虛擬仿真技術(shù)在材料成型專業(yè)本科教學中的應(yīng)用

何業(yè)增

[摘 要] 實踐性教學環(huán)節(jié)是材料成型專業(yè)教學體系的重要組成部分，是實現(xiàn)理論知識與實際應(yīng)用有機結(jié)合的重要途徑，對學生的能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高起著極為關(guān)鍵的作用。但是受設(shè)備數(shù)量、成本控制、安全隱患、辦學條件等問題的制約，實踐性教學很難保質(zhì)保量的貫徹落實。針對當前實踐教學中存在的部分問題，虛擬仿真技術(shù)以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用和推廣。主要介紹了虛擬仿真技術(shù)在材料液態(tài)成型、塑性成型、焊接成型等領(lǐng)域的發(fā)展，并探討其在材料成型專業(yè)本科教學中的應(yīng)用。

[關(guān) 鍵 詞] 虛擬仿真；材料成型；本科教學；模擬軟件

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）25-0082-02

高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才。實踐教學與理論教學相輔相成，是實現(xiàn)理論知識向應(yīng)用能力轉(zhuǎn)化的重要途徑[1]。材料成型類專業(yè)范圍涵蓋鑄造、鍛造、沖壓、焊接、粉末冶金、注塑等諸多技術(shù)領(lǐng)域，屬于應(yīng)用性和實踐性較強的專業(yè)。但是，由于該專業(yè)的實驗設(shè)備多為大型重裝設(shè)備，占地面積大，設(shè)備臺套數(shù)少，運行成本高，能耗污染大，加之該專業(yè)社會需求大，學生人數(shù)多，傳統(tǒng)實驗教學模式難以滿足其培養(yǎng)要求[2]。因此，亟須通過一種低成本、安全性高的方式，作為傳統(tǒng)實驗教學的補充和補強。

虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出一個實際存在或正在設(shè)計中的真實情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。它作為理論與實踐結(jié)合的第三種有效手段和方法，目前已成為解決材料成型類專業(yè)實踐的重要手段[3]。材料成型過程模擬也是改變我國制造業(yè)落后面貌的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。在西方先進工業(yè)國家，模擬仿真技術(shù)已逐漸成為材料成型工藝設(shè)計的規(guī)范。美國是虛擬仿真技術(shù)的起源地，在這個領(lǐng)域代表了國際先進水平，也是第一個把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在教育教學中的，目前在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件等幾個方面，形成了一個比較系統(tǒng)的虛擬仿真教學儀器架構(gòu)。在我國，各個大學和研究機構(gòu)也已經(jīng)開始利用虛擬仿真技術(shù)，通過模擬軟件，再現(xiàn)材料成型過程，提高實驗教學的效果。

近年來，虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，模擬軟件層出不窮，非常適合材料成型專業(yè)的實驗教學和研究，其友好的交互界面和虛擬仿真環(huán)境，有利于培養(yǎng)學生在專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實踐能力。在實物實驗條件達不到良好效果的情況下，運用計算機數(shù)字仿真技術(shù)可彌補其不足，提高實驗教學的效果。本文主要介紹虛擬仿真技術(shù)在材料液態(tài)成型、塑性成型、焊接成型等領(lǐng)域的發(fā)展，并探討其在材料成型專業(yè)本科教學中的應(yīng)用。

一、虛擬仿真技術(shù)在材料成型領(lǐng)域的發(fā)展

近20多年來，材料成型過程的虛擬仿真得到迅猛發(fā)展，成為該領(lǐng)域最為活躍的研究熱點及技術(shù)前沿之一。材料成型過程是極其復雜的高溫、動態(tài)和瞬時過程，難以直接觀察。利用虛擬仿真技術(shù)模擬材料成型過程，可預測產(chǎn)品的質(zhì)量，確定最佳的工藝流程，動態(tài)顯示各個物理量的演變歷程和空間分布并提高勞動生產(chǎn)率。目前，虛擬仿真技術(shù)已廣泛用于金屬液態(tài)成型、塑性成型、焊接成型等多個領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)在材料成型中的應(yīng)用，使材料成型工藝從定性描述走向定量預測的新階段；為材料的加工及新工藝的研制提供理論基礎(chǔ)和優(yōu)選方案；從傳統(tǒng)的經(jīng)驗試錯法，推進到以知識為基礎(chǔ)的計算試驗輔助階段；對實現(xiàn)批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好的未來制造模式具有非常重要的意義。

（一）液態(tài)成型虛擬仿真技術(shù)

液態(tài)成型技術(shù)是材料通過改變物理狀態(tài)，實現(xiàn)“固態(tài)—液態(tài)—固態(tài)”的轉(zhuǎn)變，一次性成型來完成產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過程。其成型工藝過程復雜，生產(chǎn)周期長，影響因素眾多，質(zhì)量難以控制。而計算機的迅速發(fā)展使解決這些長期阻礙鑄造生產(chǎn)發(fā)展的問題成為現(xiàn)實。虛擬仿真的目的就是要對鑄件形成過程各個階段的場的變化進行準確的計算以獲得合理的鑄件形成的控制參數(shù)，其內(nèi)容包括溫度場、流場、濃度場、應(yīng)力場的計算。目前液態(tài)成型計算機模擬技術(shù)主要包括四部分內(nèi)容：凝固過程數(shù)值模擬、充型過程數(shù)值模擬、熱應(yīng)力及殘余熱應(yīng)力數(shù)值模擬和微觀模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)從熔體到零件完整過程的模擬并對可能出現(xiàn)的缺陷進行預測。

（二）塑性成型虛擬仿真技術(shù)

塑性成型中涉及復雜的物理現(xiàn)象和模具形狀，難以進行精確的理論分析。如何及時和正確地評價工藝和模具設(shè)計的可行性，以保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，還沒有得到很好解決。塑性成型過程的虛擬仿真技術(shù)是在計算機上對金屬塑性成型過程進行實時跟蹤描述，并通過計算機圖形系統(tǒng)演示整個過程的技術(shù)。其目的在于通過建立分析模型對金屬的變形、應(yīng)力、應(yīng)變和組織等進行仿真，實現(xiàn)對工藝過程、毛坯形狀以及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。它能縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長模具壽命，降低生產(chǎn)成本。在國內(nèi)外，塑性成型數(shù)值模擬已成為某些大型企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)鏈條中不可缺少的環(huán)節(jié)，同時數(shù)值模擬對優(yōu)化已有產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝同樣具有重要意義，如美國福特、通用汽車公司在開發(fā)新車型時，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，德國應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對質(zhì)量為400 t的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進行校核、優(yōu)化，確保一次制造成功。

（三）焊接成型虛擬仿真技術(shù)

焊接是一個涉及電弧物理、傳熱、冶金、力學和材料學等多學科的復雜的物理-化學過程。焊接中的電、磁、傳熱和金屬熔化、凝固、相變等現(xiàn)象對焊接結(jié)構(gòu)或焊接產(chǎn)品的質(zhì)量影響極大。由于金屬焊接成形所涉及的可變因素繁多，因此，單憑經(jīng)驗積累和工藝試驗來控制焊接過程，既費力費時，又增加成本。在計算機技術(shù)的支持下，利用一組描述焊接基本過程的數(shù)理方程來仿真焊接中的電、磁、傳熱和金屬熔化、凝固、相變，以及應(yīng)力、應(yīng)變等現(xiàn)象，然后借助數(shù)值方法求解這些數(shù)理方程，從而獲得對焊接過程及其影響因素的定量認識，這就是所謂焊接過程的虛擬仿真技術(shù)。一旦實現(xiàn)了各種焊接現(xiàn)象的計算機模擬，就能夠在此基礎(chǔ)上先期預測和控制焊接質(zhì)量，優(yōu)化焊接工藝、焊接參數(shù)和焊接結(jié)構(gòu)，有針對性地解決焊接加工中的實際問題。

二、虛擬仿真教學活動

隨著時代的發(fā)展，材料成型工藝與計算機模擬技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，而這方面人才還十分匱乏。作為教師，應(yīng)認識到虛擬仿真教學在新工業(yè)技術(shù)革命人才培養(yǎng)中的潛在作用。中國礦業(yè)大學材料學院前期已進行了材料成型虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展探索，開設(shè)了數(shù)值模擬基礎(chǔ)課程有限元分析基礎(chǔ)、物理建模課程UG模具設(shè)計和計算機模擬課程材料成形過程數(shù)值模擬仿真。可有效地將有限元分析的基礎(chǔ)理論與實驗過程有機結(jié)合，利用UG建立模型，進而對材料成形過程進行模擬仿真，實現(xiàn)“理論—建模—模擬”一體化發(fā)展。

在傳統(tǒng)的教學模式中，理論課與實驗課是分離的，這就導致技能訓練得不到及時的理論指導，而理論課也沒有結(jié)合生產(chǎn)、生活實際，使得學生的技能掌握不到位。工科類的專業(yè)知識體現(xiàn)在書本上內(nèi)容枯燥且晦澀難懂，理論強，深入理解困難，也使大多數(shù)學生還沒開始學習便產(chǎn)生畏難情緒，而且單純的理論講解和灌輸很難使學生真正理解這門課程。但是利用虛擬仿真輔助教學后，教師可以把枯燥復雜的理論及工藝用圖像或動態(tài)模擬的形式形象直觀地展現(xiàn)給學生，而且圖像能把很大篇幅的文字用簡單易懂的形式表現(xiàn)出來，如在講解材料拉伸變形時，可以利用模擬仿真視頻來介紹變形過程以及控制變形的措施，這種直觀化和可視化的效果使難記憶的專業(yè)知識變得簡單易懂，加深了學生印象，促進學生更好地掌握專業(yè)理論知識。另外，金屬塑性成型中涉及復雜的物理現(xiàn)象和模具形狀，難以進行精確的理論分析，此時通過虛擬輔助可以有效解決這個問題，可以通過計算機圖形系統(tǒng)演示整個過程，對金屬的變形、應(yīng)力應(yīng)變和組織等進行仿真，實現(xiàn)結(jié)果優(yōu)化，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

通過理論教學和實驗教學的結(jié)合，學生學到了虛擬仿真過程的基本理論以及材料成型過程中的溫度場、應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)值模擬，進一步將課堂上所學到的理論知識與實踐有機結(jié)合起來。在此過程中，不僅取得了良好的教學效果，學生的綜合素質(zhì)得到了提升。通過計算機軟件的設(shè)計、繪圖、模擬分析結(jié)果以及做出的動畫效果，學生會在學習過程中獲得成就感，提高學生對學習的興趣，同時可以培養(yǎng)學生查閱文獻、分析總結(jié)和獨立解決問題的能力。這種教學方法生動形象，改變了傳統(tǒng)“灌輸式”教學模式，很接近現(xiàn)實工作場景，有利于提高學生興趣，使教和學都得到了改善。針對我校材料成型專業(yè)的教學特點，通過在理論課程中加入虛擬仿真方法介紹、舉辦虛擬仿真相關(guān)的軟件培訓、指導學生參加全國鑄造大賽等教學方式指導學生學習虛擬仿真，加強教師的主導作用，強調(diào)實踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的能力為中心，使學生通過虛擬仿真教學建立起對材料成型專業(yè)的直觀認識，使學生能夠熟悉今后所從事的主要工作方向，提高學生的工程訓練水平和實踐應(yīng)用能力。

虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于材料液態(tài)成型、塑性成型、焊接成型等各種領(lǐng)域，它在材料成型中的應(yīng)用，使材料成形工藝從定性描述走向定量預測的新階段。在新工業(yè)技術(shù)革命的大背景下，虛擬仿真教學的開展與建設(shè)將有效促進復合型科研人才的培養(yǎng)，為新型產(chǎn)業(yè)輸送技術(shù)型人才，促進外延學科的協(xié)同人才培養(yǎng)。本文著重介紹了材料成型虛擬仿真技術(shù)，并初步探索了新形勢下材料成型專業(yè)虛擬仿真教學的思路和方法，相信通過不斷的改進與完善，并加強與其他高校的合作與交流，虛擬仿真教學在創(chuàng)新型人才素質(zhì)教育中發(fā)揮的作用將更加顯著和重要。

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