基于可視化技術的液態成型數值模擬課程創新與改革研究

曹韓學 譙攀 趙建華 謝衛東 游國強 王亞軍

摘 要 針對目前液態成型數值模擬課程中理論教學缺乏直觀動態的工程驗證、學生對教學內容無實感等問題，通過優化教學內容，結合工程應用，建立可視化實時觀察與表征平臺，利用理論學習與實踐驗證相結合的混合式教學，形成適合于材料成型與控制專業研究生實踐創新能力培養的核心課程內容體系和教學模式，以便讓學生更好地認識液態金屬成型過程，深入挖掘液態金屬成型工藝理論知識，極大地提升教學質量。

關鍵詞 可視化技術；液態成型數值模擬；混合式教學；可視化平臺；試樣庫

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）22-0033-03

Research on Innovation and Reform of Numerical Simulation Course of Liquid Forming Based on Visualization Technology//CAO Hanxue， QIAO Pan， ZHAO Jianhua， XIE Weidong， YOU Guo-qiang， WANG Yajun

Abstract In view of the lack of intuitive and dynamic engineering verification in theoretical teaching in the current Numerical Simula-tion course of Liquid Forming， and students lack of real sense of the?teaching content， this article optimizes the teaching content and combines engineering applications to establish a visual real-time obser-vation and characterization platform. Through the mixed teaching combining theoretical learning and practical verification， the core course content system and teaching mode suitable for the cultivation?of practical innovation ability of graduate students majoring in Ma-terial Forming and Control are formed. In order to enable students to better understand the liquid metal forming process， in-depth exca-vation of liquid metal forming process theoretical knowledge， which greatly improves the quality of teaching.

Key words visualization technology; numerical simulation of liquid forming; mixed teaching; visualization platform; sample library

0 引言

液態成型數值模擬技術是以鑄件的液態成型試制過程數值分析模擬及成型缺陷檢測預報技術為核心，旨在設計工藝實施前對重要鑄件或大型鑄件的液態成型工藝數據進行設計驗證，及時進行調整和完善優化所采用的液態成型工藝，從而縮短工藝設計定型周期和試制成本[1]，也是目前在材料成型專業領域利用工業信息化技術發展傳統產業的集中體現，對加快推動材料成型制造行業生產設備現代化，增強中國鑄件系列產品在當前世界市場的競爭能力，具有十分重要的指導意義。

在新構建的研究生材料成型與控制專業課程體系中，液態成型數值模擬課程不僅充分考慮了實際鑄件生產現狀，并且利用現代信息網絡技術改造和創新，推進我國傳統產業工程技術發展，對主要核心專業技術和能力起到支撐、強化作用，并且可以提高畢業生職后持續發展的潛力。本課程的主要技術教學目標是使學生能夠熟練地掌握使用各種計算機數值模擬軟件，利用計算機數值模擬技術對液態成型工藝全過程進行模擬仿真，驗證和優化成型工藝過程，從而提高鑄件品質，與此同時還能降低生產成本和縮短試制周期；學生畢業后具備本領域主要工作崗位要求的系統工程設計能力，為從事本專業相關技術研究打下基礎。然而，目前在研究生液態成型數值模擬課程中，大多采用填鴨式教學，教學模式有些許單一，教學效果并不理想，導致學生在學習過程中主動思考程度不夠，過于依賴計算機數值模擬結果，對模擬結果的準確性缺乏驗證。

鑒于此，本文通過對液態成型數值模擬課程進行教學研究，優化課程的教學內容，建立可視化平臺，改善課程教學環境，通過理論學習與實踐驗證相結合的混合式教學，形成適合于材料成型與控制專業研究生工程實踐能力培養的核心課程內容體系和教學模式，確保研究生培養質量。

1 課程教學內容優化研究

由于液態成型數值模擬課程涉及多方面的內容，如數值模擬技術、材料成型工藝學、模具設計等，該課程也就具備了知識技術面廣、實際應用性強等特點[2]，使液態成型數值模擬課程成為一門兼具理論性和實踐性的綜合性課程。考慮此因素，將原來單一的課程分為兩個模塊，如圖1所示。

理論學習以計算機數值模擬為主，首先著重介紹三維幾何建模技術、有限元分析的概念與基本思想、有限元網格劃分技術、常用的單元類型、有限元分析法中各種載荷的定義等，讓學生熟悉數值模擬的基本理論知識；然后主要介紹幾款液態成型數值模擬的主流商業軟件，如MAGMA、AnyCasting等，使學生了解軟件的功能、基本特性和基本分析流程；最后進行軟件的入門學習和基本操作，以上機操作為主、課堂答疑為輔，讓學生選擇提供的零件對其進行工藝設計后完成數值模擬，在完成此部分內容的過程中遇到的問題在課堂上共同討論解決，通過一些簡單的實例熟悉軟件的界面命令和操作流程。

實踐驗證通過搭建可視化平臺進行，首先介紹可視化技術基本概念與相關知識，然后利用搭建好的可視化平臺，通過高速攝像機對金屬液充型流動過程進行拍攝，并將數據儲存在計算機上。此過程的工藝參數須與理論教學中的數值模擬一致，最后將數值模擬結果與拍攝結果進行對比分析、找出差異。通過此方法不僅可以驗證計算機數值模擬的精度，為數值模擬提供更加準確的邊界條件和工藝參數，還能夠通過對拍攝結果的分析，進一步深化對金屬液體流動模型的使用，更加清晰地認識成型過程中金屬液的流動情況，深入挖掘液態金屬成型工藝理論知識。

2 可視化平臺及試樣庫建設

可視化平臺主要由成型設備、高溫視窗模具、高速攝像系統、光源、控溫設備、計算機及各軟件系統組成，工作原理如圖2所示。將開設有耐高溫窗口的模具安裝在成型設備上，利用高速攝像系統對金屬液的充型過程進行拍攝，并將數據儲存在計算機上，以便后續與計算機數值模擬結果進行對比分析。液態成型的零件多種多樣，不同的零件成型工藝不同，因此需要建立一個具有啟發性、典型性、完整性和綜合性的試樣（模具）庫。但可以通過簡化試樣結構來研究具有一定特征的流動行為，如利用帶有圓形通孔或盲孔的平板試樣來研究鈍形（圓柱）障礙物對金屬流動行為的影響，利用弓形試樣來研究金屬液充型過程中遇到直角型腔結構時的流態變化，利用階梯平板試樣來觀察變截面型腔結構對流動的影響[3]。課程建設團隊依托企業、研究院等資源，結合校內導師承擔的科研項目，以修訂后的課程教學大綱為準則，以現有相關行業標準和規范為依據，以提升學生實踐及創新能力為目標，構建形成涵蓋不同難易程度鑄件類型的案例教學資源庫，為課程案例教學和培養學生綜合能力奠定資源基礎。隨著可視化平臺及試樣庫的建立，課程理論學習與實踐驗證相結合的教學模式得以實現，也為課程案例教學及驗證提供了硬件平臺。將學習知識的地方從教室搬進實訓場地，不僅豐富了教學場地，也為課程綜合運用多種方式教學，進行課程教學模式改革提供了良好的硬件支撐，課程教學環境和條件得到極大程度的改善。

3 教學模式改革

該課程之前采用的是理論案例教學和課程案例分析相結合的教學模式，通過課程案例分析使學生對液態成型數值模擬有了基礎性的認識，但依然是以課堂理論講解內容為主，不利于培養學生掌握工程理論實踐能力和科研創新能力。針對原教學模式的不足，根據該課程的教學目標及具體要求，教學模式需作出一定的改變。筆者根據課程內容體系構成重要性和特點，結合教學實踐，形成理論學習與實踐驗證相結合的混合式教學模式。利用建成的可視化平臺及試樣庫，將傳統的理論教學模式變為理論學習與實踐驗證的混合式教學模式，使學生進一步深化對金屬液體流動模型的使用，更加清晰地認識到在成型過程中金屬液的流動情況，深入挖掘液態金屬成型工藝理論知識。同時使學生能夠熟練地學習掌握本專業領域成型工藝設計的基本內容、具體步驟、規范技術要求和常用技術手段，并且具備未來專業工作崗位要求的綜合能力。

課程教學組織分為理論學習、小組討論分享、實踐驗證三部分。課程前期是由教師主講的理論學習，學生通過教師的講解對該課程相關的知識有了初步的了解。教師在每一堂課的授課完成后布置課后思考問題，學生以小組為單位，針對思考問題，通過查閱文獻、小組討論、尋找答案、制作PPT，與全班同學進行探討，理論學習與小組討論分享穿插進行。理論學習完后進行實踐驗證。在實踐驗證前，學生從建成的試樣庫中隨機抽取試樣進行工藝設計，獨立完成該試樣的工藝設計。教師監督輔導，確保數值模擬使用的參數與可視化平臺驗證的參數一致。

全新的混合式教學模式綜合運用案例講解、課堂演示、分組討論、實踐驗證等多種教學方法，可以有效激發學生的學習興趣。多種教學方法的綜合運用使學生的專業能力、學習能力、實踐能力和創新能力都得到提高。

4 課程考核方式改革

課程的考核方式對于學生的終身學習發展具有強烈的價值導向作用和有效促進作用[4]。傳統的課程考核方式一般為期末閉卷考試，但是對于數值模擬這類課程的考核，這種考核方式并不完全適用。在試卷上作答不能很好地反映學生的創新設計、模擬仿真分析能力以及軟件設計運用、繪圖操作技巧的熟練程度。為了強化學生學習效果，本著展現全面、突出重點的原則，液態成型數值模擬課程的考核方式打破傳統的課程考核方式——期末閉卷考試，改革為由課堂出勤率、平時作業、互動問答、課程論文成績組合而成的復合成績，全方位對該課程進行考核。課程總評成績由各考核成績組成部分經加權求和得到，各考核成績權重根據其重要程度確定，其中課程論文中的數值模擬結果與可視化平臺驗證結果的對比分析尤為重要。

5 結束語

計算機數值模擬技術近年來發展尤為迅速，其本質內涵和外延技術都在源源不斷地更新，實際教學過程中應本著追求高起點、高水平，服務社會與科學的基本原則，在課程體系的設置上，在課程教學內容、教學模式的探索上，在課程考核方式的改革上，堅持與時俱進、融合創新、應用實踐的教學理念，提高教學質量，提升學生的實際綜合應用能力。在液態成型數值模擬課程中引入可視化技術，教學中基于實際生產過程，理論聯系實際，堅持“因材施教，注重能力，鼓勵實踐與創新相結合”的教學指導思想，探索并實施開放自主式、科學研究性教學新模式，著力探索理論學習與實踐驗證相結合的混合式教學方法，進行教學理念的改革與探索，將教授講解改革為實踐應用，將填鴨式教學改革為教師監督引導，將理論知識教學改革為理論知識研究，著重建設學生在學習過程中理論聯系實際的良好學風。通過改革，課程教學中的學生的主動性與參與度明顯提高，學生的自主分析能力、科學研究能力也大幅度提升，極大地提升了教學質量。

參考文獻

[1]張光明，王澤忠，傅駿.“鑄造工藝CAE技術”課程改革實踐[J].機械職業教育，2013（8）：35-37.

[2]余玲，彭必友，肖兵.CAD/CAE軟件應用課程的改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2015（21）：95-96.

[3]龔舉波.鋁合金壓鑄充型流態動態演變過程研究[D].重慶：重慶大學，2019.

[4]楊敏，陳炎冬.以提升學生整體能力為目標的CAD/CAM/CAE課程體系改革[J].科教文匯，2016（11）：54-55.