Deform—3D在金屬塑性成形原理教學(xué)中的應(yīng)用研究

程亮　孫凌燕　陳逸

摘 要：針對(duì)《金屬塑性成形原理》內(nèi)容抽象、理論較多，現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)法彌合抽象理論知識(shí)與工程實(shí)際應(yīng)用間的“割裂”這一課程特點(diǎn)，本文提出了基于有限元模擬軟件Deform-3D強(qiáng)大的建模和后處理功能，以其在抽象概念的形象化、塑性加工過(guò)程的演示等方面的應(yīng)用為要點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例介紹了該軟件在課程設(shè)計(jì)中的重要作用。

關(guān)鍵詞：Deform-3D；金屬塑性成形原理；課程設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.198

0 引言

《金屬塑性成形原理》是材料成型及控制工程專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅涵蓋了材料成形中廣泛應(yīng)用的基本原理，而且與實(shí)際工程問(wèn)題密切相關(guān)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需掌握金屬塑性變形的原理和變形規(guī)律，為后續(xù)的專業(yè)核心課程——《沖壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)》、《鍛造成形工藝與模具設(shè)計(jì)》等的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，也為制訂合理的塑性成形工藝奠定理論基礎(chǔ)。

該課程內(nèi)容抽象，概念與專業(yè)術(shù)語(yǔ)較多，涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及應(yīng)力分析，需要學(xué)生具備良好的《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》和《材料力學(xué)》基礎(chǔ)，教學(xué)難度倍增，即使在教學(xué)中使用案例法、演示法等教學(xué)方法，學(xué)生仍然反映教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)得吃力。這一方面與受教育群體所發(fā)生的變化有關(guān)，95后大學(xué)生作為一個(gè)特殊群體，在學(xué)習(xí)特征方面呈現(xiàn)出不同于前代90后的特點(diǎn)，理論學(xué)習(xí)能力較弱；另一方面現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)計(jì)仍然無(wú)法彌合課程中抽象理論知識(shí)與工程實(shí)際應(yīng)用間的“割裂”。

1 教學(xué)思路

作為一門(mén)承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)課，《金屬塑性成形原理》的重要性可見(jiàn)一斑，如何有效地組織課堂教學(xué)，幫助打著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代烙印95后學(xué)生高效地利用課堂時(shí)間和課外碎片時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，成為教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮的問(wèn)題。為此，筆者提出采用有限元仿真技術(shù)作為教學(xué)的輔助手段，借助有限元仿真軟件強(qiáng)大的后處理和動(dòng)畫(huà)功能，幫助學(xué)生直觀地感受和追蹤坯料在塑性加工過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布的演化規(guī)律。將理論知識(shí)形象化，通過(guò)相對(duì)直觀的方式構(gòu)建理論與工程實(shí)際之間的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生自主探究性學(xué)習(xí)，加深對(duì)塑性成形理論的理解，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

目前，商用的有限元模擬仿真軟件很多，針對(duì)金屬塑性加工的軟件也不少，Deform-3D是其中的佼佼者。該軟件是美國(guó)SFTC公司（Scientific Forming Technology Co.）開(kāi)發(fā)的，可以模擬金屬塑性變形過(guò)程中坯料的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)的演變過(guò)程[1]。該軟件在模具設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等方面有重要應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本的目的。本文結(jié)合金屬塑性成形原理課程的特點(diǎn)和教學(xué)需要，設(shè)計(jì)了不同的Deform-3D的應(yīng)用案例。

2 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

2.1 抽象物理、力學(xué)概念的形象化

《金屬塑性成形原理》的主要任務(wù)之一在于，使學(xué)生初步掌握金屬塑性變形的物理、力學(xué)基礎(chǔ)，具備分析金屬的塑性變形行為以及外部條件對(duì)塑性和流動(dòng)應(yīng)力影響的初步能力，以便在塑性加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中使金屬材料獲得最優(yōu)的塑性狀態(tài)、最高的變形效率和優(yōu)質(zhì)的性能[2]。但這部分理論知識(shí)過(guò)于抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)難以理解。例如，為什么屈服強(qiáng)度可從拉伸或壓縮曲線上直接獲得，為什么要建立屈服準(zhǔn)則；再比如，如何將應(yīng)力狀態(tài)與工程實(shí)際相結(jié)合，等等。

為此，筆者利用Deform-3D強(qiáng)大的建模工程，將應(yīng)力狀態(tài)形象化為實(shí)際的成形工程。在講授時(shí)，針對(duì)三種典型應(yīng)力狀態(tài)，即單軸變形、平面應(yīng)變和球應(yīng)力狀態(tài)，建立了相應(yīng)的塑性變形模型，如圖1所示。學(xué)生借助三維模型可直觀地看出，單軸變形時(shí)坯料的流動(dòng)最為自由，且單位面積的平均鍛壓力即為材料的屈服強(qiáng)度。而在平面變形時(shí)，材料的流動(dòng)在一個(gè)方向上的受限，因此在這種應(yīng)力狀態(tài)下變形難度提高，需要更大的變形力，單位面積的平均鍛壓力顯著高于單軸變形。而對(duì)于球應(yīng)力狀態(tài)，顯然無(wú)論施加多大的鍛壓力，坯料均無(wú)法發(fā)生塑性變形。借助這一實(shí)例，能夠提高學(xué)生對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的理解，啟發(fā)學(xué)生思考應(yīng)力狀態(tài)對(duì)載荷的影響，并且使學(xué)生意識(shí)到屈服準(zhǔn)則的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 塑性加工過(guò)程的演示

《金屬塑性成形原理》課程能力培養(yǎng)的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于具體的塑性成形工藝中，確定變形體中的應(yīng)力、應(yīng)變分布和所需要的變形力和功，為選擇成形設(shè)備的噸位和設(shè)計(jì)模具提供依據(jù)。這需要學(xué)生對(duì)塑性成形工藝具備一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，否則無(wú)法理解塑性加工時(shí)坯料如何變形，更不要說(shuō)領(lǐng)會(huì)變形過(guò)程中坯料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布特征及其隨外部條件的變化規(guī)律。而現(xiàn)實(shí)情況是，在課程開(kāi)設(shè)時(shí)，學(xué)生尚未完成的實(shí)習(xí)實(shí)踐，無(wú)法將所學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)際相聯(lián)系。

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（上接第228頁(yè)）

筆者在講授這部分內(nèi)容時(shí)，借助Deform-3D強(qiáng)大的后處理，將塑性成形過(guò)程中材料的流動(dòng)通過(guò)動(dòng)畫(huà)的方式形象直觀地展示出來(lái)。例如，圓柱鐓粗作為最典型、最簡(jiǎn)單的一種加工方式幾乎貫穿整個(gè)課程。為了讓學(xué)生理解鐓粗過(guò)程中坯料的形狀演變和應(yīng)力應(yīng)變分布，筆者利用

Deform-3D建立的簡(jiǎn)單的1/2鐓粗模型，并采用動(dòng)畫(huà)+截圖的方式進(jìn)行展示。如圖2所示，隨著壓下量的提高，學(xué)生可直觀地感受坯料具體的變形特征，并能夠從應(yīng)變?cè)茍D上理解三個(gè)典型變形區(qū)（端部變形死區(qū)、中心大變形區(qū)、鼓肚）的形成過(guò)程。除此之外，有限元模型還可以輔助進(jìn)行應(yīng)力分析，使主應(yīng)力法、滑移線法的講授更為簡(jiǎn)介直觀、易于接受。

3 結(jié)論

利用Deform-3D有限元軟件強(qiáng)大的模擬仿真功能，可以構(gòu)建塑性變形理論與工程實(shí)際之間的橋梁，使復(fù)雜抽象的理論變得直觀形象、便于理解；同時(shí)能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)法、演示法等教學(xué)方法不能直觀體現(xiàn)塑性力學(xué)理論的缺陷。此外，從認(rèn)識(shí)論的角度，軟件中的三維動(dòng)畫(huà)功能能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而提高學(xué)習(xí)效率。筆者采用Deform-3D進(jìn)行輔助教學(xué)以來(lái)，學(xué)生顯著提高了學(xué)習(xí)興趣、加深了對(duì)塑性成形原理的理解和掌握。

參考文獻(xiàn)：

[1]張莉，李升軍.Deform在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]李堯.金屬塑性成形原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

項(xiàng)目信息：江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（11610511714）

作者簡(jiǎn)介：程亮（1988-），男，山東樂(lè)陵人，工學(xué)博士，講師，研究方向：金屬塑形成形方面。