虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用

吕东莉 张涛

摘要：本文从材料成型与控制专业培养的目标与特点出发，总结以往教学及实验中的一些经验，探讨了将虚拟仿真应用到专业综合实验教学中的必要性。结合近年来综合实验教学实践发现，将虚拟仿真技术引入到材料成型与控制专业综合实验中，培养了学生综合运用专业知识与工程实践的能力，教学效果明显。

关键词：虚拟仿真;专业综合实验;材料成型与控制;实践

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）46-0226-02

一、前言

随着人类社会的发展和科学技术的进步，传统的单一专业的技术型人才已经不能满足社会发展的需要，而需要具备材料成型加工工艺及模具、成型加工设备及自动控制等知识和能力的应用型综合人才。加快材料科学与工程教育的改革，培养能够适应社会快速发展，并能持久地为我国材料技术和经济发展服务的创造性人才已迫在眉睫[1-2]。实验教学是教学活动中的关键环节之一，它不仅是对理论教学的验证、补充和拓展，而且还是培养学生的创新能力、实践动手能力和发现并解决实际问题能力的重要途径，已经越来越受到人们的关注。传统的材料成型与控制专业教学中实验教学和实践环节严重滞后，为此西南石油大学材料科学与工程学院调整教学计划，让学生基本完成了专业基础理论课程的学习和专业方向课程实验的基础上进行专业综合实验，通过专业综合实验的开展，加深了学生对材料成型与控制专业理论知识的理解与掌握，更为重要的是可以使学生将已学的各门课程的知识联系起来，并加以综合运用。

二、材料成型与控制专业综合实验的实施

根据专业培养目标要求，我校材料成型与控制专业建立了符合工程教育规律的教学体系，构建了材料成型各专业方向所需知识和技能平台实验教学体系，即专业课程基础实验、专业综合实验、研究与创新实验三层次的实验教学体系。其中专业综合实验是将专业基础理论及实验方法有效地融合后开设的实验，学生在开展综合实验过程中不再孤立地进行各专业模块操作，而是将专业模块有机地结合起来，使材料成型与控制工程专业的学生具备进行合成制备工艺的初步设计、工艺与性能关系、结构与性能关系的综合训练[3]。

三、虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用

1.虚拟仿真技术应用的目的。随着近年来材料工业的不断发展，材料成型及控制专业也已经远远超出传统热加工的范畴，已经形成了一个从材料加工的基础理论知识开始，进而对材料成型的形状控制、组织结构控制、性能控制和生产过程控制，能够完成模具计算机设计及制造、材料成型计算机仿真与控制、新材料、新产品工艺的开发等的完整体系。材料成型与控制专业是一个连接材料科学与实际工业应用的桥梁。正是由于这种“桥梁”的特点，要求该专业的学生特别注重理论和实践相结合，能够在学习的过程中做到多动脑，多动手，细体会。在专业综合实验教学中，由于材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察，材料成型与控制专业的虚拟仿真实验可以开展高危、高成本、极端条件下的材料制备、分析及加工的虚拟仿真实验，可以使学生直观明了地了解材料成形的全过程，形象具体，相似度高，起到理论联系实践的学习效果引导学生兴趣，这样就比单纯理论和实验研究做得更深刻、更全面、更细致，甚至还可以进行一些理论和实验目前暂时还做不到的研究。

2.虚拟仿真技术应用的条件。在当今计算机技术的快速发展及大范围推广应用的条件下，学生日常生活、学习、科研工作中越来越离不开计算机这个重要的工具。为了让学生能够更充分有效地利用计算机，近年来，西南石油大学材料科学与工程学院逐步开设了有限元理论和数值模拟类课程，使学生理解虚拟仿真解决问题的基本思想，购买了大型有限元软件DEFORM、JSCAST和SYSWELD等软件，形成了完善的教学体系，取得了很好的教学效果。针对材料学科特点材料成型与控制专业开设了计算机相关教学内容：

（1）计算机辅助工程。随着计算机技术及应用的迅速发展，使计算机图形学、计算机辅助设计与计算机辅助制造等新技术得以十分迅猛地发展。计算机辅助工程可以包括工程和制造业信息化的所有方面，对材料成型加工过程进行模拟，能及早发现工艺及模具的设计缺陷，并能对加工产品运行的可靠性进行模拟及评估。开设的计算机辅助工程的相关实验，把CAD与CAE技术结合起来，通过这些实验，让学生亲身体会到计算机在工程实际中的应用，学生可以完成相关材料成型工艺设计，并通过有限元分析等手段校核设计结果，并通过结果分析进而进行工艺及模具的优化设计。

（2）材料加工过程的数值模拟。通过上机模拟实验，学生利用掌握的有限元理论进行对材料加工过程进行相关物理场的分析计算。

液态金属充型过程的计算机模拟：液态成形过程的计算机模拟已由形状尺寸的宏观模拟进入微观模拟阶段。通过对液态金属凝固过程的建模与分析，可以模拟得出凝固组织相形态、凝固过程中晶粒度的变化、凝固过程中微观缺陷的种类及出现的位置，最终可以依据这些内容对铸造工艺进行优化设计。铸造仿真软件JSCAST可进行几乎所有的铸造工艺过程模拟，包括：压铸、重力砂铸、金属型铸造、半固态铸造等。可以对铸件成形过程中流场、温度场进行模拟，并能够预测铸造过程中的缺陷;从而对铸造过程中所涉及的工艺参数和工艺方案等做出评价和优化，达到降低试生产次数、减少模具费用，提高批量生产的产品品质和成品率，最大可能地节省能源、降低成本。

塑性成形的计算机模拟：金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。对金属塑性变形过程中金属流动特点、组织转变规律、缺陷的种类及产生部位的判断往往是依据工程师经验的积累，因而一些复杂的产品的成型加工质量难以保证。随着金属塑性成形技术的日益发展，人们意识到金属材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度的变化和微观组织的变化对产品质量都有很大影响，人们对金属塑性成形过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。塑性成形过程的计算机模拟是利用计算机技术上对金属塑性成形过程进行多物理场的分析，并通过计算机图形系统将求解的各物理场结果进行演示，如图1所示。用塑性加工过程模拟可以实现的功能很多，例如揭示塑性加工过程，建立变形、力学参数和温度等的函数关系，制定最佳工艺过程及制度，设计最佳设备结构和参数，用于求解金属变形过程中各物理场的分布规律，进行模具受力分析及寿命预测，预测金属的成形缺陷类型及产生部位。

焊接过程的计算机模拟：焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程，该过程是涉及传热传质及力学等的复杂过程，实际生产过程的影响因素也非常多，单纯进行理论分析很难准确地解决生产实际问题。通过焊接过程计算机模拟技术，可以定量分析焊接过程中各因素对焊接质量的影响规律。通过焊接过程的计算机模拟可以分析焊接热传导、焊接熔池中的流体动力学、焊接电弧的传热传质过程、焊接变形和残余应力的预测分析等。焊接模拟软件SYSWELD完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。

四、效果

通过将虚拟仿真技术应用到专业综合实验中，使学生对本专业的专业技能、加工设备及工艺等方面的情况有较为全面的了解，能将课堂所学的理论知识付之实践中，取得了良好的效果。

1.综合素质得到提升。不仅锻炼了学生的观察能力、分析能力、动手能力，提高了综合应用知识的能力，而且让学生领会了分工合作的团队精神和锻炼了协调处理技术问题和人际关系的能力，使学生得到了真正意义上的综合锻炼。

2.积极性和主动性得到加强。综合实验增强了他们吃苦耐劳的精神、克服困难的勇气和对专业的兴趣和自信心。

3.教学相长。学生在实验中会遇到各种各样的问题，有些问题需要教师深入思考来解决。因此，这使得教学与实践更紧密地结合，促进教师专业知识的提高。

五、结论

将虚拟仿真技术用于材料成型与控制专业的综合实验中，可以很好地解决实验教学、科研项目方面的一些问题，使材料成型与控制专业的学生在学习相关专业理论知识的基础上，将工业生产实际与理论很好地结合起来，使学生在综合应用基础理论知识、独立解决工程问题和提高自身创新等能力方面得到系统训练和提高，通过近几年的教学实践证明，实验教学特色、实验教学成果和效果、学生第二课堂活动等方面取得了丰硕的成果。利用计算机虚拟仿真技术为材料成型与控制专业实验教学服务是今后各个高校研究的重要课题。

参考文献：

[1]贾俐俐，孔凡新.材料成型及控制工程专业教学改革的探索与实践[J].南京工程学院学报：社会科学版，2007，4（7）：50-55.

[2]黄贞益.材料成型及控制专业建设探讨[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2005，（1）：107-108.

[3]吉爱国.综合性实验教学模式的探讨与实践[J].实验室研究与探索，2007，26（1）：94-96.