基于有限元虛擬仿真技術的焊接實訓教學的研究與探索

朱玉斌，于如信，郎超男，楊東

（江蘇師范大學，江蘇徐州 221116）

目前全球制造工業技術正處于一個快速發展的階段，而焊接工藝技術在與之相關行業中的應用也變得越來越普遍，甚至在現代高科技的工業產品領域，也是十分需要前沿、先進的焊接工藝技術作支撐，才能完成高科技產品的設計制造。同時，焊接工藝技術具有制造成本較低、且連接相當可靠等鮮明優點。

高校的焊接實訓教學模式的探索是尋找實現學校、企業、行業共贏的新模式，探索高效、實用的實訓教學模式，為社會培養高質量的技能型人才。但是目前的焊接實訓還存在一些問題，除了有些高校存在周期短、教學設備不足的問題以外，在一些高校的實訓教學里，還一直沿用傳統且單一的教學模式，學生在整個教學過程中缺乏學習興趣且對于動手操作較排斥。因此，部分高校的焊接實訓教學質量偏低。

1 有限元虛擬仿真技術簡介

利用有限元虛擬仿真軟件進行焊接實訓，結合先“虛擬仿真”后“焊接實操”的教學流程，能夠提高學生的實際操作與應用能力。 我們所利用的焊接有限元軟件其實是將微分方程等數學知識利用在焊接領域，將影響整個焊接加工過程的因素都轉變為函數中的變量，通過各種算法建立起符合焊接工藝特征的微分方程，并且把焊接的實際條件，比如初始溫度、焊接路徑等，作為微分方程的初始值進行方程的求解[1]。

在進行焊接實訓教學課程中，我們指導學生進行仿真模擬操作練習時，在課程時間緊張的時候，不需要解釋有限元虛擬仿真技術。 進行焊接模擬所使用的技術，類似于一個“黑箱子”，實訓學生在使用模擬軟件的時候，不需要了解這個神秘的“黑箱子”的原理，只需要知道焊接過程的工藝參數，比如初始溫度、固定點及焊接速度等一系列參數即可。

基于有限元虛擬仿真技術的焊接實訓教學，遵循著“理論先行”“注重教學實踐”的思想，著重改善實訓教學效果，力爭通過提前所設計的研究路徑，真正將虛擬仿真技術應用到焊接實訓教學上。如圖1所示，為基于有限元虛擬仿真技術的虛實結合的焊接實訓教學探索研究的路徑圖。 在進行虛擬實訓中，從理論講解開始，進而過渡到教師虛擬演示、學生虛擬操作。 在后續的實訓教學中，希望學生能夠體驗到多種焊接方法及焊接工作環境，讓學生能掌握基本的焊接操作，保證焊接的效果符合考核要求。 這樣的虛實結合教學模式的重點是虛擬實訓與實際實訓兩部分不再是各自獨立的兩部分，而是相互關聯、有著密切聯系的兩部分。 如圖1所示，虛擬實訓的小結部分，不僅僅是一段實訓課程的總結，更是奠定了實際實訓的基礎，在實際實訓課程的開始端，教師的職責在于將基礎理論遷移到焊接技能，以便學生更好地掌握焊接技能。 同樣，在實際實訓中，肯定會有學生因對基礎概念的理解不透徹導致操作有問題，因此，當學生在進行實際實訓中，需要輔助虛擬訓練，進行補償性教學。

圖1 虛實結合的焊接實訓教學研究路徑

2 基于有限元虛擬仿真技術的焊接實訓教學優勢

2.1 強化焊接教學中的理論知識

我們想要在焊接實訓教學中去更好地提高教學效果，就必須完善傳統的教學模式，在現有教學模式的基礎上添加虛擬仿真訓練，然后設計出更能夠激發學生學習興趣的虛實結合的焊接實訓教學模式。 我們希望摸索全新的“虛實一體”教學模式，能夠為當前高校的工程訓練實訓教學提供一些思路。

在傳統的實訓教學過程中，教師會忽略學生的理論基礎，將側重點放在實操上，而忽略基礎理論對于實操的影響。而在學生進行虛擬操作中，可以將側重點先放在焊接理論知識，繼而慢慢地熟悉焊接操作。 因此，在“虛實一體”的教學模式中，能夠解決的問題就是在實際教學中的理論指導不足。

從上述的現狀分析以及大量高校的實訓教學效果來看，虛擬仿真實驗及真實實驗兩者各有利弊，兩者的優勢是彼此不能替代的。正因為如此，我們在傳統的教學模式中采取兩者優勢互補的方式，從虛擬實驗和真實實驗有機結合的角度去思考和探究實訓教學[2]。

2.2 有效解決焊接工藝種類較少的問題

在目前比較傳統的高校焊接實訓教學課程里面，焊條電弧焊這一焊接工藝實訓課程是焊接工藝大類中最重要也是最基礎的方法之一。 通過焊條電弧焊的焊接過程使學生盡快了解焊接過程，感受焊接工藝工作環境及掌握一些基本的焊接實訓操作與安全規程。

焊接種類相當多，包括了熔焊、釬焊還有壓焊這三大類焊接方法，而每一類里也是包含著很多種類的焊接方法，而僅僅開展焊條電弧焊課程不足以讓學生對整個焊接工藝有足夠的了解。 基于有限元虛擬仿真技術的“虛實結合”焊接實訓教學模式在一定程度上可以很好地彌補高校焊接實訓工種不足的問題。

2.3 提升學生學習效果

對于高校實訓學生，想要使其焊接操作達到一定的熟練程度，必須先通過虛擬仿真的實驗條件進行反復的操作練習，這樣既可以消除學生的陌生感，又可以使學生更深刻地理解焊接概念。 而且使用有限元虛擬仿真軟件進行教學，在形式上會吸引學生的注意力，引發學生的好奇心。在教學內容上，利用虛擬仿真技術進行基礎知識的講授，以一種更具感知的方式去強化概念，讓學生更容易理解。

2.4 減少學生實訓安全事故

把基于有限元虛擬仿真技術引入焊接實訓教學模式，尤其在學生的焊接初學階段，這樣的課程安排最重要的效果之一就是避免實訓學生因操作的不熟練從而造成的人員傷害。其次，此課程安排還能夠減少學生在初學過程中對加工耗材的浪費[3]。

3 基于有限元虛擬仿真技術的焊接實訓教學實踐

3.1 設計完整焊接實訓教學計劃

完整的焊接實訓教學計劃，必須堅持“學生為主體，教師為主導”的原則，基本流程是熟悉焊接環境—任務設置—虛擬仿真實訓—真實實訓—總結反饋，而且每一個步驟都必須以學生為中心，尤其在任務設置階段及仿真實訓階段，必須將焊接的種類、工藝參數以及焊接接頭等基礎概念完整地展示給學生，讓其感性認識焊接過程[4]。

3.2 選取合適的班級進行教學研究

在進行后期班級教學效果比較的環節上，為了確保得到的結果不受其他外在因素的影響，因此在選擇班級上至少要選擇兩個以上專業相近、 水平相當的班級作為比較對象[5]。在我校進行焊接實訓教學模式研究與探索中，因工程實訓中心是一個校級平臺，面對的是機電學院、 中俄學院以及物電學院等不同專業不同水平的班級。因此，要確定水平及專業相當的研究對象進行比較，這對研究結果有著重要的影響。

3.3 進行合理的焊接實訓教學評價

焊接實訓教學評價以“虛實一體”教學模式中的實訓教學目標為標準，按一定的規則對實訓教學效果做出描述和確定，以此監督和服務教學活動[6]。 進行焊接實訓評價，得進行多維度評價，其中一個評價維度包括對焊接概念的掌握，對焊接過程應力場、溫度場變化規律的自主發現。同時，另外一個評價維度則是針對學生對焊接技術的掌握，包括焊接線路的直線度、焊接件的平整度以及焊接變形量。焊接實訓教學評價必須從以教師為中心轉為以學生為中心，從關注學生簡單的焊接操作轉變為關注學生的焊接試驗設計等自主能力。

3.4 教學實施案例

對于焊接實習，最基本的就是先讓學生熟悉手工電弧焊。 在進行焊接實習時，首先通過焊接模擬軟件，根據焊接工藝向導（Welding Advisor）設置各項工藝參數，如焊接電流、焊接電壓及焊接速度等，這樣可以幫助學生更好地理解焊接過程中的概念，比如熱影響區，母材及焊接參數等基本概念。當完成工藝參數設置后，系統根據參數進行焊接模擬，并可以重現整個焊接過程，如圖2所示。 在圖2中，右上角的104 表示的含義是整個焊接過程維持了104s，前面的52 表示的是此圖是焊接過程中52s 的瞬間溫度場。 不僅如此，從圖2中還可以清晰地看到在第52s 的最高溫度及最低溫度以及他們在工件的位置。當模擬完成后，有限元虛擬仿真技術還會生成溫度場變化的視頻，讓學生更好地理解整個焊接過程的溫度變化。

圖2 焊接過程的實時溫度場變化

4 結語

焊接技術對技術人員要求極高，同時技術人員只有經過大量的實踐積累，才能夠對技術應用得心應手。

（1）利用有限元虛擬仿真技術可以讓學生進行各種各樣的焊接模擬實驗，使其充分了解焊接參數對焊接的影響。

（2）實施虛實結合的焊接實訓課程，也必須兼顧現實條件，制定符合學生現實情況的教學計劃。

（3）根據學生的接受程度，動態去調整教學計劃。只有這樣，學生才能更好地掌握焊接理論知識，熟練掌握焊接基本操作，為其以后的工作打下一個良好的基礎。