基于可視化技術(shù)的液態(tài)成型數(shù)值模擬課程創(chuàng)新與改革研究

曹韓學(xué) 譙攀 趙建華 謝衛(wèi)東 游國(guó)強(qiáng) 王亞軍

摘 要 針對(duì)目前液態(tài)成型數(shù)值模擬課程中理論教學(xué)缺乏直觀動(dòng)態(tài)的工程驗(yàn)證、學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容無實(shí)感等問題，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合工程應(yīng)用，建立可視化實(shí)時(shí)觀察與表征平臺(tái)，利用理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的混合式教學(xué)，形成適合于材料成型與控制專業(yè)研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的核心課程內(nèi)容體系和教學(xué)模式，以便讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬成型過程，深入挖掘液態(tài)金屬成型工藝?yán)碚撝R(shí)，極大地提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 可視化技術(shù)；液態(tài)成型數(shù)值模擬；混合式教學(xué)；可視化平臺(tái)；試樣庫

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）22-0033-03

Research on Innovation and Reform of Numerical Simulation Course of Liquid Forming Based on Visualization Technology//CAO Hanxue， QIAO Pan， ZHAO Jianhua， XIE Weidong， YOU Guo-qiang， WANG Yajun

Abstract In view of the lack of intuitive and dynamic engineering verification in theoretical teaching in the current Numerical Simula-tion course of Liquid Forming， and students lack of real sense of the?teaching content， this article optimizes the teaching content and combines engineering applications to establish a visual real-time obser-vation and characterization platform. Through the mixed teaching combining theoretical learning and practical verification， the core course content system and teaching mode suitable for the cultivation?of practical innovation ability of graduate students majoring in Ma-terial Forming and Control are formed. In order to enable students to better understand the liquid metal forming process， in-depth exca-vation of liquid metal forming process theoretical knowledge， which greatly improves the quality of teaching.

Key words visualization technology; numerical simulation of liquid forming; mixed teaching; visualization platform; sample library

0 引言

液態(tài)成型數(shù)值模擬技術(shù)是以鑄件的液態(tài)成型試制過程數(shù)值分析模擬及成型缺陷檢測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)為核心，旨在設(shè)計(jì)工藝實(shí)施前對(duì)重要鑄件或大型鑄件的液態(tài)成型工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和完善優(yōu)化所采用的液態(tài)成型工藝，從而縮短工藝設(shè)計(jì)定型周期和試制成本[1]，也是目前在材料成型專業(yè)領(lǐng)域利用工業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的集中體現(xiàn)，對(duì)加快推動(dòng)材料成型制造行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)代化，增強(qiáng)中國(guó)鑄件系列產(chǎn)品在當(dāng)前世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，具有十分重要的指導(dǎo)意義。

在新構(gòu)建的研究生材料成型與控制專業(yè)課程體系中，液態(tài)成型數(shù)值模擬課程不僅充分考慮了實(shí)際鑄件生產(chǎn)現(xiàn)狀，并且利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造和創(chuàng)新，推進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)發(fā)展，對(duì)主要核心專業(yè)技術(shù)和能力起到支撐、強(qiáng)化作用，并且可以提高畢業(yè)生職后持續(xù)發(fā)展的潛力。本課程的主要技術(shù)教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠熟練地掌握使用各種計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)液態(tài)成型工藝全過程進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證和優(yōu)化成型工藝過程，從而提高鑄件品質(zhì)，與此同時(shí)還能降低生產(chǎn)成本和縮短試制周期；學(xué)生畢業(yè)后具備本領(lǐng)域主要工作崗位要求的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能力，為從事本專業(yè)相關(guān)技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。然而，目前在研究生液態(tài)成型數(shù)值模擬課程中，大多采用填鴨式教學(xué)，教學(xué)模式有些許單一，教學(xué)效果并不理想，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)思考程度不夠，過于依賴計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性缺乏驗(yàn)證。

鑒于此，本文通過對(duì)液態(tài)成型數(shù)值模擬課程進(jìn)行教學(xué)研究，優(yōu)化課程的教學(xué)內(nèi)容，建立可視化平臺(tái)，改善課程教學(xué)環(huán)境，通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的混合式教學(xué)，形成適合于材料成型與控制專業(yè)研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的核心課程內(nèi)容體系和教學(xué)模式，確保研究生培養(yǎng)質(zhì)量。

1 課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化研究

由于液態(tài)成型數(shù)值模擬課程涉及多方面的內(nèi)容，如數(shù)值模擬技術(shù)、材料成型工藝學(xué)、模具設(shè)計(jì)等，該課程也就具備了知識(shí)技術(shù)面廣、實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，使液態(tài)成型數(shù)值模擬課程成為一門兼具理論性和實(shí)踐性的綜合性課程?？紤]此因素，將原來單一的課程分為兩個(gè)模塊，如圖1所示。

理論學(xué)習(xí)以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為主，首先著重介紹三維幾何建模技術(shù)、有限元分析的概念與基本思想、有限元網(wǎng)格劃分技術(shù)、常用的單元類型、有限元分析法中各種載荷的定義等，讓學(xué)生熟悉數(shù)值模擬的基本理論知識(shí)；然后主要介紹幾款液態(tài)成型數(shù)值模擬的主流商業(yè)軟件，如MAGMA、AnyCasting等，使學(xué)生了解軟件的功能、基本特性和基本分析流程；最后進(jìn)行軟件的入門學(xué)習(xí)和基本操作，以上機(jī)操作為主、課堂答疑為輔，讓學(xué)生選擇提供的零件對(duì)其進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)后完成數(shù)值模擬，在完成此部分內(nèi)容的過程中遇到的問題在課堂上共同討論解決，通過一些簡(jiǎn)單的實(shí)例熟悉軟件的界面命令和操作流程。

實(shí)踐驗(yàn)證通過搭建可視化平臺(tái)進(jìn)行，首先介紹可視化技術(shù)基本概念與相關(guān)知識(shí)，然后利用搭建好的可視化平臺(tái)，通過高速攝像機(jī)對(duì)金屬液充型流動(dòng)過程進(jìn)行拍攝，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)上。此過程的工藝參數(shù)須與理論教學(xué)中的數(shù)值模擬一致，最后將數(shù)值模擬結(jié)果與拍攝結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析、找出差異。通過此方法不僅可以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的精度，為數(shù)值模擬提供更加準(zhǔn)確的邊界條件和工藝參數(shù)，還能夠通過對(duì)拍攝結(jié)果的分析，進(jìn)一步深化對(duì)金屬液體流動(dòng)模型的使用，更加清晰地認(rèn)識(shí)成型過程中金屬液的流動(dòng)情況，深入挖掘液態(tài)金屬成型工藝?yán)碚撝R(shí)。

2 可視化平臺(tái)及試樣庫建設(shè)

可視化平臺(tái)主要由成型設(shè)備、高溫視窗模具、高速攝像系統(tǒng)、光源、控溫設(shè)備、計(jì)算機(jī)及各軟件系統(tǒng)組成，工作原理如圖2所示。將開設(shè)有耐高溫窗口的模具安裝在成型設(shè)備上，利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)金屬液的充型過程進(jìn)行拍攝，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)上，以便后續(xù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。液態(tài)成型的零件多種多樣，不同的零件成型工藝不同，因此需要建立一個(gè)具有啟發(fā)性、典型性、完整性和綜合性的試樣（模具）庫。但可以通過簡(jiǎn)化試樣結(jié)構(gòu)來研究具有一定特征的流動(dòng)行為，如利用帶有圓形通孔或盲孔的平板試樣來研究鈍形（圓柱）障礙物對(duì)金屬流動(dòng)行為的影響，利用弓形試樣來研究金屬液充型過程中遇到直角型腔結(jié)構(gòu)時(shí)的流態(tài)變化，利用階梯平板試樣來觀察變截面型腔結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響[3]。課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)依托企業(yè)、研究院等資源，結(jié)合校內(nèi)導(dǎo)師承擔(dān)的科研項(xiàng)目，以修訂后的課程教學(xué)大綱為準(zhǔn)則，以現(xiàn)有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為依據(jù)，以提升學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建形成涵蓋不同難易程度鑄件類型的案例教學(xué)資源庫，為課程案例教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生綜合能力奠定資源基礎(chǔ)。隨著可視化平臺(tái)及試樣庫的建立，課程理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)模式得以實(shí)現(xiàn)，也為課程案例教學(xué)及驗(yàn)證提供了硬件平臺(tái)。將學(xué)習(xí)知識(shí)的地方從教室搬進(jìn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，不僅豐富了教學(xué)場(chǎng)地，也為課程綜合運(yùn)用多種方式教學(xué)，進(jìn)行課程教學(xué)模式改革提供了良好的硬件支撐，課程教學(xué)環(huán)境和條件得到極大程度的改善。

3 教學(xué)模式改革

該課程之前采用的是理論案例教學(xué)和課程案例分析相結(jié)合的教學(xué)模式，通過課程案例分析使學(xué)生對(duì)液態(tài)成型數(shù)值模擬有了基礎(chǔ)性的認(rèn)識(shí)，但依然是以課堂理論講解內(nèi)容為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生掌握工程理論實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。針對(duì)原教學(xué)模式的不足，根據(jù)該課程的教學(xué)目標(biāo)及具體要求，教學(xué)模式需作出一定的改變。筆者根據(jù)課程內(nèi)容體系構(gòu)成重要性和特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，形成理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。利用建成的可視化平臺(tái)及試樣庫，將傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式變?yōu)槔碚搶W(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證的混合式教學(xué)模式，使學(xué)生進(jìn)一步深化對(duì)金屬液體流動(dòng)模型的使用，更加清晰地認(rèn)識(shí)到在成型過程中金屬液的流動(dòng)情況，深入挖掘液態(tài)金屬成型工藝?yán)碚撝R(shí)。同時(shí)使學(xué)生能夠熟練地學(xué)習(xí)掌握本專業(yè)領(lǐng)域成型工藝設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容、具體步驟、規(guī)范技術(shù)要求和常用技術(shù)手段，并且具備未來專業(yè)工作崗位要求的綜合能力。

課程教學(xué)組織分為理論學(xué)習(xí)、小組討論分享、實(shí)踐驗(yàn)證三部分。課程前期是由教師主講的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生通過教師的講解對(duì)該課程相關(guān)的知識(shí)有了初步的了解。教師在每一堂課的授課完成后布置課后思考問題，學(xué)生以小組為單位，針對(duì)思考問題，通過查閱文獻(xiàn)、小組討論、尋找答案、制作PPT，與全班同學(xué)進(jìn)行探討，理論學(xué)習(xí)與小組討論分享穿插進(jìn)行。理論學(xué)習(xí)完后進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。在實(shí)踐驗(yàn)證前，學(xué)生從建成的試樣庫中隨機(jī)抽取試樣進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，獨(dú)立完成該試樣的工藝設(shè)計(jì)。教師監(jiān)督輔導(dǎo)，確保數(shù)值模擬使用的參數(shù)與可視化平臺(tái)驗(yàn)證的參數(shù)一致。

全新的混合式教學(xué)模式綜合運(yùn)用案例講解、課堂演示、分組討論、實(shí)踐驗(yàn)證等多種教學(xué)方法，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。多種教學(xué)方法的綜合運(yùn)用使學(xué)生的專業(yè)能力、學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力都得到提高。

4 課程考核方式改革

課程的考核方式對(duì)于學(xué)生的終身學(xué)習(xí)發(fā)展具有強(qiáng)烈的價(jià)值導(dǎo)向作用和有效促進(jìn)作用[4]。傳統(tǒng)的課程考核方式一般為期末閉卷考試，但是對(duì)于數(shù)值模擬這類課程的考核，這種考核方式并不完全適用。在試卷上作答不能很好地反映學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、模擬仿真分析能力以及軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用、繪圖操作技巧的熟練程度。為了強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果，本著展現(xiàn)全面、突出重點(diǎn)的原則，液態(tài)成型數(shù)值模擬課程的考核方式打破傳統(tǒng)的課程考核方式——期末閉卷考試，改革為由課堂出勤率、平時(shí)作業(yè)、互動(dòng)問答、課程論文成績(jī)組合而成的復(fù)合成績(jī)，全方位對(duì)該課程進(jìn)行考核。課程總評(píng)成績(jī)由各考核成績(jī)組成部分經(jīng)加權(quán)求和得到，各考核成績(jī)權(quán)重根據(jù)其重要程度確定，其中課程論文中的數(shù)值模擬結(jié)果與可視化平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果的對(duì)比分析尤為重要。

5 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)近年來發(fā)展尤為迅速，其本質(zhì)內(nèi)涵和外延技術(shù)都在源源不斷地更新，實(shí)際教學(xué)過程中應(yīng)本著追求高起點(diǎn)、高水平，服務(wù)社會(huì)與科學(xué)的基本原則，在課程體系的設(shè)置上，在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的探索上，在課程考核方式的改革上，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)、融合創(chuàng)新、應(yīng)用實(shí)踐的教學(xué)理念，提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的實(shí)際綜合應(yīng)用能力。在液態(tài)成型數(shù)值模擬課程中引入可視化技術(shù)，教學(xué)中基于實(shí)際生產(chǎn)過程，理論聯(lián)系實(shí)際，堅(jiān)持“因材施教，注重能力，鼓勵(lì)實(shí)踐與創(chuàng)新相結(jié)合”的教學(xué)指導(dǎo)思想，探索并實(shí)施開放自主式、科學(xué)研究性教學(xué)新模式，著力探索理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的混合式教學(xué)方法，進(jìn)行教學(xué)理念的改革與探索，將教授講解改革為實(shí)踐應(yīng)用，將填鴨式教學(xué)改革為教師監(jiān)督引導(dǎo)，將理論知識(shí)教學(xué)改革為理論知識(shí)研究，著重建設(shè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論聯(lián)系實(shí)際的良好學(xué)風(fēng)。通過改革，課程教學(xué)中的學(xué)生的主動(dòng)性與參與度明顯提高，學(xué)生的自主分析能力、科學(xué)研究能力也大幅度提升，極大地提升了教學(xué)質(zhì)量。

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