造工藝CAE實訓》在第六學期下半學期采用實訓的方式，在計算機中心進行，并在大四的綜合實訓和畢業設計環節大量利用軟件進行工程訓練。

（二）CAE技術在理論教學中的應用

材料成型及控制工程專業的基礎理論課程《冶金傳輸基礎》、《材料成型原理》內容比較枯燥，但是在整個知識體系中地位非常重要。一些基本概念、基本規律對于剛接觸專業課學習的學生來說，比較難以理解，容易產生學習倦怠。為了解決這個問題，教學過程中，使用鑄造模擬軟件，將死板的理論做成簡單案例直觀的展現給學生，使學生能夠更好的掌握理論，并對軟件的使用有個初步的理解。比如，影響金屬材料流動性的因素，傳統教學方式下，就是一條一條羅列哪些因素對螺旋線長度的有什么樣的影響，學生只能死記硬背。同時，金屬流動性測試的課程實驗需要熔煉合金，危險性比較高，很難將所有的影響因素一一進行對比試驗，只能是對幾個簡單因素進行對比，試驗效果不佳。而采用鑄造模擬軟件進行演示，一方面非常直觀，另外可以隨意改變任何的影響因素，比較全面，這樣可以提升學生的學習興趣，更好的理解基礎理論知識，為后續的專業方向課程學習打下扎實的基礎。

（三）CAE技術在實踐環節的應用

在全部專業方向課程完成的第六學期后期，開設《鑄造工藝CAE實訓》環節。看過大量專業方向課上的演示，學生已經對鑄造模擬軟件有了直觀的印象和認知，直接在計算機中心開設實訓，強化訓練學生對于軟件的使用。實訓包括三部分內容：

（1）簡單介紹CAE技術基礎知識，讓學生了解最基礎的有限元法的思想和模擬計算的基本原理。

（2）講解ProCAST軟件的基本操作和使用，包括網格劃分、邊界條件設置、澆注條件設置、計算參數設置、數據后處理、撰寫鑄造工藝模擬報告等內容。該環節使用簡單案例，采用邊講邊練的方式進行，完成該環節后，學生能夠獨立使用軟件進行簡單模擬分析。

（3）實際鑄造工藝的模擬。分別對重力鑄造、壓力鑄造和熔模鑄造三種南陽市常用的鑄造方式生產的簡單鑄件，進行分析計算，討論不同澆注條件、不同澆注系統設計對于鑄件質量的影響，并撰寫計算結果分析報告。

通過該實訓環節的訓練，學生已經掌握了基本的軟件操作，具備解決簡單鑄造工程問題的能力。在大四的專業綜合實訓和畢業設計環節中，大量使用鑄造模擬軟件對于設計的鑄件及鑄造工藝進行分析，并根據對具體澆注過程和鑄件質量的分析，修正計算參數，從而進一步提升鑄造模擬軟件的使用效果。

通過CAE技術在教學中的應用，提升了學生CAE技術的應用能力，為學生今后的職業發展打下了扎實的基礎。

目前，國內鑄造行業正處于整體行業轉型發展的關鍵階段，對應用型CAE人才的需求迫切，將CAE技術融入到材料成型及控制工程專業核心課程教學活動中，滿足了企業的人才需求，有利于學生對于理論知識的融會貫通，又提升了實踐設計水平，使其綜合工程能力得到進一步的提升，獲得良好的教學效果，是一種有效的應用型CAE人才的培養模式。

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