新教改下有限元分析技術(shù)在熱處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探究

王春政 毛星 毛桂生

摘 要：有限元分析技術(shù)可用來求解溫度場等熱處理工程上的問題.該技術(shù)可以用ansys軟件在熱處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在新教改的思想指導(dǎo)下為熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟出一條新途徑。該方法與普通實(shí)驗(yàn)相比具有形象、直觀、充實(shí)等特色.ANSYS軟件可直觀的對(duì)熱處理實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行仿真。通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS軟件分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有利于學(xué)生直觀掌握理論知識(shí)，使得熱處理實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容充實(shí)飽滿。

關(guān)鍵詞：有限元分析；熱處理實(shí)驗(yàn)；新教改

1、項(xiàng)目的意義

熱處理實(shí)驗(yàn)中“熱處理前后力學(xué)性能對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)用于分析熱處理前后各種材質(zhì)試樣硬度變化。以往實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅是實(shí)驗(yàn)教師按照試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解示范，學(xué)生進(jìn)行演示，并得出相同的結(jié)果，即為達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。此種實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅是讓學(xué)生機(jī)械式的重復(fù)，對(duì)熱處理過程的熱處理工藝在溫度上是如何影響硬度這一現(xiàn)象沒有進(jìn)行深度思考。機(jī)械式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能夠很好激發(fā)學(xué)生的知識(shí)探索和創(chuàng)新思維。而開設(shè)“熱處理前后力學(xué)性能對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)”的初衷是讓學(xué)生在能夠?qū)嶋H動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過程中，能真正明白該門課程中熱處理工藝對(duì)金屬硬度的影響，形象直觀的了解該工藝的作用原理。

因此為激發(fā)學(xué)生的知識(shí)探索，可以通過“有限元分析”的方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，運(yùn)用有限元技術(shù)中的 ANSYS 分析軟件進(jìn)行虛擬仿真，模擬熱處理前后試樣力學(xué)性能變化，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)的過程中，既可以學(xué)到熱處理工藝實(shí)驗(yàn)技能，又可以直觀了解熱處理的原理。使學(xué)生在獲得綜合技能，又激發(fā)學(xué)生對(duì)該門課程的思考和創(chuàng)新能力。

因此需在熱處理實(shí)驗(yàn)課中引入“有限元技術(shù)”以及 ANSYS 虛擬軟件軟件分析內(nèi)容講解，使該門實(shí)驗(yàn)課教學(xué)生動(dòng)、形象、內(nèi)容充實(shí)飽滿。

2、研究現(xiàn)狀

從有限元技術(shù)出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)廣泛的在工程上得到了應(yīng)用。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展已經(jīng)日趨完善。它的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能（例如應(yīng)力、溫度等）可以通過對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)果的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論又無法解決的復(fù)雜問題。因此可以將該技術(shù)運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)課程“熱處理前后力學(xué)性能觀察”中，通過對(duì)該熱處理工藝過程的前后硬度進(jìn)行有限元分析，能夠?qū)⒋藢?shí)驗(yàn)手動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)，比讓學(xué)生充分了解試樣的硬度變化的過程和原因。

3、研究方法

學(xué)生在該門實(shí)驗(yàn)過程中，將金屬試樣放入熱處理爐后保溫 40 分鐘內(nèi)，在保溫過程中通過講解有限元基本知識(shí)，并采用 ANSYS 軟件分析計(jì)算出的本次熱處理過程前后仿真的結(jié)果，并展示給學(xué)生。等試樣熱處理時(shí)間完成后，將試樣取出后，進(jìn)行處理后力學(xué)性能測試，將測試結(jié)果與 ANSYS 模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)對(duì)比結(jié)果一致時(shí)，學(xué)生們不僅在實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行了實(shí)際動(dòng)手操作，還可以從理論上進(jìn)行了解熱處理工藝。

改革后該門實(shí)驗(yàn)課上課流程如下圖所示：

4、結(jié)論

通過將有限元分析技術(shù)運(yùn)用在熱處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將兩者有機(jī)結(jié)合可以更好的實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化。在課堂教學(xué)中將有限元分析和ANSYS虛擬仿真技術(shù)知識(shí)和分析結(jié)果融入原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行授課。并再結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題和教學(xué)效果的反饋，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行逐步完善，形成一套完善的教學(xué)方法；時(shí)克服了學(xué)生上課單一機(jī)械的缺點(diǎn)，顯著改善了教學(xué)條件、提高教學(xué)效果。同時(shí)也可以將該方法推廣應(yīng)用在其他學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課中，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

【1】高壓直流輸電單極大地方式運(yùn)行時(shí)地表電位分布規(guī)律[J]. 郝治國;余洋;張保會(huì);程臨燕;曹瑞峰;丁茂生;張軍.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009（06）

【2】 淺談如何提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[J]. 王延宗;黃睿.科技資訊，2007（35）

【3】GMAW溫度場計(jì)算及其焊接質(zhì)量的特征建模[J]. 雷玉成，郁雯霞，李彩輝，張成，程曉農(nóng).江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（03）

【4】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中有限元軟件ANSYS求解電場問題的應(yīng)用[J]. 李志剛，邵長金，唐煉.長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（10）

課題項(xiàng)目：韶關(guān)學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目（SYJY20201230）

作者簡介：王春政（1985-），男，碩士，實(shí)驗(yàn)員，主要研究方法：熱處理工藝