數(shù)值模擬技術(shù)在材料塑性成形教學(xué)實踐中的應(yīng)用

王華君，湯 玄，朱春東，張 洋

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

材料塑性成形是包含材料學(xué)、塑性力學(xué)和機械學(xué)等內(nèi)容的交叉型學(xué)科，主要的研究分析方法有上限法、主應(yīng)力法和有限元法等。作為工程技術(shù)類學(xué)科，在教學(xué)中除了系統(tǒng)的專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)以外，還需要將大學(xué)教育與工業(yè)實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，使學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力[1]。

然而，目前本科生在入學(xué)之前，沒有任何工業(yè)實踐經(jīng)驗，從事此類專業(yè)教學(xué)的教師，大部分從大學(xué)或研究院進(jìn)修后，直接從事教學(xué)工作，也沒有長期的工業(yè)實踐經(jīng)歷。此外，培養(yǎng)時間和經(jīng)費的限制，使得針對工業(yè)實踐的教學(xué)，無法系統(tǒng)充分地實施。

隨著計算機數(shù)值模擬技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸普及，有限元技術(shù)已成為塑性成形領(lǐng)域教學(xué)與研究中的關(guān)鍵性技術(shù)[2～3]。通過使用商業(yè)化有限元仿真軟件，進(jìn)行成形數(shù)值模擬，對金屬成形工藝設(shè)計、模具設(shè)計以及成形品質(zhì)的控制等，具有很大現(xiàn)實意義，可以部分解決實踐經(jīng)驗不足所帶來的問題。在實驗方面，不再受到過多的時間及經(jīng)費的限制，使學(xué)生在專業(yè)知識學(xué)習(xí)和實踐認(rèn)識方面，形成了很好的銜接。

1 數(shù)值模擬引入教學(xué)體系

在國內(nèi)外的多數(shù)大型企業(yè)中，數(shù)值模擬已成為新產(chǎn)品開發(fā)鏈條中不可缺少的一環(huán)。工廠企業(yè)要求從事本專業(yè)工作的學(xué)生，能夠有扎實理論知識的同時，具有較強的實踐能力[4]。

為了讓學(xué)生能夠更好的理解數(shù)值模擬計算解決問題的基本思想，近年來，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院逐步建立和開設(shè)的有限元理論和數(shù)值模擬類課程，形成了完善的教學(xué)體系（圖1），取得了很好的教學(xué)效果。

圖1 材料成形數(shù)值模擬引入教學(xué)體系

2 在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

塑性成形原理是本專業(yè)的基礎(chǔ)課，正擠壓、反擠壓以及圓柱鐓粗實驗，是金屬塑性成形原理專業(yè)課程中的重要實驗。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，具有一定的局限性[5]，學(xué)生無法直接觀察到塑性變形過程中材料在模具型腔內(nèi)的變形過程，只能通過觀察變形結(jié)束后網(wǎng)格的變化情況，來推斷金屬的流動情況，對于變形過程中的其他信息也無法直觀了解[6]。

現(xiàn)在，在教學(xué)中使用DEFORM軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬實驗，不僅可以動態(tài)的觀察到變形的全部過程，直觀地了解材料在模具內(nèi)的流動過程，利用軟件的后處理功能，還能對變形過程中的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場等進(jìn)行分析。

在“摩擦對鐓粗變形的影響”的實驗教學(xué)中，無法演示摩擦系數(shù)為0或1這樣理論值時的變形情況。采用有限元與實驗相結(jié)合的方法，則變形過程一目了然，并能清楚地看到摩擦系數(shù)對鐓粗變形的影響（圖2）。

圖2 鐓粗不同摩擦系數(shù)時的速度場分布圖（摩擦系數(shù)a為0；b為0.12；c為1）

在正擠壓實驗教學(xué)中，要求學(xué)生在一定范圍內(nèi)修改摩擦因子、凹模角度、溫度、凸模運動速度等參數(shù)，觀察分析這些參數(shù)對于成形情況及變形過程的影響。此類開放性實驗，學(xué)生擁有一定的自由性，能夠進(jìn)行傳統(tǒng)實驗中沒有或無法進(jìn)行的各種實驗，教學(xué)效果非常好。

3 在本科畢業(yè)論文教學(xué)中的應(yīng)用

畢業(yè)論文是大學(xué)教育的最后一個環(huán)節(jié)，畢業(yè)論文的品質(zhì)，也是檢驗學(xué)生對于所學(xué)專業(yè)知識運用能力的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著數(shù)值模擬在本科教學(xué)中的逐漸推廣和發(fā)展，學(xué)生已經(jīng)能夠?qū)?shù)值模擬作為一種重要的分析工具，完成比較優(yōu)秀的畢業(yè)論文。以下是一些主要采用數(shù)值模擬技術(shù)完成的本科畢業(yè)論文案例。

3.1 精密塑膠件熱冷循環(huán)模具注塑成型塑料流動與工藝優(yōu)化

在2010年本科畢業(yè)論文階段，嘗試將3名本科生的畢業(yè)論文與科研項目“精密塑膠件熱冷循環(huán)模具注塑成型技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化——廣東省科技廳（2009 B0906 00025）”結(jié)合起來，取得了良好的效果。

研究內(nèi)容解決了該項目中塑料流動與工藝優(yōu)化關(guān)鍵問題，其中陳浩同學(xué)的畢業(yè)論文，獲得2010年度湖北省優(yōu)秀本科生畢業(yè)論文一等獎。

3.2 精沖工藝有限元模擬

精沖成形過程復(fù)雜，溫度、應(yīng)力難以測量。采用數(shù)值模擬研究精沖過程中的金屬流動規(guī)律，可以加深對精沖的實質(zhì)上的理解，驗證精沖原理中有關(guān)金屬流動規(guī)律的描述。

魏鵬程對AISI-1035鋼精沖工藝進(jìn)行了有限元建模，重點研究了精沖過程中金屬的流動規(guī)律、驗證了靜水壓力的作用，并對精沖和普沖進(jìn)行了比較；在熱力耦合模型基礎(chǔ)上，分析了變形區(qū)內(nèi)的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變等分布（圖3）。該論文獲2007年度湖北省優(yōu)秀本科生畢業(yè)論文二等獎。

圖3 精沖成形過程數(shù)值模擬（a為靜水壓力分布；b為溫度場；c為應(yīng)力場）

4 結(jié)束語

武漢理工大學(xué)材料塑性成形專業(yè)方向，近年來將數(shù)值模擬引入到材料成形教學(xué)實踐中，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學(xué)體系，針對工程技術(shù)類人才培養(yǎng)的特點，在解決加強理論與實踐相結(jié)合的問題上，找到了新的途徑。從有限元模擬技術(shù)與教學(xué)實踐整合的運行情況看，多個班級（如2006級、2007級塑性成形與模具專業(yè)本科生）的教學(xué)實踐表明，教學(xué)效果明顯，具體體現(xiàn)在：

一是促進(jìn)了學(xué)生對塑性成形原理基本理論的理解；

二是提高了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新精神；

三是進(jìn)一步提高就業(yè)競爭力，促進(jìn)了本科生就業(yè)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]權(quán)國政，周 杰，艾百勝.推廣數(shù)值模擬教學(xué)培養(yǎng)高層次材料成形類人才[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)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]賈俐俐.擠壓工藝及模具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]林新波，李積彬，王 藝.金屬棒料正擠壓成形綜合性實驗的設(shè)計與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2005，5(25)：56-60.