新教改下有限元分析技术在热处理实验教学中的探究

王春政 毛星 毛桂生

摘 要：有限元分析技术可用来求解温度场等热处理工程上的问题.该技术可以用ansys软件在热处理实验教学中进行仿真实验教学，在新教改的思想指导下为热实验教学开辟出一条新途径。该方法与普通实验相比具有形象、直观、充实等特色.ANSYS软件可直观的对热处理实验的过程进行仿真。通过将实验结果与ANSYS软件分析结果进行对比，有利于学生直观掌握理论知识，使得热处理实验课内容充实饱满。

关键词：有限元分析；热处理实验；新教改

1、项目的意义

热处理实验中“热处理前后力学性能对比观察实验”，该实验用于分析热处理前后各种材质试样硬度变化。以往实验过程中实验教学仅是实验教师按照试验大纲要求进行实验讲解示范，学生进行演示，并得出相同的结果，即为达到实验要求。此种实验教学仅是让学生机械式的重复，对热处理过程的热处理工艺在温度上是如何影响硬度这一现象没有进行深度思考。机械式的实验教学不能够很好激发学生的知识探索和创新思维。而开设“热处理前后力学性能对比观察实验”的初衷是让学生在能够实际动手实验过程中，能真正明白该门课程中热处理工艺对金属硬度的影响，形象直观的了解该工艺的作用原理。

因此为激发学生的知识探索，可以通过“有限元分析”的方法对学生进行实验教学，运用有限元技术中的 ANSYS 分析软件进行虚拟仿真，模拟热处理前后试样力学性能变化，让学生在学习热处理工艺实验的过程中，既可以学到热处理工艺实验技能，又可以直观了解热处理的原理。使学生在获得综合技能，又激发学生对该门课程的思考和创新能力。

因此需在热处理实验课中引入“有限元技术”以及 ANSYS 虚拟软件软件分析内容讲解，使该门实验课教学生动、形象、内容充实饱满。

2、研究现状

从有限元技术出现到现在，已经广泛的在工程上得到了应用。经历了三十多年的发展已经日趋完善。它的核心思想是结构的离散化，将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能（例如应力、温度等）可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结果的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论又无法解决的复杂问题。因此可以将该技术运用在实验课程“热处理前后力学性能观察”中，通过对该热处理工艺过程的前后硬度进行有限元分析，能够将此实验手动实验结果和有限元分析的虚拟仿真结果进行对，比让学生充分了解试样的硬度变化的过程和原因。

3、研究方法

学生在该门实验过程中，将金属试样放入热处理炉后保温 40 分钟内，在保温过程中通过讲解有限元基本知识，并采用 ANSYS 软件分析计算出的本次热处理过程前后仿真的结果，并展示给学生。等试样热处理时间完成后，将试样取出后，进行处理后力学性能测试，将测试结果与 ANSYS 模拟仿真结果进行对比。当对比结果一致时，学生们不仅在实验课中进行了实际动手操作，还可以从理论上进行了解热处理工艺。

改革后该门实验课上课流程如下图所示：

4、结论

通过将有限元分析技术运用在热处理实验教学中，将两者有机结合可以更好的实现“教、学、做”一体化。在课堂教学中将有限元分析和ANSYS虚拟仿真技术知识和分析结果融入原有实验内容进行授课。并再结合学生学习过程中出现的问题和教学效果的反馈，对教学方法进行逐步完善，形成一套完善的教学方法；时克服了学生上课单一机械的缺点，显著改善了教学条件、提高教学效果。同时也可以将该方法推广应用在其他学科的实验课中，提高教学效果。

参考文献：

【1】高压直流输电单极大地方式运行时地表电位分布规律[J]. 郝治国;余洋;张保会;程临燕;曹瑞峰;丁茂生;张军.电力自动化设备，2009（06）

【2】 浅谈如何提高大学物理实验教学质量[J]. 王延宗;黄睿.科技資讯，2007（35）

【3】GMAW温度场计算及其焊接质量的特征建模[J]. 雷玉成，郁雯霞，李彩辉，张成，程晓农.江苏大学学报（自然科学版），2005（03）

【4】大学物理实验中有限元软件ANSYS求解电场问题的应用[J]. 李志刚，邵长金，唐炼.长春师范学院学报，2004（10）

课题项目：韶关学院校级教改项目（SYJY20201230）

作者简介：王春政（1985-），男，硕士，实验员，主要研究方法：热处理工艺