新工科背景下計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

郭 丹， 金劍鋒， 王明濤， 賈 楠， 秦高梧

(東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819)

0 引 言

隨著材料基因組計(jì)劃的發(fā)展，數(shù)據(jù)科學(xué)逐漸應(yīng)用于材料領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員基于高通量計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在預(yù)測材料方面取得很多成果，形成了以數(shù)據(jù)為核心的材料設(shè)計(jì)方法[1-3]，材料設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)的、相對(duì)低效的“經(jīng)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)向新型的、高效的“數(shù)據(jù)+計(jì)算+實(shí)驗(yàn)”模式。而計(jì)算材料學(xué)便是在此背景下迅速發(fā)展的一門學(xué)科。它是綜合了材料、物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的新興跨領(lǐng)域?qū)W科，利用計(jì)算機(jī)模擬材料的物理和化學(xué)等性質(zhì)，研究材料從微觀到宏觀多個(gè)尺度的特征，預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)和性能，達(dá)到優(yōu)化材料、設(shè)計(jì)新材料的目的[4-5]。因其學(xué)科交叉特點(diǎn)，計(jì)算材料學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涉及大量抽象概念、數(shù)學(xué)運(yùn)算，理解起來較為困難，僅依靠傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式往往讓學(xué)生覺得枯燥乏味，較難集中注意力跟上教師的教學(xué)進(jìn)度[6]。因此，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在計(jì)算材料學(xué)教學(xué)過程中具有重要作用。合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置能夠充實(shí)理論教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[7-9]。近幾年，為進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐育人工作，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院基于新工科和“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略理念[10-12]，以人才培養(yǎng)為核心，對(duì)計(jì)算材料學(xué)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，以前沿科研內(nèi)容引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革，在原有以編程為主的上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中增設(shè)“材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬”環(huán)節(jié),實(shí)踐中已取得良好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革背景

以鎂合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景為例進(jìn)行材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題設(shè)置。在全球綠色節(jié)能發(fā)展的趨勢下，我國不斷推進(jìn)航空、航天、汽車、軌道交通等領(lǐng)域輕量化發(fā)展，而鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性良好、切削性能好等特點(diǎn)，是推進(jìn)輕量化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料[13-15]。但與傳統(tǒng)材料相比，鎂合金的常溫力學(xué)性能特別是強(qiáng)度和塑性還有待進(jìn)一步提高，這成為限制鎂合金廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要問題。本門課程基于上述前沿科研背景，設(shè)置材料數(shù)據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生從已公開發(fā)表的科研文獻(xiàn)中分組收集鎂合金數(shù)據(jù)，以期未來建立一個(gè)全面的鎂合金材料數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)鎂合金的優(yōu)化設(shè)計(jì)，推動(dòng)鎂合金的研究和發(fā)展。同時(shí)，設(shè)置計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，從材料數(shù)據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)果中提取材料特征數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過有限元力學(xué)模擬，預(yù)測出材料的力學(xué)性能，建立“組織-性能”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 教學(xué)軟件

在材料數(shù)據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使用Granta CES(Cambridge Engineering Selector)(教學(xué)版)作為示范教學(xué)的軟件。學(xué)院于2018年購買了該教學(xué)版軟件的版權(quán)，將其運(yùn)用到計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。Granta CES最早由英國劍橋大學(xué)工程系開發(fā)，目前為美國ANSYS公司收購，故又為ANSYS GRANTA CES。它是一款專業(yè)工程軟件，內(nèi)置了多種材料數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行智能材料屬性篩選，輔助工程材料的設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝和環(huán)保設(shè)計(jì)。Granta CES數(shù)據(jù)庫中提供了大量的材料數(shù)據(jù)，可以通過Ashby圖來進(jìn)行不同材料屬性數(shù)據(jù)之間的對(duì)比及篩選[16]，適于在計(jì)算材料學(xué)課程中幫助學(xué)生們更直觀地理解和應(yīng)用材料數(shù)據(jù)。

計(jì)算模擬環(huán)節(jié)使用的模擬軟件為英特工程多物理場仿真軟件[17]，該軟件能夠針對(duì)工程中常見的結(jié)構(gòu)、流體、溫度、電磁等多物理場問題進(jìn)行模擬計(jì)算，應(yīng)用于汽車工程、航空航天工程、機(jī)械、電力系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，適于在計(jì)算材料學(xué)課程中的計(jì)算模擬環(huán)節(jié)幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)運(yùn)用有限元方法模擬鎂合金力學(xué)性能。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程

新實(shí)驗(yàn)方案中材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、材料數(shù)據(jù)收集與篩選、目標(biāo)材料計(jì)算模擬、組織-性能關(guān)系建立4部分，通過這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項(xiàng)綜合能力，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)目標(biāo)

3.1 材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)用-Granta CES(教學(xué)版)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

在材料數(shù)據(jù)實(shí)踐環(huán)節(jié)，首先向?qū)W生介紹Granta CES Edupack教學(xué)版軟件的使用。以調(diào)用CES數(shù)據(jù)庫中的鑄造鎂合金材料為例，讓學(xué)生了解CES數(shù)據(jù)庫的材料數(shù)據(jù)組成。打開鑄造鎂合金的資料界面，可以看到鑄造鎂合金的描述、產(chǎn)品信息，以及不同的材料屬性，包括力學(xué)、熱學(xué)等屬性，如圖2所示。

由于教學(xué)版的材料屬性有限，本環(huán)節(jié)借助一個(gè)簡單工程實(shí)例向?qū)W生演示如何運(yùn)用Granta CES數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行材料選擇。以設(shè)計(jì)船槳材料為例：船槳材料要求是質(zhì)量輕、剛度好的桿材料，根據(jù)工程準(zhǔn)則：

M=E1/2/ρ

(1)

M的值越大越好，式中E為彈性模量，ρ為密度。同時(shí)還要求斷裂韌性K1C>1 MPa·m1/2，價(jià)格C<600 元/kg，目標(biāo)是盡量達(dá)到最小化質(zhì)量。首先，使用CES軟件繪制不同材料M值分布圖，如圖3(a)所示，設(shè)定選擇M>0.004的區(qū)間。然后，創(chuàng)建斷裂韌性 (K1C) 和價(jià)格(C)的對(duì)比圖，框選出K1C>1 MPa·m1/2、C<600元/kg的范圍，如圖3(b)所示。結(jié)合M值判據(jù)的材料范圍，篩選出4類滿足要求的材料，分別為Bamboo (竹子)，Wood (木頭) 這兩類為傳統(tǒng)的船槳材料；CFRP(碳纖維增強(qiáng)的高分子材料)，該材料通常為賽艇用的船槳材料；Ceramics (陶瓷) 比較脆，一般不適用。通過此例讓學(xué)生們學(xué)習(xí)如何運(yùn)用Granta CES軟件基于材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行材料選擇和設(shè)計(jì)。

圖2 Granta CES軟件數(shù)據(jù)庫中典型材料屬性數(shù)據(jù)

(a) 不同材料M值分布圖

3.2 材料數(shù)據(jù)收集與篩選-設(shè)定材料指標(biāo)與鎂合金數(shù)據(jù)收集

應(yīng)用Granta CES Selector(2020)科研版數(shù)據(jù)庫，以設(shè)計(jì)新型輕量化的汽車座椅骨架材料為例，設(shè)定新型材料需要滿足力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度σ0.2≥142 MPa、抗拉強(qiáng)度σb≥225 MPa、延伸率δ≥8.3%、價(jià)格C<100 元/kg、密度ρ<2 200 kg/m3，同時(shí)還需要有一定的可加工性。根據(jù)上述構(gòu)件應(yīng)滿足的力學(xué)指標(biāo)，在CES Selector軟件的數(shù)據(jù)庫中篩選出符合條件的工程材料，結(jié)果大部分為鎂合金材料，如圖4所示。

(a) 屈服強(qiáng)度(σ0.2)和密度(ρ)對(duì)比圖

為進(jìn)一步優(yōu)化鎂合金材料的性能，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中安排學(xué)生對(duì)不同成分的鎂合金進(jìn)行科研文獻(xiàn)檢索，收集和篩選相關(guān)數(shù)據(jù)，為鎂合金優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。學(xué)生以小組形式進(jìn)行，每4或5人1組，布置不同合金體系鎂合金的文獻(xiàn)調(diào)研課堂作業(yè)：要求每組學(xué)生從表1所列舉的34類常見鎂合金中選擇一類作為研究對(duì)象，針對(duì)該合金查閱6篇以上2015年后發(fā)表的SCI英文文獻(xiàn)，其中至少包含2篇實(shí)驗(yàn)、2篇原子尺度模擬、2篇有限元微觀/宏觀尺度模擬的文獻(xiàn)；并根據(jù)文獻(xiàn)整理數(shù)據(jù)和結(jié)果提交報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括:① 鎂合金背景和應(yīng)用介紹；② 采用的模擬或?qū)嶒?yàn)方法；③ 整理出合金成分、工藝參數(shù)、材料熱物性等參數(shù)、典型顯微組織圖(標(biāo)識(shí)出晶粒、析出相等特征結(jié)構(gòu))、典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線、強(qiáng)化機(jī)制、數(shù)據(jù)來源等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生具備查找和收集專業(yè)材料數(shù)據(jù)的能力，從而加深對(duì)材料數(shù)據(jù)和材料研究的理解。

表1 不同合金體系的鎂合金及對(duì)應(yīng)的工業(yè)牌號(hào)

同時(shí)，我院也正在開發(fā)專業(yè)的材料數(shù)據(jù)庫，如圖5所示；將學(xué)生們收集的材料數(shù)據(jù)按條目錄入該數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站形式發(fā)布，方便學(xué)生查詢和分析，更好服務(wù)于未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研。

(a) 鎂合金數(shù)據(jù)庫界面

3.3 計(jì)算模擬-基于第2相組織特征的有限元力學(xué)性能模擬

在計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，針對(duì)鎂合金中第2相組織特征進(jìn)行有限元力學(xué)性能模擬。模擬方法是基于科研課題建立起來的顯微組織有限元力學(xué)模型，可用于模擬不同顯微組織下材料的力學(xué)行為。

典型有限元模擬操作分為3部分：前處理、加載和求解、后處理。在本教學(xué)環(huán)節(jié)中，首先向?qū)W生介紹英特工程多物理場仿真軟件的使用方法，以模擬鎂合金在單向拉伸過程中的力學(xué)行為為例。有限元模擬采用平面應(yīng)變二維模型，模型設(shè)置如圖6(a)所示，包括4個(gè)第2相粒子(淺黃色)，鎂基體(淺藍(lán)色)，基體尺寸為 2.0 μm×2.0 μm。自定義的第2相為體積含量 14%、半徑0.21 μm、均勻分布的圓形顆粒。前處理主要包括：定義工作文件名、定義工作標(biāo)題、重新顯示工作窗口，定義單元類型、定義基體材料彈性/非彈性屬性、定義顆粒材料屬性、創(chuàng)建顆粒的幾何模型、創(chuàng)建基體幾何模型、除去基體矩形中顆粒所占的空間、顯示實(shí)體的屬性編號(hào)、定義單元網(wǎng)格劃分參數(shù)、對(duì)基體進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧?duì)顆粒進(jìn)行網(wǎng)格劃分、合并基體和增強(qiáng)顆粒區(qū)域、節(jié)點(diǎn)方式顯示，如圖6(b)所示。加載和求解主要包括：定義約束條件、施加載荷、定義分析類型、定義允許大變形、定義輸出結(jié)果的時(shí)間頻率、定義總/子時(shí)間步長、求解。后處理主要包括：設(shè)定某個(gè)時(shí)間步長、繪制變形應(yīng)力圖、應(yīng)變與應(yīng)力輸出、繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，模擬得到的微區(qū)應(yīng)力分布圖，如圖6(c)所示。然后，由學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐以上步驟，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的計(jì)算和模擬。

(a) 建立幾何模型

3.4 建立組織-性能關(guān)系-分組模擬及結(jié)果比較

本環(huán)節(jié)以小組為單位進(jìn)行計(jì)算模擬實(shí)踐。各組學(xué)生在之前環(huán)節(jié)所提取的鎂合金特征數(shù)據(jù)中分別選出1張典型的第2相強(qiáng)化的鎂合金組織圖片，從中抽象出第2相類型、形狀、尺寸、分布等，構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的有限元平面應(yīng)變力學(xué)模型，模擬其在單向拉伸過程中的力學(xué)行為(見圖7)，并對(duì)各組模擬結(jié)果進(jìn)行比較，探討相同含量下，第2相顆粒的分布(Model-2)、尺寸(Model-3)、類型(Model-4)、形狀(Model-5)等屬性對(duì)鎂合金綜合力學(xué)行為的影響，構(gòu)建出理想化的“組織-性能”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。該過程旨在讓學(xué)生通過動(dòng)手操作有限元軟件加深對(duì)于計(jì)算模擬過程的認(rèn)識(shí)，并通過結(jié)果對(duì)比鍛煉科研分析能力。同時(shí)，基于此過程的“組織-性能”模擬的虛擬仿真平臺(tái)目前也正在積極地建設(shè)中，其界面如圖7(c)所示。

(a) 力學(xué)性能

4 教學(xué)效果

4.1 激發(fā)學(xué)生的科研興趣

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程多為計(jì)算類實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前便已知結(jié)果，多為計(jì)算模型的操作與驗(yàn)證過程，形式上較難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，造成學(xué)生被動(dòng)參與，教學(xué)效果不佳。改革后的“材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬”實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于新工科理念設(shè)計(jì)的，將本學(xué)科前沿的科研內(nèi)容引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充實(shí)理論教學(xué)內(nèi)容，能夠提高學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。同時(shí)，參與實(shí)驗(yàn)的每一位學(xué)生，通過自己動(dòng)手完成收集數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)、制定模擬方案、計(jì)算材料性能、建立“組織-性能”關(guān)系等一系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，必將大幅增加學(xué)生的成就感、學(xué)科歸屬感和集體榮譽(yù)感，使學(xué)生更有興趣和動(dòng)力去認(rèn)真完成本專業(yè)的學(xué)習(xí)，更有信心去步入今后的科研道路。

4.2 形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)理念

未來的時(shí)代是人工智能高速發(fā)展的新時(shí)代，數(shù)據(jù)+人工智能已成為材料基因工程的核心，依靠科學(xué)直覺與反復(fù)嘗試的傳統(tǒng)材料研發(fā)方式已不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求。在新時(shí)代背景下，學(xué)生的科研思維也需要與時(shí)俱進(jìn)，緊跟時(shí)代發(fā)展腳步。本材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能夠讓學(xué)生加深對(duì)于材料基因工程的理解，從而在材料研發(fā)的思維方式上發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料智能設(shè)計(jì)新理念，以培養(yǎng)新工科建設(shè)所需的創(chuàng)新型卓越工程人才。

4.3 提高自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

在社會(huì)發(fā)展日新月異的當(dāng)下，自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力已成為工作中兩項(xiàng)不可或缺的能力。未來社會(huì)需要的是終身學(xué)習(xí)，學(xué)校的教育理念也該從教授學(xué)生如何“學(xué)會(huì)”到如何“會(huì)學(xué)”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是新工科背景下學(xué)生個(gè)體發(fā)展的必然要求。而對(duì)集體而言，建立團(tuán)隊(duì)意識(shí)能夠凝聚團(tuán)隊(duì)成員的智慧與能力，實(shí)現(xiàn)成果最優(yōu)化。本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)均以小組為單位完成，各組學(xué)生在所布置的實(shí)驗(yàn)要求下，自主檢索文獻(xiàn)、分析數(shù)據(jù)、制定模擬方案、建立組織-性能關(guān)系，當(dāng)遇到問題時(shí)通過組內(nèi)交流自行解決，形成互幫互助的機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，同時(shí)也使表達(dá)能力得到提升。

5 結(jié) 語

本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可通過改變材料主題(例如：鎂、銅、鋁合金)的方式，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中內(nèi)容重復(fù)的缺點(diǎn)，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的積極性。同時(shí)，每屆學(xué)生收集的大量材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入在建專業(yè)材料數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行有效分類和存儲(chǔ)，為未來數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供數(shù)據(jù)支撐，更好地服務(wù)于材料專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

將材料數(shù)據(jù)+計(jì)算模擬環(huán)節(jié)應(yīng)用到計(jì)算材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以科研內(nèi)容為導(dǎo)向創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)下鎂合金材料產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用材料數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算模擬方法預(yù)測材料性能，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變僅以經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)為主的材料研發(fā)思路，領(lǐng)會(huì)“數(shù)據(jù)+計(jì)算”驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)內(nèi)涵。同時(shí)提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項(xiàng)能力，以滿足新工科建設(shè)對(duì)于人才培養(yǎng)的要求。