《金属凝固过程数值模拟》课程的教改探讨

刘光磊

摘 要： 随着社会发展和科技进步，利用计算机进行数值模拟分析已成为材料成型领域研究的新方法。针对当前形势和发展趋势，国内高校将《金属凝固过程数值模拟》这门课作为材料成型专业的一门公共课程。但是，大多数学校该课程教学仍停留在教师“一言堂”或“灌输式”的教学模式下。基于此，在进一步明确本课程教学内容和方法、课程作用及解决问题的前提下，从理论教学和实践教学两大方面提出新的教学思路和方法，对提高课程教学质量有较好的参考价值。

关键词： 凝固模拟 教改 实践

1.引言

材料成型及控制工程专业是教育部1998年新增的专业，它以材料科学为基础，有机结合铸、锻、焊等加工工艺和计算机应用等相关基础学科。材料成型专业作为综合反映一个国家制造技术水平的专业，是促进机械、冶金、汽车、新材料、电器、电子、航天、航空等国民经济发展离不开领域的支柱专业，其培养的人才是社会未来发展不可估量的力量。随着人类社会发展和科学技术进步，对材料成型领域产品的精密性、质量、可靠性、经济和环保等要求越来越高。近年来，计算机技术飞速发展，打破传统材料成型专业单纯依靠反复实验和理论知识解决生产应用过程中的实际问题的僵局，利用计算机科学中的辅助模拟仿真计算功能俨然成为材料成型研究的第三种重要方法。通过该方法可以在研发过程中对新产品的成型工艺进行仿真模拟、分析计算，避免试制或实际生产过程中出现的问题，为根本上解决产品缺陷问题提供有力依据，从而大大缩短研发周期、降低成本、提高产品质量等，是材料科学研究的前沿领域及热点方向。

面对这种形势和发展趋势，所有高等学校都将《金属凝固过程数值模拟》这门课程作为材料成型专业的一门公共课程。遗憾的是，长久以来本课程一直处于教师“一言堂”或者“灌输式”的教学模式下，使得学生的课程兴趣下降，严重影响教学效果。在国家倡导新一轮课程改革浪潮的背景下，我认为更重要的是培养学生获取知识的自觉性，提高学生的创新思维和动手能力。针对当前行业发展和社会需求，从多个方面开展研究和探索，争取为《金属凝固过程数值模拟》课程的教改提供可行性方案。

2.《金属凝固过程数值模拟》课的内容和作用

2.1教学内容和方法

金属凝固过程数值模拟主要是研究金属材料由液态到固态的相变过程，通过建立正确的数学模型，采用恰当的数值计算方法借助计算机解决这些模型，研究金属在浇注和凝固过程中的热量传递、质量和动量变化等现象，从而得到反映凝固过程规律或具有实践指导意义的结果。具体研究对象是：如果说把液态金属的成型过程称之为一个体系的话，那么这个体系包括三个部分：铸件、铸型和处在的环境和两个界面：内界面和外界面。上述体系只能称为简单体系或简化体系，实际生产中的体系会更复杂，也就是复杂（精确）体系：在铸件和铸型之间还存在诸如气隙之类的中间层。以各组元之间的热交换规律分析为例：对于简单体系而言，只要分析金属铸件内部、金属与铸型之间、铸型内部、铸型与大气之间的热交换就可以；对于复杂体系而言，还要分析金属与气隙、气隙内部和气隙与铸型间的热交换，一方面给模拟分析增加了相当大的难度，另一方面分析计算量是成倍增长的，计算机的模拟运算时间会翻倍增加。

通常习惯将金属材料凝固过程模拟分成以下两类：第一，宏观模拟：（1）流动充型场；（2）温度场；（3）浓度场；（4）应力和应变场；（5）宏观缺陷预测。第二，微观模拟：根据上述四个宏观物理场的计算结果，结合相变规律预测微观组织形貌及其形核和长大的动态过程，进而预测材料性能。其研究方法包括三种：一是编程和计算机运算实现：（1）模拟对象分析；（2）数学建模；（3）时间和空间的离散化；（4）数值计算方法（有限差分法、有限元法、边界元法）；（5）线性方程组的求解；（6）图形化后处理。二是借助商业化的通用工具软件实现，如ANSYSYS，有二次开发接口，较简单。主要工作是确定模拟问题的种类和确定单值性条件，重点是CAD建模和网格剖分。三是借助专业化的工具软件实现，如ProCast，无二次开发接口，适合工程技术人员进行菜单式操作。

当然，凝固过程是一个非常复杂的过程，除了金属液流动充型动态过程外，还包括金属与铸型材料的相互作用、铸件的形状特点及金属冷却、凝固时其成分、体积变化等一系列伴生现象。我们利用计算机进行模拟的宗旨是获得高质量的铸件产品。最理想的状态是把上述所有伴随凝固过程而产生实际现象全部纳入一个统一的模型中，这样模拟出的结果更接近实际，也更准确。遗憾的是目前计算机和科技水平还做不到。

2.2课程作用及解决问题

2.2.1预知金属流动与充型过程

流动充型场模拟可以预测充型过程中的冷隔、浇不足和卷气倾向，对设计最佳的内浇口、排气口和浇注温度、浇注过程具有指导意义。

2.2.2预知鑄件的收缩缺陷与补缩

对于金属而言，在凝固过程中会发生体积收缩，并有可能由于得不到及时补充而在最后凝固的部位形成孔洞，一般称为缩孔。如果孔洞很细小，分散分布，又称疏松。预知铸件的收缩缺陷与补缩最主要的方法是采用温度场模拟，如等温线法、温度梯度法等判定方法。

2.2.3预知凝固过程中的偏析

铸件中化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析分为宏观偏析和微观偏析。除了单质外，在一般的凝固和铸造条件下，偏析几乎是不可避免的。对宏观偏析的预测采用温度场、浓度场模拟+相图等手段进行综合分析。

2.2.4预知铸件裂纹

影响铸件产生裂纹的因素很多，如合金成分、浇注工艺、铸件形状、铸型条件等，给计算机模拟预知工作带来很多难题。目前，主要是模拟凝固过程中的温度场、凝固后期铸件的应力应变状态及金属液补缩过程进行判断。

2.2.5预知微观组织和机械性能

随着材料科学的发展，铸造成型方法越来越多，工艺越来越复杂。如制备同样成分和形状的合金铸件，采用砂型、金属铸造得到的同样铸件的组织和性能就不一样，主要是凝固速度不同，所以预知铸件的微观组织和机械性能通常要综合所有模拟的物理场，而且分析起来更专业、更难。

3.教改思路和方法

由于该课程的理论性和应用性较强，因此应强化学生对教学内容的理解接受性，加强学生实际操作能力的培养。

3.1理论教学方面

3.1.1教材选择和建设

学生对相关理论知识的掌握是后续应用的基础。目前，广为应用的模拟软件大多是基于有限元理论开发的，学生必须学会使用有限元法解决工程应用问题。教学时，优选突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步骤、基本方法的教材，这里推荐杨全、张真主编的《金属凝固与铸造过程数值模拟》一书，该教材内容安排合理、浅显易懂。另外，要求教师在讲课过程中适当增加实例講解，使学生理解有限元求解问题的本质。

3.1.2教学手段现代化和多样化

打破传统教学方式，采取现代化、多样化教学形式，如采用Powerpoint、三维动画和视频播放等方式将讲课内容做成课件，充分发挥多媒体的优势，一方面加深学生对难点、重点的理解和认识，另一方面大大提高学生的学习兴趣，更便于学生课后复习。

3.1.3增加教师和学生的互动

课堂教学时间毕竟是有限的，再加上每个学生认识理解问题的能力参差不齐，有必要建立一个网络平台，如QQ群、微信群、论坛BBS等，便于师生之间利用课后时间进行交流和补充，不但能增进彼此之间的感情，更能培养学生的自学能力和创新意识。

3.2实践教学方面

3.2.1软件学习

受课时的限制，本课程的教学重心不会放在软件教学上，这就要求学生利用课后时间进行。目前凝固模拟软件大多是国外开发的，使用语言也是英文，如Pro-cast、Flow-3D、Solidcast、ansys、UG、ProE等，为了降低学生的学习难度，一方面要求教师挑选一种软件在课堂上进行清晰合理的介绍，另一方面可以利用业余时间组织一个短期软件培训班，提高学生软件操作和对模拟结果进行分析的能力。同时，有必要鼓励学生参加相关软件的资质考试，使其具备较高的软件使用能力。

3.2.2课程设计

为了检查学生对课程内容的理解和掌握情况，结合本课程教学安排一至两次课程设计。课程设计内容可以让学生选择感兴趣的零部件生产过程进行模拟分析，教师负责难度把握和协助指导，有条件的学校可以将学生分组进行大型产品模拟设计。整个过程中，要求学生尽量独立思考、分析问题和解决问题，明确如何使用所学知识，为以后实践打下坚实的基础。

3.2.3其他实践

为了取得良好的学习效果，积极开展学术交流和实践交流活动。一是聘请国内外高校或企业材料成型领域的教授、工程师做报告，使教学内容和教学水平紧跟国际先进水平，让学生和教授的综合素质均得到提高；二是精心组织和鼓励学生参加各种比赛，如国家级的“挑战杯”大学生课外科技学术作品竞赛、全国铸造工艺设计大赛，以及学校自己打造的“星光杯”科技文化竞赛等；三是支持学生勇于创新，积极申报“大学生科研立项资助项目”，进一步对所学知识进行应用转化。

4.结语

为了培养出符合时代和社会发展的高素质人才，必须在学生教育和培养环节上进行创新和改革。学生学习凝固模拟这门课的目的是掌握引言中所述的材料研究中的第三种重要方法，解决实际工程问题。因此，绝对不能纯粹地把模拟软件的操作和分析当做本门课的唯一任务学习。在上文论述中，笔者结合工作经验和教学感悟，提出了对《金属凝固过程数值模拟》这门课教改的一些建议和想法，希望对材料成型专业课教学有一定的帮助。

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