虚拟仿真技术在材料成型专业本科教学中的应用

[摘 要] 实践性教学环节是材料成型专业教学体系的重要组成部分，是实现理论知识与实际应用有机结合的重要途径，对学生的能力培养和综合素质的提高起着极为关键的作用。但是受设备数量、成本控制、安全隐患、办学条件等问题的制约，实践性教学很难保质保量的贯彻落实。针对当前实践教学中存在的部分问题，虚拟仿真技术以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。主要介绍了虚拟仿真技术在材料液态成型、塑性成型、焊接成型等领域的发展，并探讨其在材料成型专业本科教学中的应用。

[关 键 词] 虚拟仿真；材料成型；本科教学；模拟软件

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）25-0082-02

高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。实践教学与理论教学相辅相成，是实现理论知识向应用能力转化的重要途径[1]。材料成型类专业范围涵盖铸造、锻造、冲压、焊接、粉末冶金、注塑等诸多技术领域，属于应用性和实践性较强的专业。但是，由于该专业的实验设备多为大型重装设备，占地面积大，设备台套数少，运行成本高，能耗污染大，加之该专业社会需求大，学生人数多，传统实验教学模式难以满足其培养要求[2]。因此，亟须通过一种低成本、安全性高的方式，作为传统实验教学的补充和补强。

虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出一个实际存在或正在设计中的真实情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。它作为理论与实践结合的第三种有效手段和方法，目前已成为解决材料成型类专业实践的重要手段[3]。材料成型过程模拟也是改变我国制造业落后面貌的关键技术之一[4]。在西方先进工业国家，模拟仿真技术已逐渐成为材料成型工艺设计的规范。美国是虚拟仿真技术的起源地，在这个领域代表了国际先进水平，也是第一个把虚拟仿真技术应用在教育教学中的，目前在感知、用户界面、后台软件和硬件等几个方面，形成了一个比较系统的虚拟仿真教学仪器架构。在我国，各个大学和研究机构也已经开始利用虚拟仿真技术，通过模拟软件，再现材料成型过程，提高实验教学的效果。

近年来，虚拟仿真技术發展迅速，模拟软件层出不穷，非常适合材料成型专业的实验教学和研究，其友好的交互界面和虚拟仿真环境，有利于培养学生在专业课实验环节的创新实践能力。在实物实验条件达不到良好效果的情况下，运用计算机数字仿真技术可弥补其不足，提高实验教学的效果。本文主要介绍虚拟仿真技术在材料液态成型、塑性成型、焊接成型等领域的发展，并探讨其在材料成型专业本科教学中的应用。

一、虚拟仿真技术在材料成型领域的发展

近20多年来，材料成型过程的虚拟仿真得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿之一。材料成型过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察。利用虚拟仿真技术模拟材料成型过程，可预测产品的质量，确定最佳的工艺流程，动态显示各个物理量的演变历程和空间分布并提高劳动生产率。目前，虚拟仿真技术已广泛用于金属液态成型、塑性成型、焊接成型等多个领域。虚拟仿真技术在材料成型中的应用，使材料成型工艺从定性描述走向定量预测的新阶段；为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案；从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段；对实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有非常重要的意义。

（一）液态成型虚拟仿真技术

液态成型技术是材料通过改变物理状态，实现“固态—液态—固态”的转变，一次性成型来完成产品生产的工艺过程。其成型工艺过程复杂，生产周期长，影响因素众多，质量难以控制。而计算机的迅速发展使解决这些长期阻碍铸造生产发展的问题成为现实。虚拟仿真的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行准确的计算以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容包括温度场、流场、浓度场、应力场的计算。目前液态成型计算机模拟技术主要包括四部分内容：凝固过程数值模拟、充型过程数值模拟、热应力及残余热应力数值模拟和微观模拟，能够实现从熔体到零件完整过程的模拟并对可能出现的缺陷进行预测。

（二）塑性成型虚拟仿真技术

塑性成型中涉及复杂的物理现象和模具形状，难以进行精确的理论分析。如何及时和正确地评价工艺和模具设计的可行性，以保证生产出合格的产品，还没有得到很好解决。塑性成型过程的虚拟仿真技术是在计算机上对金属塑性成型过程进行实时跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个过程的技术。其目的在于通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变和组织等进行仿真，实现对工艺过程、毛坯形状以及模具结构的优化。它能缩短研发周期，提高产品质量，延长模具寿命，降低生产成本。在国内外，塑性成型数值模拟已成为某些大型企业新产品开发链条中不可缺少的环节，同时数值模拟对优化已有产品的生产工艺同样具有重要意义，如美国福特、通用汽车公司在开发新车型时，已将板材冲压过程的数值模拟作为一个重要的技术环节，德国应用虚拟仿真技术对质量为400 t的核电转子锻件的锻造工艺进行校核、优化，确保一次制造成功。

（三）焊接成型虚拟仿真技术

焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金、力学和材料学等多学科的复杂的物理-化学过程。焊接中的电、磁、传热和金属熔化、凝固、相变等现象对焊接结构或焊接产品的质量影响极大。由于金属焊接成形所涉及的可变因素繁多，因此，单凭经验积累和工艺试验来控制焊接过程，既费力费时，又增加成本。在计算机技术的支持下，利用一组描述焊接基本过程的数理方程来仿真焊接中的电、磁、传热和金属熔化、凝固、相变，以及应力、应变等现象，然后借助数值方法求解这些数理方程，从而获得对焊接过程及其影响因素的定量认识，这就是所谓焊接过程的虚拟仿真技术。一旦实现了各种焊接现象的计算机模拟，就能够在此基础上先期预测和控制焊接质量，优化焊接工艺、焊接参数和焊接结构，有针对性地解决焊接加工中的实际问题。

二、虚拟仿真教学活动

随着时代的发展，材料成型工艺与计算机模拟技术的结合将更加紧密，而这方面人才还十分匮乏。作为教师，应认识到虚拟仿真教学在新工业技术革命人才培养中的潜在作用。中国矿业大学材料学院前期已进行了材料成型虚拟仿真技术的发展探索，开设了数值模拟基础课程有限元分析基础、物理建模课程UG模具设计和计算机模拟课程材料成形过程数值模拟仿真。可有效地将有限元分析的基础理论与实验过程有机结合，利用UG建立模型，进而对材料成形过程进行模拟仿真，实现“理论—建模—模拟”一体化发展。

在传统的教学模式中，理论课与实验课是分离的，这就导致技能训练得不到及时的理论指导，而理论课也没有结合生产、生活实际，使得学生的技能掌握不到位。工科类的专业知识体现在书本上内容枯燥且晦涩难懂，理论强，深入理解困难，也使大多数学生还没开始学习便产生畏难情绪，而且单纯的理论讲解和灌输很难使学生真正理解这门课程。但是利用虚拟仿真辅助教学后，教师可以把枯燥复杂的理论及工艺用图像或动态模拟的形式形象直观地展现给学生，而且图像能把很大篇幅的文字用简单易懂的形式表现出来，如在讲解材料拉伸变形时，可以利用模拟仿真视频来介绍变形过程以及控制变形的措施，这种直观化和可视化的效果使难记忆的专业知识变得简单易懂，加深了学生印象，促进学生更好地掌握专业理论知识。另外，金属塑性成型中涉及复杂的物理现象和模具形状，难以进行精确的理论分析，此时通过虚拟辅助可以有效解决这个问题，可以通過计算机图形系统演示整个过程，对金属的变形、应力应变和组织等进行仿真，实现结果优化，缩短研发周期，提高产品质量。

通过理论教学和实验教学的结合，学生学到了虚拟仿真过程的基本理论以及材料成型过程中的温度场、应力、应变、位移等数值模拟，进一步将课堂上所学到的理论知识与实践有机结合起来。在此过程中，不仅取得了良好的教学效果，学生的综合素质得到了提升。通过计算机软件的设计、绘图、模拟分析结果以及做出的动画效果，学生会在学习过程中获得成就感，提高学生对学习的兴趣，同时可以培养学生查阅文献、分析总结和独立解决问题的能力。这种教学方法生动形象，改变了传统“灌输式”教学模式，很接近现实工作场景，有利于提高学生兴趣，使教和学都得到了改善。针对我校材料成型专业的教学特点，通过在理论课程中加入虚拟仿真方法介绍、举办虚拟仿真相关的软件培训、指导学生参加全国铸造大赛等教学方式指导学生学习虚拟仿真，加强教师的主导作用，强调实践环节，以培养学生的能力为中心，使学生通过虚拟仿真教学建立起对材料成型专业的直观认识，使学生能够熟悉今后所从事的主要工作方向，提高学生的工程训练水平和实践应用能力。

虚拟仿真技术已广泛应用于材料液态成型、塑性成型、焊接成型等各种领域，它在材料成型中的应用，使材料成形工艺从定性描述走向定量预测的新阶段。在新工业技术革命的大背景下，虚拟仿真教学的开展与建设将有效促进复合型科研人才的培养，为新型产业输送技术型人才，促进外延学科的协同人才培养。本文着重介绍了材料成型虚拟仿真技术，并初步探索了新形势下材料成型专业虚拟仿真教学的思路和方法，相信通过不断的改进与完善，并加强与其他高校的合作与交流，虚拟仿真教学在创新型人才素质教育中发挥的作用将更加显著和重要。

参考文献：

[1]周志明，陈元芳，黄伟九，等.材料成型与控制工程专业实践教学改革与探索[J].Proceedings of Conference on Creative Edu-cation（CCE2012），2012：166-169.

[2]申文竹，王斌，易锋，等.材料成型虚拟实验平台的建设及实践[J].大学教育，2017（5）：72-73.

[3]李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.

[4]李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J].模具工业，2005（7）：9-12.

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