沖模課程設(shè)計教學中計算機仿真技術(shù)的應用

錢志平 馬瑞

摘要：針對傳統(tǒng)沖模課程設(shè)計教學存在的問題，提出在前期相關(guān)課程支撐下，將有限元模擬技術(shù)和計算機三維實體造型技術(shù)應用在課程設(shè)計中，實現(xiàn)了沖壓工藝方案的優(yōu)化和沖模結(jié)構(gòu)的可視化，提高了課程設(shè)計教學質(zhì)量，培養(yǎng)了學生綜合應用知識解決工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：課程設(shè)計；仿真技術(shù)；教學改革

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0208-02

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和“一帶一路”倡議的實施，中國制造業(yè)已國際化，工程教育面臨著制造業(yè)全球化和工程教育國際化的雙重挑戰(zhàn)。工程教育質(zhì)量的提高對本科畢業(yè)生就業(yè)競爭力起著重要的作用[1]。板材沖壓企業(yè)同樣面臨日益激烈的市場競爭，要求從業(yè)者具有良好的綜合素質(zhì)如利用現(xiàn)代工具、快速分析解決問題的能力。

沖模課程設(shè)計是材料成型及控制工程專業(yè)課程體系中，培養(yǎng)學生綜合應用工程知識、解決復雜工程問題能力的重要實踐環(huán)節(jié)[2]，工程教育的畢業(yè)生應具有使用現(xiàn)代工具的能力[3-4]，時代要求將計算機仿真技術(shù)引入專業(yè)課程設(shè)計教學中，以提高學生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為學生今后從事沖壓行業(yè)的生產(chǎn)和管理工作奠定良好的基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)課程設(shè)計教學缺乏仿真技術(shù)使用

傳統(tǒng)沖模課程設(shè)計教學，要求每個學生完成一套單工序模或復合工序模圖紙設(shè)計，繪出1.5張A1模具裝配圖和典型零件圖、并撰寫設(shè)計計算說明書。在課程設(shè)計結(jié)束時，指導教師根據(jù)學生模具裝配圖、零件圖紙完成的質(zhì)量和撰寫的設(shè)計計算說明書以及答辯回答問題情況，進行成績評定。這種教學方法存在以下問題：

1.CAD技術(shù)使用不足。在課程設(shè)計過程中，學生以手工繪圖為主，計算機輔助設(shè)計不足，模具裝配圖和零件圖均為平面二維圖紙，直觀性差。而目前企業(yè)在裝配圖中廣泛采用三維實體軸測圖和顯示裝配關(guān)系的爆炸圖。

2.設(shè)計方案優(yōu)化不夠細致。學生在設(shè)計過程中對設(shè)計方案的比較，只能通過手工進行簡單的工藝計算，方案優(yōu)化不夠細致，不能充分考慮到材料、摩擦、邊界條件等因素的影響，合理性分析不足。計算機輔助優(yōu)化分析CAE技術(shù)沒有被使用，而該技術(shù)在汽車、航空航天及機械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品分析必不可少的數(shù)值計算工具。

3.設(shè)計的完整性欠缺。因傳統(tǒng)沖模課程設(shè)計教學為兩周，學生選定設(shè)計方案后，參考相關(guān)模具設(shè)計圖冊，只能完成裝配圖和凸凹模等幾個典型零件圖，其余零件的具體形狀及相互間的裝配關(guān)系不甚清楚。

4.學生學習主動性不夠。因課程設(shè)計過程比較枯燥，學生各自完成設(shè)計任務，缺乏趣味性，同學間沒有相互協(xié)作、共同學習、交流探討問題的過程，多數(shù)學生學習態(tài)度一般，不能主動學習，個別甚至出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。

為適應日新月異的技術(shù)進步，提高學生現(xiàn)代技術(shù)的應用和解決工程實際問題的能力，必須改革本課程的教學模式。

二、仿真技術(shù)在課程設(shè)計教學應用的條件

計算機仿真技術(shù)具有經(jīng)濟、安全、可重復和不受氣候、場地、時間限制的優(yōu)勢，廣泛應用在機械制造、航空航天、交通運輸、經(jīng)濟管理、軍事模擬等領(lǐng)域。

工科學生應該掌握計算機仿真技術(shù)的基本原理和方法，為此專業(yè)的課程體系確定在沖模課程設(shè)計前，開設(shè)彈性力學基礎(chǔ)及有限元法和計算機輔助設(shè)計兩門課程。在兩門課程的教學過程中，圍繞課程設(shè)計進行了必要的能力訓練。

彈性力學基礎(chǔ)及有限元法課程講授有限元方法的基本原理，培養(yǎng)學生掌握常用軟件實體建模、網(wǎng)格劃分以及邊界條件施加的方法，要求學生初步具備工程問題有限元模擬和對模擬結(jié)果分析解釋的能力。

計算機輔助設(shè)計課程培養(yǎng)學生掌握零件三維實體造型、零件裝配及其約束施加的方法，使學生初步具備工程三維零件裝配、模型的運動仿真和動畫視頻制作技術(shù)，掌握模型爆炸圖的生成方法。

通過上述課程的能力培養(yǎng)和課內(nèi)實踐應用，學生具備了課程設(shè)計中使用計算機仿真技術(shù)的能力。

三、仿真技術(shù)在課程設(shè)計教學的實踐

為提高學生綜合運用知識解決復雜工程問題的能力，在課程設(shè)計內(nèi)容上加入沖壓件成形工藝模擬、模具三維實體造型、模具運動仿真等內(nèi)容，要求學生將計算機仿真技術(shù)具體應用在這些環(huán)節(jié)。同時沖模課程設(shè)計學時增加到四周，學生每四人組成項目組，圍繞不同的題目，如典型拉深模、彎曲模、復合沖裁模和沖孔翻邊模設(shè)計等，合作完成項目，培養(yǎng)學生團隊合作和溝通能力。

1.工藝方案更符合實際。學生通過有限元軟件模擬動畫演示，可直觀看到?jīng)_壓成形變形過程及變形區(qū)的應力、應變變化，修改有限元模型，如改變成形工藝、摩擦條件、壓邊力大小等因素，可方便地重新進行模擬仿真，通過比較得出優(yōu)化的設(shè)計方案。

2.模具設(shè)計更全面。學生對模具的各個零件三維實體造型并裝配，利用軟件的運動仿真模塊可對裝配好的實體模具實現(xiàn)三維動畫模擬仿真演示，在此過程中判斷是否出現(xiàn)干涉現(xiàn)象以及其他設(shè)計方面的問題，如成型的零件或廢料是否可以順利取出或頂出等。據(jù)此學生可清楚理解模具的各組成部分及功能，通過發(fā)現(xiàn)的問題修改完善模具，提高了設(shè)計質(zhì)量和完整性。

3.學習的積極性提高。將仿真技術(shù)引進沖模課程設(shè)計后，學生通過工藝模擬和運動仿真能直觀可視地理解沖壓生產(chǎn)，增加了學習的趣味性，同學間主動交流探討問題，學習熱情高漲，同時模具三維設(shè)計和仿真的完成也提高了學生的自信心和成就感。

四、結(jié)語

從行業(yè)對人才的能力需求出發(fā)，按照以學生為主體，教師為主導，主動學習和實踐為核心的“做中學”教學理念，將仿真技術(shù)引進沖模課程設(shè)計。經(jīng)過3年的實踐，提高了學生的綜合素質(zhì)，達到了較好的預期效果，實現(xiàn)了理論和實踐的有機融合。

參考文獻：

[1]王孫禺，趙自強，雷環(huán).國家創(chuàng)新之路與高等工程教育改革新進程[J].高等工程教育研究，2013，（1）：14-22.

[2]錢志平，馬瑞，金淼，等.基于OBE理念的材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)要求及課程體系構(gòu)建[J].教學研究，2017，40（6）：83-85.

[3]李志義.解析工程教育專業(yè)認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014，（17）：7-10.

[4]瞿振元.推動高等工程教育向更高水平邁進[J].高等工程教育研究，2017，（1）：12-16.