CAE仿真技術培訓的實踐探索

魯建峰 吳垠舟 張璐

摘 要：計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術作為一種可以直觀解決各類工程技術問題的工具，能夠彌補使用者在理論知識上的不足，具備很大的推廣價值。本文以杭州蕭山技師學院為例，闡述了如何通過開設仿真課程、舉辦技能競賽、借助項目研發開展CAE技術培訓，以期為CAE技術在技工院校中的培訓推廣提供參考。

關鍵詞：CAE技術? ? 課程培訓? ? 競賽培訓

隨著工業信息化的不斷發展，各裝備制造企業在解決工程問題的方法上發生了翻天覆地的變化。在數字技術出現以前，企業在解決材料力學、流體力學等學科中的一些復雜工程問題時，往往需要通過手工計算或者實驗的手段來完成。這些方法不但耗費大量時間和金錢，而且有時難以達到解決問題的目的。但隨著計算機技術的發展，基于數字仿真的CAE技術快速發展起來，它不但能很好地解決上述問題，而且由于其具有直觀、操作簡單等優點而逐步替代了傳統的手工操作。近年來，隨著人工智能、數字孿生等技術的發展，數字仿真的CAE技術的應用更加廣泛。作為新時代的機械行業技術人員，若不懂CAE技術，將難以適應產業發展的需要。鑒于CAE技術的重要性，杭州蕭山技師學院（以下簡稱學院）近年來在機械專業課程體系中加入了CAE技術培訓課程。與此同時，學院借助各類技能大賽及機械設備研發項目平臺，探索技術培訓的其他有效途徑，取得了良好的效果。

一、數字化背景下技工院校學生的學習困境

（一）基礎薄弱，理論學習效果有限

技工院校機械專業學生最大的弱項就是數學、物理等學科基礎比較薄弱，這導致他們在學習很多專業課程時難以跟上教師的節奏，更不用說將理論知識用于實踐了。盡管很多教師嘗試利用微課等信息化手段增強教學效果，但依然收效甚微。

（二）仿真技術培訓缺失，在技能大賽中表現不佳

近年來，互聯網、大數據、云計算、人工智能等數字技術快速發展。在很多新興職業技能比賽中，越來越多地強調仿真等信息化手段的應用。然而在這一背景下，很多技工院校并沒有做好充足準備，競賽訓練內容仍然以傳統技術為主，很多選手由于沒有接受過仿真技術培訓而參賽結果不理想。

（三）設備研發實踐面臨技術困境，技術創新舉步維艱

在設備研發實踐中，盡管學生在創意上能夠有許多奇思妙想，但由于他們沒有掌握數字化工具的應用技術，常常導致設備研發陷入困境，技術創新舉步維艱。因此，只有借助機械設備研發項目實戰進行CAE技術培訓，通過與企業合作以及參加各類創新創業大賽，才能提高學生項目研發能力和技術創新水平。

二、CAE技術的培訓途徑

（一）通過開設仿真課程進行CAE技術培訓

常規課堂教學覆蓋了所有機械專業學生，是學院仿真技術培訓的主要途徑。CAE技術雖然大大簡化了數學計算的過程，但是仍然要求學生具備一定的力學基礎和機械設計知識，故CAE技術培訓課程需要安排在高年級段（高級工第四年或技師段），即學生學習過工程力學和機械設計基礎之后。

在明確授課對象后，為了避免高等教育CAE技術教學過于強調理論而忽視實戰，課題組教師針對技工院校學生特點及機械設計、工程力學中常見的案例情形，與企業專家一起制定了仿真教學的典型任務模塊。所有培訓模塊均采取真實機械設計案例，同時融入書本理論知識，在課程設計上強調以實用性為主。上課以上機操作的形式完成，軟件采用比較容易上手的SolidWorks Simulation和Motion，學生需根據案例的要求在教師引導下完成軟件操作。在確定了典型任務模塊后，將典型任務模塊應用于實際教學培訓活動，將仿真實踐課程安排在CAD建模課程之后，作為CAD設計的補充延伸。

將CAE技術應用于教學是一種新的嘗試，無論是學生還是教師，都需要擺脫以往傳統教學方法的桎梏，在實踐中敢于創新、總結、調整。部分最初確定的典型任務模塊在實際教學過程中仍存在很多問題，如難度過高、部分模塊實際使用頻率較低等，這就要求參與教學的教師不斷在實踐中調整教學內容和方法。通過一個學期完整的CAE技術模塊訓練，學生可以掌握CAE技術的基本操作方法和工作原理，為下一步在機械設備研發實戰中的應用奠定基礎。

（二）通過技能競賽進行CAE技術培訓

隨著科技的發展，越來越多新開設的技能競賽項目都融入了數字與信息技術，CAE仿真技術成為很多新興技術的基礎。以中華人民共和國第一屆職業技能大賽為例，CAD機械設計和增材制造賽項中的仿真動畫制作及拓撲優化等技術均涉及CAE的內容。所以，通過競賽前的技能培訓推廣CAE技術，達到以賽促教的目的也是本項目的重點方向之一，這樣做不但能鍛煉選手對于技術的理解和應用能力，而且如果選手在比賽中獲獎更能在廣大師生中起到榜樣示范作用。

為了達到以賽促教的目的，課題組采用了“344”方案，即針對3種不同競賽學生群體和競賽階段，采用4種教學手段，以達到4種預期目標。其中，舉辦校內競賽是學院培養CAE技術人才的獨特手段。以2020年學院與企業聯合舉辦的數字技能挑戰賽為例，在設計競賽內容時，學院教師有意引入CAE技術內容，并抓住這一契機，積極開展線上培訓，幫助學生學習軟件操作。最終，僅該項競賽就有上百人參加了線上培訓，并有數十人參與了最終的競賽，在校內起到了很好的推廣示范作用。

（三）借助機械設備研發項目實戰進行CAE技術培訓

CAE作為一種實踐性很強的技術，學生只有通過創新創業比賽及技師研修等環節中的設備研發實戰才能真正掌握。而作為一個技術大類，CAE技術有很多不同的應用方向，教師不可能讓學生精通所有方向，所以實戰培訓的重點是引導學生在遇到一些典型工程問題時能夠通過CAE技術來解決。

1.利用CAE技術可以解決零件強度、變形等靜應力分析問題

學生在機械設備研發過程中，零件的強度和變形問題是必須要考慮的，然而由于工程問題的復雜性，再加上技工院校學生的理論基礎普遍比較薄弱，此類問題往往難以解決，學生只能依靠經驗或者估算法來對零件強度或變形量進行評估，難以獲得精確數據，導致學生設計的作品存在笨重或強度不夠等問題。

因此，教師應當在學生進行零部件設計時，引導學生使用CAE中的靜應力分析技術，幫助他們設計出保證強度又盡量輕便的零件。

2.利用CAE技術可以解決電機選型、速度計算等問題

在產品研發環節，各零部件的運行速度、相互作用力是十分重要的參數，這些參數直接影響電機和其他重要零部件的選型。然而對于很多機械設備來說，它們的構造較為復雜，且運動狀態是實時變化的，想要精確計算十分困難。

針對這類問題，引導學生利用CAE技術中的動力學分析是比較合理的手段。學生在完成機構的建模裝配后，僅需賦予質量屬性、電機轉速等基本物理參數，之后軟件會自動計算出各構件的速度、相互作用力乃至電機功率等參數。相較于傳統手段，應用CAE中的動力學分析方法大大簡化了設計難度，基礎普遍薄弱的技工院校學生在經過系統培訓后也能掌握。

3.利用CAE技術可以解決傳熱、流體分析等其他工程問題

在各類企業項目中往往會遇到管道、壓力容器等設備中的流體問題，或者散熱器設計中傳熱等其他工程問題，此類問題屬于機械與其他學科的交叉問題，往往比較復雜，但是對于一些典型性問題，目前用CAE技術已經能比較方便地進行處理。實踐表明，經過教師指導，學生能夠利用CAE技術完成此類簡單工程問題的分析計算。

三、CAE技術培訓成果

（一）提高理論教學效率，實現理實一體

在學院引入CAE技術仿真課程培訓后，機械設計基礎、工程力學等傳統理論課也實現了理實一體。通過一年的跟蹤調查，筆者發現，學生利用仿真工具求解相同工程問題的分數高于傳統理論求解方法，平均分數提高12～16分，同時由于仿真工具提高了理論知識點的直觀性，對理論教學也起到了促進作用。

（二）競賽成果豐碩，實現以賽促教

賽前系統的CAE技術培訓，幫助學院學生在全國各類技能大賽中取得了良好成績，更有學生在中華人民共和國第一屆職業技能大賽中獲得全國技術能手稱號，在廣大師生中形成了良好的宣傳效應。此外，學院借助各類競賽平臺，通過開展賽前培訓，一年內實現了對上百名學生的CAE技術培訓，達到了以賽促教的最終目的。

（三）融入設備研發，創造實用價值

借助創新創業、技師研修平臺中的機械設備研發項目，鍛煉和提高了學生利用CAE技術解決工程問題的實戰能力。通過近兩年的跟蹤調查發現，CAE技術使學生在設備研發上的成功率得以提高，很多難以處理的技術難題也得以攻破，為企業創造了實用價值。

四、小結

CAE技術因其直觀、便捷等特點，對于解決復雜工程問題具有獨特優勢，新時代的數字工匠有必要了解與應用CAE技術。然而對于技工院校的師生來說，CAE仍然是一種新興技術，如何在技工院校中進行推廣是當前亟待解決的問題。在技工院校中推廣CAE技術，要走和普通高校不同的道路，強調實用性和工程實踐項目相結合，以做促學，充分發揮CAE技術的優勢，這樣才能收到良好效果。

參考文獻：

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[2]周強，熊擁軍，閆小青. CAE 軟件在力學課程教學中的應用研究[J].教育現代化，2018，5（41）.

（作者單位：杭州蕭山技師學院）