基于產(chǎn)教融合的“大型沖壓件成形過程”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

呂東莉，張小東，王 斌*

（1.西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院 四川 成都 610500；2.通威太陽能有限公司 四川 成都 610299）

隨著科技的不斷更新和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，我國的策略和行業(yè)結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷重大的調(diào)整。通過把握技術(shù)創(chuàng)新的機(jī)遇，推進(jìn)改革和創(chuàng)新，并加強(qiáng)對(duì)科技創(chuàng)新的支持，這將成為我們走向新時(shí)代具有中國特色的社會(huì)主義的關(guān)鍵途徑。加快實(shí)現(xiàn)高水平技術(shù)自主和自我完善，是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。在這個(gè)全新的時(shí)代，產(chǎn)業(yè)與教育的結(jié)合以及科學(xué)與教育的結(jié)合，已經(jīng)成為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的國家策略中培育優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才的基礎(chǔ)方法[1-2]。教育部為了實(shí)施習(xí)近平總書記對(duì)于加強(qiáng)實(shí)踐教育工作的重要指示，發(fā)布了《教育信息化2.0》[3-4]。借助于大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)變革以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的數(shù)字化構(gòu)建，已經(jīng)啟動(dòng)了一系列的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，以此來加強(qiáng)信息科技與大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合[5]。與傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生提供一個(gè)更加安全、經(jīng)濟(jì)和可控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)也為教師創(chuàng)造了全新的教學(xué)體驗(yàn)和機(jī)會(huì)。高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，由于其不受空間的限制、方便的學(xué)習(xí)方式和廣泛的接收群體，并且能通過積極宣傳和普及優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而達(dá)到對(duì)優(yōu)良教育資源的有效分享。

文章針對(duì)西南石油大學(xué)在人才培育供給側(cè)以及產(chǎn)業(yè)需求側(cè)在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量尚未完全適應(yīng)的問題，學(xué)校選擇與通威太陽能這樣的光伏領(lǐng)軍公司進(jìn)行緊密的合作，以此形成了一個(gè)深入的學(xué)術(shù)、科技、工程的協(xié)同合作關(guān)系，并獲批“四川省光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)教融合綜合示范基地”。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的必要性

在當(dāng)前“新工科”建設(shè)大背景下，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式已不再滿足新的需求?！八苄猿尚驮砑肮に嚒弊鳛椴牧铣尚图翱刂乒こ虒I(yè)的核心專業(yè)課程，其獨(dú)特之處在于其深厚的理論基礎(chǔ)和對(duì)實(shí)際操作的嚴(yán)格需求。然而，由于塑性成形實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是大規(guī)模的重型設(shè)備，并且它們的占地范圍大，所以其價(jià)格也相對(duì)較高，這就導(dǎo)致了需要的配套設(shè)備眾多，從而使得其運(yùn)營成本相當(dāng)昂貴。此外，由于塑性成形過程需要承受高壓，因此，為了保證安全，學(xué)生無法單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備操作。并且在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，無法對(duì)零件的塑性成型過程中的塑性變形區(qū)域、壓力和應(yīng)變的變化以及每個(gè)部位的尺度的動(dòng)態(tài)改變進(jìn)行即時(shí)的監(jiān)控。根據(jù)虛實(shí)互補(bǔ)的原則，使用了一個(gè)基于金屬材料成型的虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)，來模擬零部件的沖壓制造流程。在這個(gè)過程中，學(xué)生有能力全面掌握整個(gè)零件的沖壓制造過程，實(shí)時(shí)觀察零件形成過程中材料的塑性流動(dòng)和各部分應(yīng)力應(yīng)變場的動(dòng)態(tài)變化。這種方式不僅提升了實(shí)驗(yàn)的趣味性，也激發(fā)了學(xué)生對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供了探索性學(xué)習(xí)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐的先進(jìn)方法。同時(shí)也解決了實(shí)驗(yàn)投入大、能源消耗高、風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用高以及觀察困難的問題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提高了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的興趣，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行安全的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)象觀察，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、問題解決能力和創(chuàng)新思維能力。新能源與材料學(xué)院以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)為主旨，融入JSCAST、DEFORM等仿真工具以及虛擬的模具制作車間軟件，在成功搭建出材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前提下，結(jié)合教師現(xiàn)有的科學(xué)研究資料，打造出符合“設(shè)計(jì)―加工―結(jié)構(gòu)―性能”實(shí)驗(yàn)需求的材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

壓力容器封頭的沖壓成形屬于一種拉深成型，由于成形過程受模具的限制，板材在沖頭的壓力影響下可能產(chǎn)生明顯的形狀和偏移。由于板料和模具之間的摩擦，封頭沖壓實(shí)際上是一個(gè)包含了幾何、材質(zhì)和邊界非線性的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理流程。在沖壓過程中，沖壓板料的各個(gè)部位承受的壓力會(huì)持續(xù)變化。在封頭頂部，板料處于雙向拉伸的狀態(tài)，而在沖壓件的凸緣區(qū)，板料的受力則是一方面受壓縮，另一方面受拉伸。由于這個(gè)負(fù)荷環(huán)境，板材很可能會(huì)在擠壓時(shí)產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。通常，為了防止出現(xiàn)皺紋，需要調(diào)整摩擦系數(shù)或者施加某種程度的壓邊力，但是這樣做也會(huì)導(dǎo)致板材的壁厚發(fā)生變化，從而在某些地方可能出現(xiàn)過于薄弱的情況，進(jìn)而構(gòu)成了設(shè)備在運(yùn)行中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)理論上主要依托“塑性成型原理及工藝”這門課中沖壓模具結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，而通過“材料成型數(shù)值模擬”這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握了材料成形過程中的有限元模型的思想和方法。VES（Virtual learning+Expert demonstration+Self-practice）的教學(xué)模式被應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即“虛擬學(xué)習(xí)+專家示范+自主實(shí)踐”。“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)內(nèi)容包括：在實(shí)驗(yàn)前集中闡述實(shí)驗(yàn)的具體要求，然后在實(shí)驗(yàn)過程中由教師示范實(shí)驗(yàn)流程，接著由學(xué)生獨(dú)立拆裝沖壓模具、自主學(xué)習(xí)沖壓模具結(jié)構(gòu)及沖壓生產(chǎn)流程，最后進(jìn)行大規(guī)模沖壓零部件生產(chǎn)的仿真模擬（集中+分散），以及對(duì)大規(guī)模沖壓零部件生產(chǎn)工藝的分析總結(jié)（集中）等步驟。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程

為了模擬真實(shí)的制造任務(wù)，創(chuàng)建了一個(gè)由學(xué)生、教師以及其他指導(dǎo)員組成的學(xué)習(xí)小組。在實(shí)驗(yàn)的初期，學(xué)生們會(huì)使用視聽教育和虛擬仿真的方法，利用虛擬的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來進(jìn)行初期的模具拆卸、塑性工藝以及模具知識(shí)的學(xué)習(xí)。學(xué)生可以進(jìn)入模具的虛擬裝配車間，在仿真軟件中，他們能夠通過各種模具的自我訓(xùn)練來熟悉模具的拆卸操作，并且通過這些模具的拆卸來加強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)過程，在此基礎(chǔ)上學(xué)生完成相關(guān)沖壓模具的拆裝考試。教師以實(shí)際的封頭零件成形過程為任務(wù)引領(lǐng)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)來解讀這個(gè)零件的成型工藝特性，并闡述其虛擬成型的基本技巧。通過使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來展示實(shí)驗(yàn)操作步驟，指導(dǎo)學(xué)生在獨(dú)立完成沖壓模具和工藝設(shè)計(jì)的前提下，運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，并結(jié)合理論知識(shí)來探討工藝參數(shù)的改變?nèi)绾斡绊懡饘俚乃苄粤鲃?dòng)和應(yīng)力應(yīng)變場的變化。學(xué)生們可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上獨(dú)立進(jìn)行零件的模擬制造，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行全面的評(píng)估，從而達(dá)到虛實(shí)相輔的效果?！笆谡n、研究、實(shí)踐”三者相輔相成，既富有教育意義又充滿樂趣，這樣做不只有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、主觀精神、自我驅(qū)動(dòng)，也有助于訓(xùn)練他們在實(shí)踐過程中尋找并處理問題的技巧，推動(dòng)他們的創(chuàng)新思維和技巧的成長，并且提高他們的獨(dú)立分析和處理問題的技巧，從而提高教育的成效。

2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系

在傳統(tǒng)的試驗(yàn)教育方法里，教師的角色是核心，而且主要的任務(wù)就是灌輸知識(shí)，這種方法的特點(diǎn)就是學(xué)生只能接受一種單一的、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方法。通過運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教育方法，將學(xué)生置于核心位置，這樣可以讓他們在參與項(xiàng)目的過程中，既能掌握所需的知識(shí)，也能在學(xué)習(xí)過程中完成相應(yīng)的任務(wù)，進(jìn)一步促進(jìn)他們獨(dú)立地構(gòu)筑和理解所需的知識(shí)。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教育打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間和地點(diǎn)的束縛，讓學(xué)生能夠依照他們的喜好進(jìn)行“重復(fù)試驗(yàn)”“隨機(jī)試驗(yàn)”和“移動(dòng)試驗(yàn)”。這樣，不僅使得課程內(nèi)容有了更廣闊的應(yīng)用，也極大地提升了學(xué)生的個(gè)性和獨(dú)立思考的能力，從而真正達(dá)到了讓學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和積極參與的目標(biāo)。通過虛擬模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可以利用校園網(wǎng)絡(luò)，無論是在寢室、圖書館還是其他場所，都能夠自由的訪問并參與到課程中，這種模擬的形式讓學(xué)生們通過協(xié)作，一起完成最后的零部件成形，這也有助于提升他們的全面性、深入性的思維技巧，并增強(qiáng)了他們處理問題的能力。通過系統(tǒng)的自動(dòng)化評(píng)估，能夠?qū)⑿〗M討論、個(gè)人報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多個(gè)步驟融為一體，以便對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面的評(píng)估。

3 持續(xù)建設(shè)服務(wù)計(jì)劃

這個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)完成基礎(chǔ)環(huán)節(jié)的構(gòu)建，并在2021 年被授予四川省級(jí)的一流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。伴隨著教育資源的持續(xù)優(yōu)化以及行業(yè)對(duì)專門技術(shù)的持續(xù)更新，會(huì)持續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教育的內(nèi)容，并提升教育的手段，并完善對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的管理體系。構(gòu)建了一個(gè)可以互相交流的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料的反饋平臺(tái)，允許老師與學(xué)生對(duì)這些資料做出批判性的評(píng)估與回應(yīng)。同時(shí)，基于項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的流程以及評(píng)估系統(tǒng)得出的結(jié)論，可以更好地優(yōu)化這些仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資料，以保證其可以持久且高效地發(fā)展。目標(biāo)是把這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目塑造成與生產(chǎn)、技術(shù)、工藝緊密結(jié)合，且具備極高的實(shí)際應(yīng)用性和獨(dú)特性的仿真試驗(yàn)項(xiàng)目。利用專業(yè)研討會(huì)和學(xué)術(shù)論文等方式，提升與材料成形及其控制工程、材料加工工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域的大學(xué)的溝通與協(xié)作，進(jìn)一步加深大學(xué)間的資源共享，借鑒相關(guān)大學(xué)的教育計(jì)劃以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)勢，逐漸達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)分的互認(rèn)。

4 結(jié)語

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和提升，對(duì)于高質(zhì)量的技術(shù)工人和創(chuàng)新型人才的急需日益增長。“產(chǎn)學(xué)合作、產(chǎn)教融合”已經(jīng)成為當(dāng)前大學(xué)教育優(yōu)質(zhì)發(fā)展的一個(gè)核心路徑，也是推進(jìn)教育改革的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)生需要掌握將理論與現(xiàn)代工具相融合的技巧，并且需要擁有針對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行深入的分析和探討，以及制定出適當(dāng)?shù)牟呗院吞幚磉@些問題的技巧。這個(gè)專業(yè)的方向是強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和提升工程技術(shù)。通過本次實(shí)驗(yàn)，對(duì)沖壓生產(chǎn)中常見的質(zhì)量問題和模具設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了深入分析和解決，以此加強(qiáng)學(xué)生對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的理解和掌握。這不僅使學(xué)生對(duì)塑性加工工藝和模具內(nèi)容有了更深的理解和認(rèn)識(shí)，也提升了他們運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工具對(duì)油氣設(shè)備零件成形過程進(jìn)行綜合分析的能力，從而提高了他們在油氣設(shè)備零部件成形設(shè)計(jì)、制備、模擬和優(yōu)化方面的能力。