高职模具CAD/CAE课程的改革与实践

桂林理工大学南宁分校机械与控制工程系 黄荣学

随着制造业的飞速发展，市场竞争白热化，产品更新换代加快，模具工业正向着信息化、智能化和精密化的方向发展，CAD/CAE/CAM技术的应用，极大的提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期。

中国模具工业协会制定的模具行业“十二五”发展规划中指出：在行业中全面推广模具全三维CAD和CAD/CAE/CAM设计生产技术。可见，模具CAE技术已经成为模具设计与制造的重要发展方向。然而，目前大多高职院校培养的模具专业毕业生达不到企业要求的知识结构，这是因为专业课程的设置偏重于CAD/CAM，而对CAE的重视不够，对学生的培养仅停留在传统模具设计方法上，知识体系不够完善，专业课程体系的设置严重滞后于模具CAD/CAE/CAM技术的发展[1]。由于市场缺乏熟练应用模具CAE技术的专业人才，制约了我国CAD/CAE/CAM技术在行业中的推广应用。因此，作为培养模具设计与制造应用型人才的高职院校应把握行业发展方向，及时调整人才培养方案和进行课程改革，把模具CAE纳入课程内容体系。

1.模具CAD/CAE技术及其应用

1.1 模具CAD/CAE技术

模具CAD技术包括计算机辅助进行产品的几何造型、模具结构的详细设计、模具的分型面、型腔和型芯设计以及基于数据库管理的参数化设计等几个方面；模具CAE技术（Computer Aided Engineering）是计算机辅助模具工程分析，包括产品成型质量分析、模流分析、模具结构优化分析、模具应力应变分析等方面。CAE技术贯穿于产品研制过程的每一个环节之中，用于指导和预测产品在概念、设计和成型阶段的行为。CAD/CAE技术提供了从产品设计到生产的完整解决方案。

1.2 CAD/CAE技术在模具优化设计中的应用

随着产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。通过模具CAD/CAE技术，采用科学、合理的方法，以计算机软件的形式，为模具工作者提供一种行之有效的辅助工具，使他们能借助于计算机对成型制品、成型工艺、模具结构、模具寿命等进行反复的修改和优化，直至获得最佳结果。CAE技术已成为产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经，模具CAD/CAE技术能显著地缩短模具设计与制造周期、降低模具成本、提高模具寿命，保证产品的质量。

目前，CAD/CAE技术已广泛应用于汽车覆盖件模、板料冲压模、注塑模、挤压模、压铸模等模具的优化设计，并取得了瞩目的成效。在汽车覆盖件、板料冲压等冷成形模具的设计中，主要运用CAE进行板料的成形性指标、应力应变、结构优化、模具寿命和成形工艺等的分析，在行业中广泛应用的专用CAE软件有Dynaform、Deform、Pamstamp等。注塑模CAE主要用于充型模流分析、浇注系统分析、冷却系统分析及模具结构优化分析等，专用的分析软件是Moldflow。挤压、压铸模CAE主要用于材料流场数值分析、温度场分析、模具/压铸件应力场分析等，专用的分析软件有ProCast、Flow-3D等[2]。

2.模具CAD/CAE课程改革

2.1 模具CAD/CAE课程改革的必要性

尽管CAD/CAE/CAM技术目前在我国模具行业的应用取得了一定的成效，但由于CAE应用型人才的缺乏制约了CAD/CAE/CAM一体化技术的全面推广。必须认识到，以市场为导向、科学的专业设置与建设是体现高职教育特色及竞争力的两个方面，以职业能力培养作为重点，充分体现职业性和实践性。但从目前来看，高职院校大多都把主要精力放在模具CAD/CAM的教学上，却很少涉及CAE课程。因此，对相关课程的改革势在必行，以适应市场对模具人才的要求。

模具设计与制造专业作为我校高职重点建设的专业之一，结合模具技术的发展情况和学校对人才的培养定位，及时调整了模具专业人才培养方案，在专业课程设置及课程内容改革更新中，增设了模具CAE课程内容。经过几年的教学与实践，并不断对教学内容、教学方法和手段进行改革和探索，已逐步形成了科学合理的模具CAD/CAE课程体系，此课程模块突出了计算机辅助模具优化设计能力的培养，是模具专业人才培养方案中不可或缺的一个环节。

2.2 模具CAD/CAE教学内容安排

模具的种类比较多，实际生产所需模具又以塑料模、冲压模、压铸模等为主，生产企业大多选用UG、Pro/Engineer、Solidworks等三维CAD软件来进行这些模具的设计。以我校模具专业人才培养方案为例，考虑到学生服务面向和岗位能力要求，选用了功能强大的Pro/Engineer作为模具设计教学软件，课程安排在第4个学期进行，此时学生已具备了冲压模和注塑模具设计的理论基础，这将有助于培养学生运用所学的专业知识来进行计算机辅助模具设计，符合教学和认知规律。CAD部分的教学包括基础建模、高级建模以及模具设计三大部分，着重培养学生的空间思维和三维设计能力。而在CAE教学软件方面，选择了广泛用于注塑成型分析的Moldflow软件和用于冲压/压铸成型分析的Deform软件。由于CAE分析是建立在CAD几何建模的基础上的，考虑到知识结构的衔接性，把模具CAE部分的教学安排在CAD课程内容之后进行。

值得注意的是，对于高职院校的学生而言，基础知识比较薄弱，CAE教学不能像本科教育那样过多地引入理论方面的教学，应该主要强调在应用层面的教学，不涉及复杂的算法。课程目标主要是让学生了解有限元法基本思想、有限元分析的基本过程和核心问题，学会利用相关的CAE软件去分析和解决实际问题。

3.教学方法和手段

模具CAD/CAE技术是一门实践性非常强的课程，对学生来说，重要的是熟练操作、灵活应用。根据本人多年的教学经验，以工作过程为导向，采用项目驱动进行讲、练结合的教学方式，为学生设计一个在学中练、在练中学的学习情境，能够取得较好的教学效果。

模具CAD作为一种计算机辅助工具，重点培养学生的操作方法和操作技巧，必须通过引入大量的实际案例来进行教学，让学生在课堂上边学边练，这样可以激发学生的学习兴趣，加深对专业知识的理解。而对于模具CAE部分，因专用软件操作较简单，教学的重点不在于软件的使用方法和使用技巧上，把CAE课程引入高职教育的主要目的也并非要向学生讲授理论知识，而是结合相关专业知识，使他们学会应用CAE软件来解决实际工程问题的能力，同时也为了学生能够加深对本专业的理解。因此，在教学过程中，为了达到预期的教学效果，教师要结合实际的工程案例，善用计算机进行辅助模拟分析，并根据模拟所得的图表及动态云图直观的展现在学生面前，帮助学生分析产品结构、工艺参数等因素对产品质量、生产成本及模具强度等问题的影响，从而培养学生学会分析问题和解决问题的能力。

随着CAD/CAE/CAM技术的快速发展，新产品开发改变了传统的试错设计法，采用从概念设计到计算机模拟分析，再到优化设计的过程，实现了产品高效、低成本的开发设计。高职院校模具专业要结合实际需要对CAD/CAE课程进行改革和实践，使学生真正具备基于工作过程的优化设计能力，同时还要考虑与后续课程模具CAM相衔接，并不断推进模具CAD/CAE/CAM技术一体化课程的教学改革，以培养高素质、有竞争力的复合型模具人才。

[1]姜俊侠,刘白.模具CAD/CAM/CAE技术一体化课程建设初探[J].深圳信息职业技术学院学报,2010,8(3):23-25.

[2]陈晖,周细应,李名尧.模具CAD/CAE/CAM技术的应用及其发展趋势[J].铸造技术,2010,31(11).

[3]管爱枝,施于庆,王瑞金等.模具CAD/CAE/CAM课程的教学改革与实践[J].浙江科技学院学报,2010,22(2):153-156.