沖模課程設計教學中計算機仿真技術的應用

錢志平 馬瑞

摘要：針對傳統沖模課程設計教學存在的問題，提出在前期相關課程支撐下，將有限元模擬技術和計算機三維實體造型技術應用在課程設計中，實現了沖壓工藝方案的優化和沖模結構的可視化，提高了課程設計教學質量，培養了學生綜合應用知識解決工程問題的能力。

關鍵詞：課程設計；仿真技術；教學改革

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0208-02

隨著中國經濟發展和“一帶一路”倡議的實施，中國制造業已國際化，工程教育面臨著制造業全球化和工程教育國際化的雙重挑戰。工程教育質量的提高對本科畢業生就業競爭力起著重要的作用[1]。板材沖壓企業同樣面臨日益激烈的市場競爭，要求從業者具有良好的綜合素質如利用現代工具、快速分析解決問題的能力。

沖模課程設計是材料成型及控制工程專業課程體系中，培養學生綜合應用工程知識、解決復雜工程問題能力的重要實踐環節[2]，工程教育的畢業生應具有使用現代工具的能力[3-4]，時代要求將計算機仿真技術引入專業課程設計教學中，以提高學生工程素養和創新能力，為學生今后從事沖壓行業的生產和管理工作奠定良好的基礎。

一、傳統課程設計教學缺乏仿真技術使用

傳統沖模課程設計教學，要求每個學生完成一套單工序模或復合工序模圖紙設計，繪出1.5張A1模具裝配圖和典型零件圖、并撰寫設計計算說明書。在課程設計結束時，指導教師根據學生模具裝配圖、零件圖紙完成的質量和撰寫的設計計算說明書以及答辯回答問題情況，進行成績評定。這種教學方法存在以下問題：

1.CAD技術使用不足。在課程設計過程中，學生以手工繪圖為主，計算機輔助設計不足，模具裝配圖和零件圖均為平面二維圖紙，直觀性差。而目前企業在裝配圖中廣泛采用三維實體軸測圖和顯示裝配關系的爆炸圖。

2.設計方案優化不夠細致。學生在設計過程中對設計方案的比較，只能通過手工進行簡單的工藝計算，方案優化不夠細致，不能充分考慮到材料、摩擦、邊界條件等因素的影響，合理性分析不足。計算機輔助優化分析CAE技術沒有被使用，而該技術在汽車、航空航天及機械結構等領域現已成為工程和產品分析必不可少的數值計算工具。

3.設計的完整性欠缺。因傳統沖模課程設計教學為兩周，學生選定設計方案后，參考相關模具設計圖冊，只能完成裝配圖和凸凹模等幾個典型零件圖，其余零件的具體形狀及相互間的裝配關系不甚清楚。

4.學生學習主動性不夠。因課程設計過程比較枯燥，學生各自完成設計任務，缺乏趣味性，同學間沒有相互協作、共同學習、交流探討問題的過程，多數學生學習態度一般，不能主動學習，個別甚至出現抄襲現象。

為適應日新月異的技術進步，提高學生現代技術的應用和解決工程實際問題的能力，必須改革本課程的教學模式。

二、仿真技術在課程設計教學應用的條件

計算機仿真技術具有經濟、安全、可重復和不受氣候、場地、時間限制的優勢，廣泛應用在機械制造、航空航天、交通運輸、經濟管理、軍事模擬等領域。

工科學生應該掌握計算機仿真技術的基本原理和方法，為此專業的課程體系確定在沖模課程設計前，開設彈性力學基礎及有限元法和計算機輔助設計兩門課程。在兩門課程的教學過程中，圍繞課程設計進行了必要的能力訓練。

彈性力學基礎及有限元法課程講授有限元方法的基本原理，培養學生掌握常用軟件實體建模、網格劃分以及邊界條件施加的方法，要求學生初步具備工程問題有限元模擬和對模擬結果分析解釋的能力。

計算機輔助設計課程培養學生掌握零件三維實體造型、零件裝配及其約束施加的方法，使學生初步具備工程三維零件裝配、模型的運動仿真和動畫視頻制作技術，掌握模型爆炸圖的生成方法。

通過上述課程的能力培養和課內實踐應用，學生具備了課程設計中使用計算機仿真技術的能力。

三、仿真技術在課程設計教學的實踐

為提高學生綜合運用知識解決復雜工程問題的能力，在課程設計內容上加入沖壓件成形工藝模擬、模具三維實體造型、模具運動仿真等內容，要求學生將計算機仿真技術具體應用在這些環節。同時沖模課程設計學時增加到四周，學生每四人組成項目組，圍繞不同的題目，如典型拉深模、彎曲模、復合沖裁模和沖孔翻邊模設計等，合作完成項目，培養學生團隊合作和溝通能力。

1.工藝方案更符合實際。學生通過有限元軟件模擬動畫演示，可直觀看到沖壓成形變形過程及變形區的應力、應變變化，修改有限元模型，如改變成形工藝、摩擦條件、壓邊力大小等因素，可方便地重新進行模擬仿真，通過比較得出優化的設計方案。

2.模具設計更全面。學生對模具的各個零件三維實體造型并裝配，利用軟件的運動仿真模塊可對裝配好的實體模具實現三維動畫模擬仿真演示，在此過程中判斷是否出現干涉現象以及其他設計方面的問題，如成型的零件或廢料是否可以順利取出或頂出等。據此學生可清楚理解模具的各組成部分及功能，通過發現的問題修改完善模具，提高了設計質量和完整性。

3.學習的積極性提高。將仿真技術引進沖模課程設計后，學生通過工藝模擬和運動仿真能直觀可視地理解沖壓生產，增加了學習的趣味性，同學間主動交流探討問題，學習熱情高漲，同時模具三維設計和仿真的完成也提高了學生的自信心和成就感。

四、結語

從行業對人才的能力需求出發，按照以學生為主體，教師為主導，主動學習和實踐為核心的“做中學”教學理念，將仿真技術引進沖模課程設計。經過3年的實踐，提高了學生的綜合素質，達到了較好的預期效果，實現了理論和實踐的有機融合。

參考文獻：

[1]王孫禺，趙自強，雷環.國家創新之路與高等工程教育改革新進程[J].高等工程教育研究，2013，（1）：14-22.

[2]錢志平，馬瑞，金淼，等.基于OBE理念的材料成型及控制工程專業畢業要求及課程體系構建[J].教學研究，2017，40（6）：83-85.

[3]李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014，（17）：7-10.

[4]瞿振元.推動高等工程教育向更高水平邁進[J].高等工程教育研究，2017，（1）：12-16.