数值模拟技术在材料塑性成形教学实践中的应用

王华君，汤 玄，朱春东，张 洋

（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）

材料塑性成形是包含材料学、塑性力学和机械学等内容的交叉型学科，主要的研究分析方法有上限法、主应力法和有限元法等。作为工程技术类学科，在教学中除了系统的专业理论知识学习以外，还需要将大学教育与工业实践相结合，培养学生的实践动手能力，使学生具备发现问题和解决问题的能力[1]。

然而，目前本科生在入学之前，没有任何工业实践经验，从事此类专业教学的教师，大部分从大学或研究院进修后，直接从事教学工作，也没有长期的工业实践经历。此外，培养时间和经费的限制，使得针对工业实践的教学，无法系统充分地实施。

随着计算机数值模拟技术在工程技术领域的应用日渐普及，有限元技术已成为塑性成形领域教学与研究中的关键性技术[2～3]。通过使用商业化有限元仿真软件，进行成形数值模拟，对金属成形工艺设计、模具设计以及成形品质的控制等，具有很大现实意义，可以部分解决实践经验不足所带来的问题。在实验方面，不再受到过多的时间及经费的限制，使学生在专业知识学习和实践认识方面，形成了很好的衔接。

1 数值模拟引入教学体系

在国内外的多数大型企业中，数值模拟已成为新产品开发链条中不可缺少的一环。工厂企业要求从事本专业工作的学生，能够有扎实理论知识的同时，具有较强的实践能力[4]。

为了让学生能够更好的理解数值模拟计算解决问题的基本思想，近年来，武汉理工大学材料科学与工程学院逐步建立和开设的有限元理论和数值模拟类课程，形成了完善的教学体系（图1），取得了很好的教学效果。

图1 材料成形数值模拟引入教学体系

2 在基础实验教学中的应用

塑性成形原理是本专业的基础课，正挤压、反挤压以及圆柱镦粗实验，是金属塑性成形原理专业课程中的重要实验。传统的实验教学，具有一定的局限性[5]，学生无法直接观察到塑性变形过程中材料在模具型腔内的变形过程，只能通过观察变形结束后网格的变化情况，来推断金属的流动情况，对于变形过程中的其他信息也无法直观了解[6]。

现在，在教学中使用DEFORM软件进行相应的数值模拟实验，不仅可以动态的观察到变形的全部过程，直观地了解材料在模具内的流动过程，利用软件的后处理功能，还能对变形过程中的应力场、应变场和温度场等进行分析。

在“摩擦对镦粗变形的影响”的实验教学中，无法演示摩擦系数为0或1这样理论值时的变形情况。采用有限元与实验相结合的方法，则变形过程一目了然，并能清楚地看到摩擦系数对镦粗变形的影响（图2）。

图2 镦粗不同摩擦系数时的速度场分布图（摩擦系数a为0；b为0.12；c为1）

在正挤压实验教学中，要求学生在一定范围内修改摩擦因子、凹模角度、温度、凸模运动速度等参数，观察分析这些参数对于成形情况及变形过程的影响。此类开放性实验，学生拥有一定的自由性，能够进行传统实验中没有或无法进行的各种实验，教学效果非常好。

3 在本科毕业论文教学中的应用

毕业论文是大学教育的最后一个环节，毕业论文的品质，也是检验学生对于所学专业知识运用能力的一个重要标准。随着数值模拟在本科教学中的逐渐推广和发展，学生已经能够将数值模拟作为一种重要的分析工具，完成比较优秀的毕业论文。以下是一些主要采用数值模拟技术完成的本科毕业论文案例。

3.1 精密塑胶件热冷循环模具注塑成型塑料流动与工艺优化

在2010年本科毕业论文阶段，尝试将3名本科生的毕业论文与科研项目“精密塑胶件热冷循环模具注塑成型技术及其产业化——广东省科技厅（2009 B0906 00025）”结合起来，取得了良好的效果。

研究内容解决了该项目中塑料流动与工艺优化关键问题，其中陈浩同学的毕业论文，获得2010年度湖北省优秀本科生毕业论文一等奖。

3.2 精冲工艺有限元模拟

精冲成形过程复杂，温度、应力难以测量。采用数值模拟研究精冲过程中的金属流动规律，可以加深对精冲的实质上的理解，验证精冲原理中有关金属流动规律的描述。

魏鹏程对AISI-1035钢精冲工艺进行了有限元建模，重点研究了精冲过程中金属的流动规律、验证了静水压力的作用，并对精冲和普冲进行了比较；在热力耦合模型基础上，分析了变形区内的等效应力和等效应变等分布（图3）。该论文获2007年度湖北省优秀本科生毕业论文二等奖。

图3 精冲成形过程数值模拟（a为静水压力分布；b为温度场；c为应力场）

4 结束语

武汉理工大学材料塑性成形专业方向，近年来将数值模拟引入到材料成形教学实践中，优化了传统的教学体系，针对工程技术类人才培养的特点，在解决加强理论与实践相结合的问题上，找到了新的途径。从有限元模拟技术与教学实践整合的运行情况看，多个班级（如2006级、2007级塑性成形与模具专业本科生）的教学实践表明，教学效果明显，具体体现在：

一是促进了学生对塑性成形原理基本理论的理解；

二是提高了学生的综合能力和创新精神；

三是进一步提高就业竞争力，促进了本科生就业能力的提高。

[1]W Johnson.Developments in forming technology-an engineering educator’s approach[J].Journal of Materials Processing Technology，1992，（931）：1-26.

[2]A E M Pertence,P R Cetlin.Analysis of a new model material for the physical simulation of metal forming[J].J of Materials Processing Technology，1998，(84)：261-267.

[3]权国政，周 杰，艾百胜.推广数值模拟教学培养高层次材料成形类人才[J].中国科教创新导刊，2009，（11）：1.

[4]Taylan Altan.Education and research in engineering-how are we doing in a rapidly changing world，Integrated Systems Engineering Seminar.[DB/OL]http://nsm.eng.ohio-state.edu/html/education.Html.2010-02-10.

[5]贾俐俐.挤压工艺及模具[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]林新波，李积彬，王 艺.金属棒料正挤压成形综合性实验的设计与探索[J].实验技术与管理，2005，5(25)：56-60.