基于产教融合的“大型冲压件成形过程”虚拟仿真实验项目建设

吕东莉，张小东，王 斌*

（1.西南石油大学新能源与材料学院 四川 成都 610500；2.通威太阳能有限公司 四川 成都 610299）

随着科技的不断更新和产业的转型，我国的策略和行业结构也在经历重大的调整。通过把握技术创新的机遇，推进改革和创新，并加强对科技创新的支持，这将成为我们走向新时代具有中国特色的社会主义的关键途径。加快实现高水平技术自主和自我完善，是推动高质量发展的必由之路。在这个全新的时代，产业与教育的结合以及科学与教育的结合，已经成为创新驱动的国家策略中培育优秀的创新型人才的基础方法[1-2]。教育部为了实施习近平总书记对于加强实践教育工作的重要指示，发布了《教育信息化2.0》[3-4]。借助于大学实验教学变革以及实验教学项目的数字化构建，已经启动了一系列的示范性虚拟仿真实验教学项目的建设，以此来加强信息科技与大学实验教学的紧密结合[5]。与传统高校实验项目相比，虚拟仿真实验可为学生提供一个更加安全、经济和可控的实验环境，同时也为教师创造了全新的教学体验和机会。高校虚拟仿真实验项目的建设，由于其不受空间的限制、方便的学习方式和广泛的接收群体，并且能通过积极宣传和普及优秀的虚拟仿真实验项目，从而达到对优良教育资源的有效分享。

文章针对西南石油大学在人才培育供给侧以及产业需求侧在结构、质量尚未完全适应的问题，学校选择与通威太阳能这样的光伏领军公司进行紧密的合作，以此形成了一个深入的学术、科技、工程的协同合作关系，并获批“四川省光伏产业的产教融合综合示范基地”。

1 虚拟仿真实验教学项目建设的必要性

在当前“新工科”建设大背景下，传统的实践教学方式已不再满足新的需求。“塑性成型原理及工艺”作为材料成型及控制工程专业的核心专业课程，其独特之处在于其深厚的理论基础和对实际操作的严格需求。然而，由于塑性成形实验设备主要是大规模的重型设备，并且它们的占地范围大，所以其价格也相对较高，这就导致了需要的配套设备众多，从而使得其运营成本相当昂贵。此外，由于塑性成形过程需要承受高压，因此，为了保证安全，学生无法单独进行实验的设备操作。并且在实际实验过程中，无法对零件的塑性成型过程中的塑性变形区域、压力和应变的变化以及每个部位的尺度的动态改变进行即时的监控。根据虚实互补的原则，使用了一个基于金属材料成型的虚拟仿真试验平台，来模拟零部件的冲压制造流程。在这个过程中，学生有能力全面掌握整个零件的冲压制造过程，实时观察零件形成过程中材料的塑性流动和各部分应力应变场的动态变化。这种方式不仅提升了实验的趣味性，也激发了学生对材料成型及控制工程专业的学习兴趣，为学生提供了探索性学习、独立实验和创新实践的先进方法。同时也解决了实验投入大、能源消耗高、风险高、费用高以及观察困难的问题。

虚拟仿真实验项目提高了学生主动参与实验的兴趣，学生可在虚拟环境中进行安全的实验操作、数据收集、现象观察，并对实验过程和结果进行分析和解释，从而培养学生的实验技能、问题解决能力和创新思维能力。新能源与材料学院以虚拟仿真实验的建设为主旨，融入JSCAST、DEFORM等仿真工具以及虚拟的模具制作车间软件，在成功搭建出材料成型虚拟实验平台的前提下，结合教师现有的科学研究资料，打造出符合“设计―加工―结构―性能”实验需求的材料科学与工程虚拟仿真实验教学平台。

2 虚拟仿真实验项目建设实践

2.1 实验教学方法

压力容器封头的冲压成形属于一种拉深成型，由于成形过程受模具的限制，板材在冲头的压力影响下可能产生明显的形状和偏移。由于板料和模具之间的摩擦，封头冲压实际上是一个包含了几何、材质和边界非线性的复杂的动态物理流程。在冲压过程中，冲压板料的各个部位承受的压力会持续变化。在封头顶部，板料处于双向拉伸的状态，而在冲压件的凸缘区，板料的受力则是一方面受压缩，另一方面受拉伸。由于这个负荷环境，板材很可能会在挤压时产生起皱现象。通常，为了防止出现皱纹，需要调整摩擦系数或者施加某种程度的压边力，但是这样做也会导致板材的壁厚发生变化，从而在某些地方可能出现过于薄弱的情况，进而构成了设备在运行中的潜在风险。

“大型冲压件成形过程虚拟仿真实验”的实验理论上主要依托“塑性成型原理及工艺”这门课中冲压模具结构及工艺设计的相关理论，而通过“材料成型数值模拟”这门课程的学习，学生已掌握了材料成形过程中的有限元模型的思想和方法。VES（Virtual learning+Expert demonstration+Self-practice）的教学模式被应用于该实验项目，即“虚拟学习+专家示范+自主实践”。“虚拟仿真实验”的教学内容包括：在实验前集中阐述实验的具体要求，然后在实验过程中由教师示范实验流程，接着由学生独立拆装冲压模具、自主学习冲压模具结构及冲压生产流程，最后进行大规模冲压零部件生产的仿真模拟（集中+分散），以及对大规模冲压零部件生产工艺的分析总结（集中）等步骤。

2.2 实验教学实施过程

为了模拟真实的制造任务，创建了一个由学生、教师以及其他指导员组成的学习小组。在实验的初期，学生们会使用视听教育和虚拟仿真的方法，利用虚拟的网络平台来进行初期的模具拆卸、塑性工艺以及模具知识的学习。学生可以进入模具的虚拟装配车间，在仿真软件中，他们能够通过各种模具的自我训练来熟悉模具的拆卸操作，并且通过这些模具的拆卸来加强他们的学习过程，在此基础上学生完成相关冲压模具的拆装考试。教师以实际的封头零件成形过程为任务引领，依据实验任务来解读这个零件的成型工艺特性，并阐述其虚拟成型的基本技巧。通过使用虚拟实验平台来展示实验操作步骤，指导学生在独立完成冲压模具和工艺设计的前提下，运用虚拟仿真实验平台进行相关的实验操作，并结合理论知识来探讨工艺参数的改变如何影响金属的塑性流动和应力应变场的变化。学生们可以在虚拟实验平台上独立进行零件的模拟制造，并对其结果进行全面的评估，从而达到虚实相辅的效果。“授课、研究、实践”三者相辅相成，既富有教育意义又充满乐趣，这样做不只有助于激发学生的学习热情、主观精神、自我驱动，也有助于训练他们在实践过程中寻找并处理问题的技巧，推动他们的创新思维和技巧的成长，并且提高他们的独立分析和处理问题的技巧，从而提高教育的成效。

2.3 实验评价体系

在传统的试验教育方法里，教师的角色是核心，而且主要的任务就是灌输知识，这种方法的特点就是学生只能接受一种单一的、被动的学习方法。通过运用虚拟仿真实验项目的教育方法，将学生置于核心位置，这样可以让他们在参与项目的过程中，既能掌握所需的知识，也能在学习过程中完成相应的任务，进一步促进他们独立地构筑和理解所需的知识。此外，虚拟仿真实验的教育打破了传统的实验课的时间和地点的束缚，让学生能够依照他们的喜好进行“重复试验”“随机试验”和“移动试验”。这样，不仅使得课程内容有了更广阔的应用，也极大地提升了学生的个性和独立思考的能力，从而真正达到了让学生独立学习和积极参与的目标。通过虚拟模拟实验，学生们可以利用校园网络，无论是在寝室、图书馆还是其他场所，都能够自由的访问并参与到课程中，这种模拟的形式让学生们通过协作，一起完成最后的零部件成形，这也有助于提升他们的全面性、深入性的思维技巧，并增强了他们处理问题的能力。通过系统的自动化评估，能够将小组讨论、个人报告和实验报告等多个步骤融为一体，以便对项目进行全面的评估。

3 持续建设服务计划

这个虚拟仿真实验项目已经完成基础环节的构建，并在2021 年被授予四川省级的一流虚拟仿真实验教学课程。伴随着教育资源的持续优化以及行业对专门技术的持续更新，会持续优化实验教育的内容，并提升教育的手段，并完善对于虚拟仿真实验教学中心的管理体系。构建了一个可以互相交流的虚拟仿真实验教学资料的反馈平台，允许老师与学生对这些资料做出批判性的评估与回应。同时，基于项目实验的流程以及评估系统得出的结论，可以更好地优化这些仿真实验的教学资料，以保证其可以持久且高效地发展。目标是把这个实验项目塑造成与生产、技术、工艺紧密结合，且具备极高的实际应用性和独特性的仿真试验项目。利用专业研讨会和学术论文等方式，提升与材料成形及其控制工程、材料加工工程、机械制造及其自动化等相关领域的大学的沟通与协作，进一步加深大学间的资源共享，借鉴相关大学的教育计划以及虚拟仿真实验项目的优势，逐渐达到虚拟仿真实验项目学分的互认。

4 结语

随着产业结构的转变和提升，对于高质量的技术工人和创新型人才的急需日益增长。“产学合作、产教融合”已经成为当前大学教育优质发展的一个核心路径，也是推进教育改革的一个关键环节。材料成型及控制工程专业的学生需要掌握将理论与现代工具相融合的技巧，并且需要拥有针对复杂工程问题进行深入的分析和探讨，以及制定出适当的策略和处理这些问题的技巧。这个专业的方向是强化基础知识、培养创新思维和提升工程技术。通过本次实验，对冲压生产中常见的质量问题和模具设计问题进行了深入分析和解决，以此加强学生对模具结构设计理论的理解和掌握。这不仅使学生对塑性加工工艺和模具内容有了更深的理解和认识，也提升了他们运用现代计算机工具对油气设备零件成形过程进行综合分析的能力，从而提高了他们在油气设备零部件成形设计、制备、模拟和优化方面的能力。