提高材料成型專業(yè)本科生CAE技術(shù)應(yīng)用能力的措施

秦升學(xué)　劉杰

摘 要 文章在分析山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)CAE（計算機(jī)輔助工程）教學(xué)與本科畢業(yè)設(shè)計應(yīng)用的現(xiàn)狀與存在的問題基礎(chǔ)上，提出了通過改革授課和考核方式來加強(qiáng)本科生對CAE技術(shù)的學(xué)習(xí)措施，并通過提高CAE技術(shù)在材料成型及控制專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計中的比重與考核力度，來提高畢業(yè)生應(yīng)用CAE技術(shù)的解決工程問題的能力。

關(guān)鍵詞 CAE技術(shù) 畢業(yè)設(shè)計 教學(xué)改革 材料成型

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.019

The Study on Measures to Improve the CAE Application ability of the Undergraduates of Material Forming Specialty

QIN Shengxue， LIU Jie

（College of Mechanical and Electrical Engineering，

Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）

Abstract Based on analysis of the CAE （computer aided engineering） application status and problems in the teaching and graduation project for undergraduates of material forming specialty， the reform measures of teaching and testing of CAE course is proposed in this paper. The ability of solve engineering problem of the graduates could be also improved by improving the application proportion and strengthening the check system in the graduation project.

Key words CAE; graduation project; teaching reformation; material forming

材料成型及控制工程專業(yè)涉及材料科學(xué)、成型工藝與自動控制技術(shù)的綜合與交叉，要求畢業(yè)生具有材料成型加工基礎(chǔ)理論與應(yīng)用能力，并且隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，CAE技術(shù)對與材料成型行業(yè)的作用越來越重要，已經(jīng)成為材料成型從業(yè)高等技術(shù)人員必備的技能之一。目前，山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)設(shè)模具方向，包括金屬塑性成形及模具設(shè)計和塑料成型及模具設(shè)計，該方向更注重工程實踐能力的培養(yǎng)，并對學(xué)生解決實際工程問題能力提出了更高的要求。

本文從CAE在材料成型與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，對金屬塑性成形 CAE和注塑成形CAE 教學(xué)與畢業(yè)設(shè)計改革進(jìn)行了探索。

1 CAE技術(shù)在我校材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

模具優(yōu)化設(shè)計與CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)是模具數(shù)字化制造設(shè)計核心技術(shù)之一，①尤其是三維設(shè)計和計算機(jī)仿真模擬分析技術(shù)，這項技術(shù)雖在國內(nèi)已有不同程度應(yīng)用，但仍處于較低水平。目前在模具領(lǐng)域應(yīng)用較多的世界著名CAE軟件有MOLDFLOW、DYNAFORM、AUTOFORM、POLYFLOW和DEFORM等，同時也是山東科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)習(xí)中可以接觸到商業(yè)軟件。②

金屬塑性成形加工過程中加載條件與變形過程異常復(fù)雜，傳統(tǒng)分析方法已經(jīng)證明不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。 隨著計算機(jī)技術(shù)與有限元理論的發(fā)展，采用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可以解決經(jīng)驗設(shè)計無法解決的問題。了解金屬塑性變形的各種常量的變化歷程，如金屬成形過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變等，對塑性成形工藝設(shè)計、模具設(shè)計、壓力機(jī)的選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有重大的現(xiàn)實意義。我校在金屬板料沖壓技術(shù)和體積成形中主要選用DYNAFORM和DEFORM軟件進(jìn)行教學(xué)。在板料成形數(shù)值模擬分析 CAE 技術(shù)教學(xué)過程中，以DYNAFORM為主重點(diǎn)介紹汽車覆蓋件的拉深成形數(shù)值模擬，在 Deform數(shù)值模擬 CAE 成形教學(xué)過程中，重點(diǎn)講授模鍛成形和擠壓成形。

塑料模CAE技術(shù)主要是利用高分子材料學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、計算力學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)等基本理論，建立塑料成型過程的數(shù)學(xué)和物理模型，構(gòu)造有效的數(shù)值計算方法，實現(xiàn)成型過程的動態(tài)仿真分析，使對塑料成型過程的認(rèn)識從宏觀進(jìn)入微觀，從定性進(jìn)入定量，從靜態(tài)進(jìn)入動態(tài)，為優(yōu)化模具設(shè)計和控制產(chǎn)品成型過程以獲得理想的最終產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計分析手段。本專業(yè)塑料模具課程以注塑和擠出工藝與模具設(shè)計為主，其中注射成型部分以MOLDFLOW軟件為主，擠出工藝部分以Ployflow軟件為主。

目前，本專業(yè)在本科教學(xué)階段CAE教學(xué)中突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在理解有限元求解問題的本質(zhì)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)相關(guān)的有限元軟件，通過實訓(xùn)掌握簡單的工程問題求解過程和方法，為獨(dú)立應(yīng)用軟件分析問題打下基礎(chǔ)。③但從最終在畢業(yè)設(shè)計中CAE分析應(yīng)用的情況來看，可以熟練應(yīng)用以及解決問題的同學(xué)還占少數(shù)，如何加強(qiáng)本科階段對CAE技術(shù)的學(xué)習(xí)，尤其是通過畢業(yè)設(shè)計這個實踐性更強(qiáng)的過程更好地掌握CAE技術(shù)的應(yīng)用，成為一個亟需解決的問題。

2 加強(qiáng)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中CAE應(yīng)用能力的措施

2.1 改進(jìn)授課方式加強(qiáng)學(xué)生CAE分析技術(shù)的學(xué)習(xí)

采用分散課時授課方法。對于本科生，通過畢業(yè)設(shè)計鍛煉CAE技術(shù)應(yīng)用能力并發(fā)揮其優(yōu)勢離不開前期的課程學(xué)習(xí)。目前材料成型及控制工程專業(yè)CAE技術(shù)教學(xué)安排方面除了有限元理論基礎(chǔ)知識外，還開設(shè)有專業(yè)CAE軟件課程，但課程內(nèi)容通常由授課教師自己掌握，造成出現(xiàn)只偏向一種軟件的現(xiàn)象，如側(cè)重研究注塑成型方向的教師一般只講授polyflow或modflow軟件，而側(cè)重金屬塑性加工方向的教師則可能只講授金屬板料成形和體積成形CAE分析軟件。由于專業(yè)CAE軟件只安排一個學(xué)期的課程，就造成一屆學(xué)生只能學(xué)習(xí)運(yùn)用一種軟件，無法實現(xiàn)在專業(yè)領(lǐng)域通才教育的目的，畢業(yè)生在職場中的競爭力下降。針對這種情況，本文作者提出了專業(yè)CAE分析技術(shù)分散教學(xué)的方法，將CAE課程課時分配到各個專業(yè)課程中，在專業(yè)課程授課過程及課程設(shè)計中穿插講授CAE軟件，從應(yīng)用方法到案例分析與應(yīng)用，讓學(xué)生在專業(yè)知識學(xué)習(xí)過程中體驗先進(jìn)CAE方法，又為畢業(yè)設(shè)計中CAE技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

在CAE技術(shù)授課過程采用有限元理論與軟件操作并重的講解方式。由于本科階段教育，CAE技術(shù)的掌握要求相對不高，課時安排受到限制，因此需要在比較少的時間內(nèi)講解盡可能多的知識。在實際教學(xué)中，一些教師往往把重點(diǎn)僅僅放在軟件操作上而忽略有限元理論講解，使得學(xué)生操作時只能靠機(jī)械記憶，無法與所學(xué)過的理論知識融會貫通，不利于學(xué)生對軟件的更深一步理解。所以在教學(xué)中應(yīng)該采用有限元理論與軟件操作并重方式教學(xué)，教師可以建議學(xué)生去看一些書籍、論文，爭取學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計結(jié)束后，能夠獨(dú)立地完成類似的題目以及難度更高的題目，同時具備一定的理論自學(xué)能力與較強(qiáng)的軟件操作能力。

2.2 從課程設(shè)計開始注重CAE分析軟件的應(yīng)用

軟件的學(xué)習(xí)往往在應(yīng)用中會更容易掌握，尤其對固有的流程、方法與技巧而言，必須經(jīng)過實際操作才能得心應(yīng)手。目前在材料成型及控制工程專業(yè)課程設(shè)計中，往往只注重利用手冊與公式計算來設(shè)計模具，并不強(qiáng)調(diào)CAE技術(shù)的應(yīng)用，只是把CAE技術(shù)的應(yīng)用放到畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，那么大部分同學(xué)會因為基本功能操作的生疏，而對軟件的應(yīng)用失去興趣與耐心，很難達(dá)到CAE分析所驗證設(shè)計方案可行性并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計的效果。因此在培養(yǎng)方案中可注明將CAE分析加入到課程設(shè)計中，從專業(yè)課程學(xué)習(xí)伊始就注重CAE分析的應(yīng)用。如在課程設(shè)計中提出CAE分析應(yīng)用的建議并給出應(yīng)用方法與流程，但不作為必須考核內(nèi)容，而作為額外加分的評估條件，以引導(dǎo)學(xué)生提高對CAE技術(shù)應(yīng)用的積極性。

2.3 增加CAE分析在畢業(yè)設(shè)計中指導(dǎo)與考核比重

CAE技術(shù)在以沖壓模具和塑料模具為課題的畢業(yè)設(shè)計中有著重要的作用，可以有效減少設(shè)計過程中設(shè)計—修正—再設(shè)計的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計達(dá)到或者逼近合用的結(jié)果，這在實踐中具有重要意義。在畢業(yè)設(shè)計中嚴(yán)格控制畢業(yè)生設(shè)計進(jìn)度，在完成初步模具設(shè)計三維造型后，統(tǒng)一進(jìn)入CAE分析階段，模具結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計—分析—優(yōu)化—再設(shè)計修改的循環(huán)的設(shè)計過程。采用集中時段進(jìn)行CAE分析模式的好處還在于便于集中指導(dǎo)。另外在本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計改革階段，嘗試實行了小組制，將同一分析類型的學(xué)生分為若干組，如注塑模具組與沖壓模具組，每一組中分配至少一名能夠熟練運(yùn)用CAE分析技術(shù)的學(xué)生，實現(xiàn)互助促進(jìn)的模式。④

在畢業(yè)設(shè)計考核過程中，既重視設(shè)計說明書中CAE分析內(nèi)容與結(jié)果的正確性與對模具設(shè)計的指導(dǎo)性，又注重學(xué)生在答辯過程中對CAE技術(shù)的理解與應(yīng)用方法掌握情況，防止發(fā)生抄襲或他人代工的現(xiàn)象。

3 總結(jié)

CAE分析在材料成型及控制工程專業(yè)中的作用是不容忽視的，采用分散課時以及改進(jìn)授課方法和考核方式，可有效提高本科生CAE技術(shù)應(yīng)用能力，充分利用課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計的實踐機(jī)會，為畢業(yè)后工作中熟練應(yīng)用CAE技術(shù)打下基礎(chǔ)。

基金項目或者課題項目：山東科技大學(xué)群星計劃資助項目（qx2013221），山東科技大學(xué)特色名校建設(shè)資助項目

注釋

① 李萌崛，焦鈺，張萬明.CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計中的運(yùn)用[J].科技傳播，2012（12）：134-135.

② 申長雨，陳靜波，劉春太，李倩.塑料模CAE技術(shù)發(fā)展概況[J].模具工業(yè)，2001.239（1）：51-56.

③ 秦升學(xué)，任莉新，郝繼東.材料成型計算機(jī)模擬本科教學(xué)的若干問題與對策[J].青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010.23（1）：64-64，68.

④ 梁冬玲，邵新妍，周佳，朱士江.關(guān)于專業(yè)選修課程考核方式的探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報， 2009.35：97.