復(fù)合材料干壓成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與實(shí)踐

李明亮，王海亮，宋 博，盧紅霞

（1.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)關(guān)鍵金屬河南實(shí)驗(yàn)室 河南 鄭州 450001)

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的背景及意義

近年來，隨著多種專業(yè)認(rèn)證的推動(dòng)，許多高校積極推動(dòng)自身發(fā)展，不斷完善培養(yǎng)模式，優(yōu)化課程內(nèi)容，加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)，完善質(zhì)量控制機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，以期更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性、探索性和能動(dòng)性，從而更好地滿足社會(huì)發(fā)展的需求。鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的“綜合實(shí)驗(yàn)”課程是一項(xiàng)實(shí)踐性極強(qiáng)、具有研究設(shè)計(jì)性的綜合實(shí)驗(yàn)課程?！皬?fù)合材料干壓成型實(shí)驗(yàn)”是“綜合實(shí)驗(yàn)”的重要組成部分，陶瓷/金屬復(fù)合材料是材料領(lǐng)域研究與應(yīng)用的重點(diǎn)，坯體成型的質(zhì)量直接影響復(fù)合材料后續(xù)的燒結(jié)工藝和材料的最終性能。在當(dāng)前復(fù)合材料干壓成型的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中，由于儀器設(shè)備成本高、占用空間大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限不能滿足實(shí)訓(xùn)要求；實(shí)驗(yàn)采用納米原料，有一定的粉塵污染，加之實(shí)驗(yàn)設(shè)備零件較復(fù)雜、成型壓力大、裝模、施壓、保壓與脫模等過程均有一定的危險(xiǎn)性；另外，坯體成型過程中的致密機(jī)理難以直觀體現(xiàn)，影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效率和效果[1]。

當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息技術(shù)應(yīng)用遍及社會(huì)生活的方方面面。高校使用3D 建模、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以“理、虛、實(shí)”一體化的方式，構(gòu)建虛擬仿真軟件及云平臺(tái)。利用其生動(dòng)、立體、逼真的表現(xiàn)形式，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行復(fù)合材料干壓成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，最大限度地發(fā)揮虛擬資源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本和風(fēng)險(xiǎn)，開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 “復(fù)合材料干壓成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

干壓成型是指陶瓷、粉末冶金及復(fù)合材料生產(chǎn)中較常用的一種坯體成型方法，也是材料制備的重要環(huán)節(jié)之一，干壓成型質(zhì)量直接影響后續(xù)的燒結(jié)工藝和材料性能。其原理如下：首先，把適量黏合劑混合到復(fù)雜的顆粒物中，然后將混合好的顆粒放入專門的壓鑄模具；隨著顆粒不斷地運(yùn)動(dòng)，它們之間的距離越來越近并彼此緊貼；經(jīng)過精準(zhǔn)施壓與顆粒移動(dòng)，這些材料的截面和模具的截面完全吻合，而其中的空隙也被有效地排除，使得材料的密實(shí)性大大增加，并達(dá)到較好的強(qiáng)度[2]。影響干壓成型性能的因素除粉體性能之外，還包括壓制方式、壓制壓力和壓制時(shí)間等。

采用虛擬壓片機(jī)仿真軟件系統(tǒng)，可為理論課程和實(shí)踐操作提供一個(gè)橋梁，從而更好地將兩者結(jié)合，讓學(xué)生可更好地掌握復(fù)合粉體的干壓成型技術(shù)，深入研究壓力的變化，比如壓力的大小、粉體的密度、壓縮的速度與壓縮的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等，掌握粉體的壓縮特性，并準(zhǔn)確估測(cè)粉體的壓縮壓力[3]。虛擬壓片機(jī)仿真軟件系統(tǒng)可實(shí)時(shí)模擬粉體與模具的受力情況以及氣孔率、體積密度等性能指數(shù)并以可視化圖像呈現(xiàn)，學(xué)生能更為直觀地觀察到復(fù)合粉體干壓成型的變化過程。通過引入虛擬復(fù)合材料成型虛擬仿真系統(tǒng)，能有效解決理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練難以融合的問題，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)約，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和考核，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

2.2 知識(shí)點(diǎn)

復(fù)合粉體造粒工藝對(duì)粉體流動(dòng)性的影響規(guī)律。造粒工藝是干壓成型的先行工藝，是將磨細(xì)的粉料，經(jīng)過干燥、加膠黏劑（PVA、石蠟、酒精或水），制成流動(dòng)性好、粒徑約為0.1—1mm 的顆粒。造粒后粉體質(zhì)量直接影響成型工藝及坯體性能，實(shí)驗(yàn)中要掌握膠黏劑含量、蒸餾水添加量、膠黏劑與納米粉體的混合過程以及過篩造粒等工藝因素對(duì)粉體顆粒大小及流動(dòng)性的影響。

成型壓力對(duì)坯體性能的影響規(guī)律。干壓成型過程包括升壓、保壓和泄壓三個(gè)過程。在坯體的截面面積和形狀保持不變的情況下，隨著壓力的增加，坯體的結(jié)構(gòu)也會(huì)變得更加緊密，但如果壓力過大，就會(huì)使樣品出現(xiàn)分層，從而影響成型的效果。

升壓速度對(duì)坯體性能的影響規(guī)律。如果干壓成型的壓力控制不當(dāng)，就可能會(huì)導(dǎo)致坯體出現(xiàn)分層、表面緊密而內(nèi)部松軟，甚至產(chǎn)生氣泡等缺陷。因此，壓模的下落速度應(yīng)該適當(dāng)放慢，避免壓力過大，以免影響坯體的完整性。

保壓時(shí)間對(duì)坯體性能的影響規(guī)律。為使坯體內(nèi)壓力傳遞充分，壓坯中密度分布均勻，以及更多氣體沿縫隙排出，必須要有足夠的保壓時(shí)間。若保壓時(shí)間太短，可能會(huì)造成壓力沒能達(dá)到預(yù)期的程度，從而影響氣體的流動(dòng)，產(chǎn)生分層和氣泡的問題。因此，正確的保壓時(shí)長(zhǎng)是至關(guān)重要的，它可以幫助確保壓坯的質(zhì)量，從而獲得良好的結(jié)果。然而，如果壓力維持的時(shí)間太久，被壓縮的物料會(huì)因?yàn)獒尫艍毫Χ磸?，?dǎo)致其破碎。

脫模的過程與方法。掌握脫模的方法和脫模后坯體自模具上取出的方法，以免造成坯體損壞。

2.3 核心要素仿真設(shè)計(jì)

運(yùn)用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行復(fù)合材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這樣就能更好地模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，并且能夠更準(zhǔn)確地反映出實(shí)驗(yàn)的目的、原理、操作環(huán)境以及互動(dòng)體驗(yàn)。

壓機(jī)是此仿真實(shí)驗(yàn)中最為關(guān)鍵的儀器，其結(jié)構(gòu)包括手輪、絲杠、螺母、立柱、頂蓋、大油缸、大板、油池、工作空間、壓力表、手動(dòng)壓把、柱塞泵、注油孔螺釘、限位螺釘、吸油閥、出油閥等，其功能實(shí)現(xiàn)主要表現(xiàn)為擰緊絲杠和注油孔螺釘后，上下按壓手動(dòng)壓把，油缸內(nèi)油位上升，工作空間縮小，模具受到上下擠壓的力，壓力從模具上下壓頭傳至內(nèi)部粉體，并在粉體內(nèi)部繼續(xù)傳播，使得顆粒與顆粒之間緊密接觸，氣孔被排出，松散的粉體被壓制成為具有一定致密度的坯體。在仿真系統(tǒng)中，通過3D 建模以及邏輯搭建，可將壓機(jī)在使用過程中各部分結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行可視化展示，真實(shí)地還原壓機(jī)的操作過程。

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

實(shí)景模擬式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用信息技術(shù)帶來新的教學(xué)理念，采用“實(shí)景模擬式”方案設(shè)計(jì)，兼顧培養(yǎng)學(xué)生能力、提升實(shí)踐教學(xué)效果等多元化目標(biāo)[4]。利用研究式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)復(fù)合材料成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷，如分層、空隙、應(yīng)力梯度與變形等問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)、模具及原料選擇提供依據(jù)。本虛擬仿真教學(xué)將學(xué)生置于核心地位，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的可靠性研究，并采取多種措施來保障學(xué)生的安全，實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程，從而實(shí)現(xiàn)綠色教學(xué)。為此，我們特別設(shè)計(jì)了12 個(gè)學(xué)生自由操作的交互性實(shí)驗(yàn)步驟，如造粒、設(shè)置壓機(jī)參數(shù)、壓片機(jī)的拆卸等。

虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法。復(fù)合材料模擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過數(shù)學(xué)模型、工藝仿真、材料工藝方案及參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，在3D 場(chǎng)景下完成復(fù)合材料干壓成型虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、參數(shù)設(shè)計(jì)、材料成型、數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這款虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件擁有多種功能，包括自主學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)、預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和考核，可以在多種設(shè)備上使用，還提供了在線答疑服務(wù)。

科學(xué)合理的評(píng)價(jià)體系。采用綜合過程和結(jié)果的評(píng)價(jià)體系，過程評(píng)價(jià)包括了實(shí)驗(yàn)操作過程和學(xué)生討論，結(jié)果評(píng)價(jià)包括對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié)。通過這一評(píng)估體系，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)技能，并且可以根據(jù)學(xué)生和教師的反饋，不斷完善和優(yōu)化教學(xué)評(píng)估機(jī)制。

2.5 系統(tǒng)架構(gòu)圖及簡(jiǎn)要說明

通過B/S 架構(gòu)，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中心管理系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，并且可以根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用Maya 和3DMax 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三維建模，從而更好地模擬實(shí)際情況。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)層、支撐層、仿真層、應(yīng)用層等四層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層收集和存儲(chǔ)著實(shí)驗(yàn)中的所有建模數(shù)據(jù)、虛擬組件、用戶基本信息、參數(shù)、擬合方程、結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

支撐層：支撐層是基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，可以確保實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行，同時(shí)，還可以有效地管理用戶、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)和報(bào)告，從而為實(shí)驗(yàn)提供全面的支持。

仿真層：仿真層主要是根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行建模，還原實(shí)驗(yàn)本身，并且在實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過調(diào)整參數(shù)來探究不同的影響，從而大大提高實(shí)驗(yàn)的深度和廣度。

應(yīng)用層：具有廣泛的拓展性，可以滿足多終端不同用戶的需要。

3 考核要求

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論形式包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告與心得體會(huì)兩部分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、設(shè)備、原料，并且詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的操作細(xì)節(jié)以及相關(guān)的工藝參數(shù)。心得體會(huì)內(nèi)容包括學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)工藝流程的思考與感受，總結(jié)歸納出此類工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及影響干壓成型坯體質(zhì)量的因素并深入討論。

為保證教學(xué)質(zhì)量，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取過程考核的方式，每一步操作都進(jìn)行記錄賦分，并在總成績(jī)?cè)u(píng)估中占一定的比例。實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)有知識(shí)點(diǎn)的提醒和選擇題目，同樣作為過程考核成績(jī)的一部分。根據(jù)最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)一步考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作的掌握，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)估?；谡n堂知識(shí)的基礎(chǔ)和前沿學(xué)術(shù)的延伸，讓學(xué)生在本虛擬仿真項(xiàng)目中能夠進(jìn)一步提升綜合能力，促使基礎(chǔ)課、實(shí)驗(yàn)課和仿真課高度融合、前后貫通[5]。

3.1 對(duì)學(xué)生的考核要求

全面考核學(xué)生的專業(yè)理論水平、文獻(xiàn)閱讀與綜述能力、實(shí)驗(yàn)操作技能、數(shù)據(jù)分析能力和工程實(shí)踐能力等多種技能，考核涵蓋實(shí)驗(yàn)過程評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定兩部分。過程評(píng)定主要考核學(xué)生的基本學(xué)習(xí)能力、資料搜集能力、參與度，以及分析能力、溝通能力、協(xié)作能力、觀察能力及創(chuàng)新意識(shí)等；結(jié)果評(píng)定考核學(xué)生資料分析方法的科學(xué)性與嚴(yán)密性、理論基礎(chǔ)掌握程度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式規(guī)范性、操作規(guī)范與反應(yīng)能力、解決問題的能力等。并通過反饋和糾錯(cuò)機(jī)制，不斷提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、工程應(yīng)用及創(chuàng)新能力。

3.2 考核成績(jī)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（20%），考核內(nèi)容包括上網(wǎng)檢索與綜述文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告和完成預(yù)習(xí)效果測(cè)試；實(shí)驗(yàn)過程（50%），考核內(nèi)容包括工藝參數(shù)選擇、實(shí)驗(yàn)操作熟練程度及實(shí)驗(yàn)過程調(diào)整能力等；實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）,包括數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析討論及實(shí)驗(yàn)總結(jié)等。

4 面向高校、社會(huì)的教學(xué)推廣應(yīng)用與持續(xù)服務(wù)計(jì)劃

通過采用舉辦會(huì)議論壇、交流訪問等形式，與兄弟院校進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)思路、經(jīng)驗(yàn)和成果的資源共享，建立具有通用性、集成性和實(shí)用性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過配套信息化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬平臺(tái)，不斷更新軟件版本，構(gòu)建跨越式共享平臺(tái)，面向社會(huì)的推廣與服務(wù)計(jì)劃在項(xiàng)目實(shí)施第三年啟動(dòng)。在積累一定經(jīng)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能比較健全之后，可向有需求的企業(yè)及個(gè)人定制提供有償服務(wù)，所得收入用于平臺(tái)系統(tǒng)的維護(hù)及進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

目前，項(xiàng)目所建設(shè)的平臺(tái)已有能力承擔(dān)鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，并可支持其他材料類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，這一切均得益于該項(xiàng)目建立的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)管理信息平臺(tái)，為學(xué)生提供了一個(gè)完善的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境。項(xiàng)目已建成較為完善的組織機(jī)構(gòu)和管理體系，組建了較為穩(wěn)定的教學(xué)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，依托鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程一流學(xué)科建設(shè)，與更多高校的合作及推廣應(yīng)用前景十分廣闊。該項(xiàng)目后續(xù)將繼續(xù)申請(qǐng)河南省材料學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心課程群項(xiàng)目，將依托省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，為全國各大院系及研究機(jī)構(gòu)提供全面的技術(shù)支持，以滿足各界不斷變化的需求。