基于產(chǎn)教融合的“大型沖壓件成形過程”虛擬仿真實驗項目建設

呂東莉，張小東，王 斌*

（1.西南石油大學新能源與材料學院 四川 成都 610500；2.通威太陽能有限公司 四川 成都 610299）

隨著科技的不斷更新和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，我國的策略和行業(yè)結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷重大的調(diào)整。通過把握技術創(chuàng)新的機遇，推進改革和創(chuàng)新，并加強對科技創(chuàng)新的支持，這將成為我們走向新時代具有中國特色的社會主義的關鍵途徑。加快實現(xiàn)高水平技術自主和自我完善，是推動高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。在這個全新的時代，產(chǎn)業(yè)與教育的結(jié)合以及科學與教育的結(jié)合，已經(jīng)成為創(chuàng)新驅(qū)動的國家策略中培育優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才的基礎方法[1-2]。教育部為了實施習近平總書記對于加強實踐教育工作的重要指示，發(fā)布了《教育信息化2.0》[3-4]。借助于大學實驗教學變革以及實驗教學項目的數(shù)字化構(gòu)建，已經(jīng)啟動了一系列的示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設，以此來加強信息科技與大學實驗教學的緊密結(jié)合[5]。與傳統(tǒng)高校實驗項目相比，虛擬仿真實驗可為學生提供一個更加安全、經(jīng)濟和可控的實驗環(huán)境，同時也為教師創(chuàng)造了全新的教學體驗和機會。高校虛擬仿真實驗項目的建設，由于其不受空間的限制、方便的學習方式和廣泛的接收群體，并且能通過積極宣傳和普及優(yōu)秀的虛擬仿真實驗項目，從而達到對優(yōu)良教育資源的有效分享。

文章針對西南石油大學在人才培育供給側(cè)以及產(chǎn)業(yè)需求側(cè)在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量尚未完全適應的問題，學校選擇與通威太陽能這樣的光伏領軍公司進行緊密的合作，以此形成了一個深入的學術、科技、工程的協(xié)同合作關系，并獲批“四川省光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)教融合綜合示范基地”。

1 虛擬仿真實驗教學項目建設的必要性

在當前“新工科”建設大背景下，傳統(tǒng)的實踐教學方式已不再滿足新的需求。“塑性成型原理及工藝”作為材料成型及控制工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，其獨特之處在于其深厚的理論基礎和對實際操作的嚴格需求。然而，由于塑性成形實驗設備主要是大規(guī)模的重型設備，并且它們的占地范圍大，所以其價格也相對較高，這就導致了需要的配套設備眾多，從而使得其運營成本相當昂貴。此外，由于塑性成形過程需要承受高壓，因此，為了保證安全，學生無法單獨進行實驗的設備操作。并且在實際實驗過程中，無法對零件的塑性成型過程中的塑性變形區(qū)域、壓力和應變的變化以及每個部位的尺度的動態(tài)改變進行即時的監(jiān)控。根據(jù)虛實互補的原則，使用了一個基于金屬材料成型的虛擬仿真試驗平臺，來模擬零部件的沖壓制造流程。在這個過程中，學生有能力全面掌握整個零件的沖壓制造過程，實時觀察零件形成過程中材料的塑性流動和各部分應力應變場的動態(tài)變化。這種方式不僅提升了實驗的趣味性，也激發(fā)了學生對材料成型及控制工程專業(yè)的學習興趣，為學生提供了探索性學習、獨立實驗和創(chuàng)新實踐的先進方法。同時也解決了實驗投入大、能源消耗高、風險高、費用高以及觀察困難的問題。

虛擬仿真實驗項目提高了學生主動參與實驗的興趣，學生可在虛擬環(huán)境中進行安全的實驗操作、數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)象觀察，并對實驗過程和結(jié)果進行分析和解釋，從而培養(yǎng)學生的實驗技能、問題解決能力和創(chuàng)新思維能力。新能源與材料學院以虛擬仿真實驗的建設為主旨，融入JSCAST、DEFORM等仿真工具以及虛擬的模具制作車間軟件，在成功搭建出材料成型虛擬實驗平臺的前提下，結(jié)合教師現(xiàn)有的科學研究資料，打造出符合“設計―加工―結(jié)構(gòu)―性能”實驗需求的材料科學與工程虛擬仿真實驗教學平臺。

2 虛擬仿真實驗項目建設實踐

2.1 實驗教學方法

壓力容器封頭的沖壓成形屬于一種拉深成型，由于成形過程受模具的限制，板材在沖頭的壓力影響下可能產(chǎn)生明顯的形狀和偏移。由于板料和模具之間的摩擦，封頭沖壓實際上是一個包含了幾何、材質(zhì)和邊界非線性的復雜的動態(tài)物理流程。在沖壓過程中，沖壓板料的各個部位承受的壓力會持續(xù)變化。在封頭頂部，板料處于雙向拉伸的狀態(tài)，而在沖壓件的凸緣區(qū)，板料的受力則是一方面受壓縮，另一方面受拉伸。由于這個負荷環(huán)境，板材很可能會在擠壓時產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。通常，為了防止出現(xiàn)皺紋，需要調(diào)整摩擦系數(shù)或者施加某種程度的壓邊力，但是這樣做也會導致板材的壁厚發(fā)生變化，從而在某些地方可能出現(xiàn)過于薄弱的情況，進而構(gòu)成了設備在運行中的潛在風險。

“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實驗”的實驗理論上主要依托“塑性成型原理及工藝”這門課中沖壓模具結(jié)構(gòu)及工藝設計的相關理論，而通過“材料成型數(shù)值模擬”這門課程的學習，學生已掌握了材料成形過程中的有限元模型的思想和方法。VES（Virtual learning+Expert demonstration+Self-practice）的教學模式被應用于該實驗項目，即“虛擬學習+專家示范+自主實踐”。“虛擬仿真實驗”的教學內(nèi)容包括：在實驗前集中闡述實驗的具體要求，然后在實驗過程中由教師示范實驗流程，接著由學生獨立拆裝沖壓模具、自主學習沖壓模具結(jié)構(gòu)及沖壓生產(chǎn)流程，最后進行大規(guī)模沖壓零部件生產(chǎn)的仿真模擬（集中+分散），以及對大規(guī)模沖壓零部件生產(chǎn)工藝的分析總結(jié)（集中）等步驟。

2.2 實驗教學實施過程

為了模擬真實的制造任務，創(chuàng)建了一個由學生、教師以及其他指導員組成的學習小組。在實驗的初期，學生們會使用視聽教育和虛擬仿真的方法，利用虛擬的網(wǎng)絡平臺來進行初期的模具拆卸、塑性工藝以及模具知識的學習。學生可以進入模具的虛擬裝配車間，在仿真軟件中，他們能夠通過各種模具的自我訓練來熟悉模具的拆卸操作，并且通過這些模具的拆卸來加強他們的學習過程，在此基礎上學生完成相關沖壓模具的拆裝考試。教師以實際的封頭零件成形過程為任務引領，依據(jù)實驗任務來解讀這個零件的成型工藝特性，并闡述其虛擬成型的基本技巧。通過使用虛擬實驗平臺來展示實驗操作步驟，指導學生在獨立完成沖壓模具和工藝設計的前提下，運用虛擬仿真實驗平臺進行相關的實驗操作，并結(jié)合理論知識來探討工藝參數(shù)的改變?nèi)绾斡绊懡饘俚乃苄粤鲃雍蛻儓龅淖兓W生們可以在虛擬實驗平臺上獨立進行零件的模擬制造，并對其結(jié)果進行全面的評估，從而達到虛實相輔的效果。“授課、研究、實踐”三者相輔相成，既富有教育意義又充滿樂趣，這樣做不只有助于激發(fā)學生的學習熱情、主觀精神、自我驅(qū)動，也有助于訓練他們在實踐過程中尋找并處理問題的技巧，推動他們的創(chuàng)新思維和技巧的成長，并且提高他們的獨立分析和處理問題的技巧，從而提高教育的成效。

2.3 實驗評價體系

在傳統(tǒng)的試驗教育方法里，教師的角色是核心，而且主要的任務就是灌輸知識，這種方法的特點就是學生只能接受一種單一的、被動的學習方法。通過運用虛擬仿真實驗項目的教育方法，將學生置于核心位置，這樣可以讓他們在參與項目的過程中，既能掌握所需的知識，也能在學習過程中完成相應的任務，進一步促進他們獨立地構(gòu)筑和理解所需的知識。此外，虛擬仿真實驗的教育打破了傳統(tǒng)的實驗課的時間和地點的束縛，讓學生能夠依照他們的喜好進行“重復試驗”“隨機試驗”和“移動試驗”。這樣，不僅使得課程內(nèi)容有了更廣闊的應用，也極大地提升了學生的個性和獨立思考的能力，從而真正達到了讓學生獨立學習和積極參與的目標。通過虛擬模擬實驗，學生們可以利用校園網(wǎng)絡，無論是在寢室、圖書館還是其他場所，都能夠自由的訪問并參與到課程中，這種模擬的形式讓學生們通過協(xié)作，一起完成最后的零部件成形，這也有助于提升他們的全面性、深入性的思維技巧，并增強了他們處理問題的能力。通過系統(tǒng)的自動化評估，能夠?qū)⑿〗M討論、個人報告和實驗報告等多個步驟融為一體，以便對項目進行全面的評估。

3 持續(xù)建設服務計劃

這個虛擬仿真實驗項目已經(jīng)完成基礎環(huán)節(jié)的構(gòu)建，并在2021 年被授予四川省級的一流虛擬仿真實驗教學課程。伴隨著教育資源的持續(xù)優(yōu)化以及行業(yè)對專門技術的持續(xù)更新，會持續(xù)優(yōu)化實驗教育的內(nèi)容，并提升教育的手段，并完善對于虛擬仿真實驗教學中心的管理體系。構(gòu)建了一個可以互相交流的虛擬仿真實驗教學資料的反饋平臺，允許老師與學生對這些資料做出批判性的評估與回應。同時，基于項目實驗的流程以及評估系統(tǒng)得出的結(jié)論，可以更好地優(yōu)化這些仿真實驗的教學資料，以保證其可以持久且高效地發(fā)展。目標是把這個實驗項目塑造成與生產(chǎn)、技術、工藝緊密結(jié)合，且具備極高的實際應用性和獨特性的仿真試驗項目。利用專業(yè)研討會和學術論文等方式，提升與材料成形及其控制工程、材料加工工程、機械制造及其自動化等相關領域的大學的溝通與協(xié)作，進一步加深大學間的資源共享，借鑒相關大學的教育計劃以及虛擬仿真實驗項目的優(yōu)勢，逐漸達到虛擬仿真實驗項目學分的互認。

4 結(jié)語

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和提升，對于高質(zhì)量的技術工人和創(chuàng)新型人才的急需日益增長。“產(chǎn)學合作、產(chǎn)教融合”已經(jīng)成為當前大學教育優(yōu)質(zhì)發(fā)展的一個核心路徑，也是推進教育改革的一個關鍵環(huán)節(jié)。材料成型及控制工程專業(yè)的學生需要掌握將理論與現(xiàn)代工具相融合的技巧，并且需要擁有針對復雜工程問題進行深入的分析和探討，以及制定出適當?shù)牟呗院吞幚磉@些問題的技巧。這個專業(yè)的方向是強化基礎知識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提升工程技術。通過本次實驗，對沖壓生產(chǎn)中常見的質(zhì)量問題和模具設計問題進行了深入分析和解決，以此加強學生對模具結(jié)構(gòu)設計理論的理解和掌握。這不僅使學生對塑性加工工藝和模具內(nèi)容有了更深的理解和認識，也提升了他們運用現(xiàn)代計算機工具對油氣設備零件成形過程進行綜合分析的能力，從而提高了他們在油氣設備零部件成形設計、制備、模擬和優(yōu)化方面的能力。