《金屬凝固過程數(shù)值模擬》課程的教改探討

劉光磊

摘 要： 隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析已成為材料成型領(lǐng)域研究的新方法。針對(duì)當(dāng)前形勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)高校將《金屬凝固過程數(shù)值模擬》這門課作為材料成型專業(yè)的一門公共課程。但是，大多數(shù)學(xué)校該課程教學(xué)仍停留在教師“一言堂”或“灌輸式”的教學(xué)模式下?；诖?，在進(jìn)一步明確本課程教學(xué)內(nèi)容和方法、課程作用及解決問題的前提下，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩大方面提出新的教學(xué)思路和方法，對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 凝固模擬 教改 實(shí)踐

1.引言

材料成型及控制工程專業(yè)是教育部1998年新增的專業(yè)，它以材料科學(xué)為基礎(chǔ)，有機(jī)結(jié)合鑄、鍛、焊等加工工藝和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科。材料成型專業(yè)作為綜合反映一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的專業(yè)，是促進(jìn)機(jī)械、冶金、汽車、新材料、電器、電子、航天、航空等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開領(lǐng)域的支柱專業(yè)，其培養(yǎng)的人才是社會(huì)未來發(fā)展不可估量的力量。隨著人類社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，對(duì)材料成型領(lǐng)域產(chǎn)品的精密性、質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等要求越來越高。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，打破傳統(tǒng)材料成型專業(yè)單純依靠反復(fù)實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)解決生產(chǎn)應(yīng)用過程中的實(shí)際問題的僵局，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)中的輔助模擬仿真計(jì)算功能儼然成為材料成型研究的第三種重要方法。通過該方法可以在研發(fā)過程中對(duì)新產(chǎn)品的成型工藝進(jìn)行仿真模擬、分析計(jì)算，避免試制或?qū)嶋H生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，為根本上解決產(chǎn)品缺陷問題提供有力依據(jù)，從而大大縮短研發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等，是材料科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域及熱點(diǎn)方向。

面對(duì)這種形勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)，所有高等學(xué)校都將《金屬凝固過程數(shù)值模擬》這門課程作為材料成型專業(yè)的一門公共課程。遺憾的是，長(zhǎng)久以來本課程一直處于教師“一言堂”或者“灌輸式”的教學(xué)模式下，使得學(xué)生的課程興趣下降，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。在國(guó)家倡導(dǎo)新一輪課程改革浪潮的背景下，我認(rèn)為更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的自覺性，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。針對(duì)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展和社會(huì)需求，從多個(gè)方面開展研究和探索，爭(zhēng)取為《金屬凝固過程數(shù)值模擬》課程的教改提供可行性方案。

2.《金屬凝固過程數(shù)值模擬》課的內(nèi)容和作用

2.1教學(xué)內(nèi)容和方法

金屬凝固過程數(shù)值模擬主要是研究金屬材料由液態(tài)到固態(tài)的相變過程，通過建立正確的數(shù)學(xué)模型，采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法借助計(jì)算機(jī)解決這些模型，研究金屬在澆注和凝固過程中的熱量傳遞、質(zhì)量和動(dòng)量變化等現(xiàn)象，從而得到反映凝固過程規(guī)律或具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的結(jié)果。具體研究對(duì)象是：如果說把液態(tài)金屬的成型過程稱之為一個(gè)體系的話，那么這個(gè)體系包括三個(gè)部分：鑄件、鑄型和處在的環(huán)境和兩個(gè)界面：內(nèi)界面和外界面。上述體系只能稱為簡(jiǎn)單體系或簡(jiǎn)化體系，實(shí)際生產(chǎn)中的體系會(huì)更復(fù)雜，也就是復(fù)雜（精確）體系：在鑄件和鑄型之間還存在諸如氣隙之類的中間層。以各組元之間的熱交換規(guī)律分析為例：對(duì)于簡(jiǎn)單體系而言，只要分析金屬鑄件內(nèi)部、金屬與鑄型之間、鑄型內(nèi)部、鑄型與大氣之間的熱交換就可以；對(duì)于復(fù)雜體系而言，還要分析金屬與氣隙、氣隙內(nèi)部和氣隙與鑄型間的熱交換，一方面給模擬分析增加了相當(dāng)大的難度，另一方面分析計(jì)算量是成倍增長(zhǎng)的，計(jì)算機(jī)的模擬運(yùn)算時(shí)間會(huì)翻倍增加。

通常習(xí)慣將金屬材料凝固過程模擬分成以下兩類：第一，宏觀模擬：（1）流動(dòng)充型場(chǎng)；（2）溫度場(chǎng)；（3）濃度場(chǎng)；（4）應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)；（5）宏觀缺陷預(yù)測(cè)。第二，微觀模擬：根據(jù)上述四個(gè)宏觀物理場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合相變規(guī)律預(yù)測(cè)微觀組織形貌及其形核和長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)過程，進(jìn)而預(yù)測(cè)材料性能。其研究方法包括三種：一是編程和計(jì)算機(jī)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)：（1）模擬對(duì)象分析；（2）數(shù)學(xué)建模；（3）時(shí)間和空間的離散化；（4）數(shù)值計(jì)算方法（有限差分法、有限元法、邊界元法）；（5）線性方程組的求解；（6）圖形化后處理。二是借助商業(yè)化的通用工具軟件實(shí)現(xiàn)，如ANSYSYS，有二次開發(fā)接口，較簡(jiǎn)單。主要工作是確定模擬問題的種類和確定單值性條件，重點(diǎn)是CAD建模和網(wǎng)格剖分。三是借助專業(yè)化的工具軟件實(shí)現(xiàn)，如ProCast，無二次開發(fā)接口，適合工程技術(shù)人員進(jìn)行菜單式操作。

當(dāng)然，凝固過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，除了金屬液流動(dòng)充型動(dòng)態(tài)過程外，還包括金屬與鑄型材料的相互作用、鑄件的形狀特點(diǎn)及金屬冷卻、凝固時(shí)其成分、體積變化等一系列伴生現(xiàn)象。我們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的宗旨是獲得高質(zhì)量的鑄件產(chǎn)品。最理想的狀態(tài)是把上述所有伴隨凝固過程而產(chǎn)生實(shí)際現(xiàn)象全部納入一個(gè)統(tǒng)一的模型中，這樣模擬出的結(jié)果更接近實(shí)際，也更準(zhǔn)確。遺憾的是目前計(jì)算機(jī)和科技水平還做不到。

2.2課程作用及解決問題

2.2.1預(yù)知金屬流動(dòng)與充型過程

流動(dòng)充型場(chǎng)模擬可以預(yù)測(cè)充型過程中的冷隔、澆不足和卷氣傾向，對(duì)設(shè)計(jì)最佳的內(nèi)澆口、排氣口和澆注溫度、澆注過程具有指導(dǎo)意義。

2.2.2預(yù)知鑄件的收縮缺陷與補(bǔ)縮

對(duì)于金屬而言，在凝固過程中會(huì)發(fā)生體積收縮，并有可能由于得不到及時(shí)補(bǔ)充而在最后凝固的部位形成孔洞，一般稱為縮孔。如果孔洞很細(xì)小，分散分布，又稱疏松。預(yù)知鑄件的收縮缺陷與補(bǔ)縮最主要的方法是采用溫度場(chǎng)模擬，如等溫線法、溫度梯度法等判定方法。

2.2.3預(yù)知凝固過程中的偏析

鑄件中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為宏觀偏析和微觀偏析。除了單質(zhì)外，在一般的凝固和鑄造條件下，偏析幾乎是不可避免的。對(duì)宏觀偏析的預(yù)測(cè)采用溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)模擬+相圖等手段進(jìn)行綜合分析。

2.2.4預(yù)知鑄件裂紋

影響鑄件產(chǎn)生裂紋的因素很多，如合金成分、澆注工藝、鑄件形狀、鑄型條件等，給計(jì)算機(jī)模擬預(yù)知工作帶來很多難題。目前，主要是模擬凝固過程中的溫度場(chǎng)、凝固后期鑄件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及金屬液補(bǔ)縮過程進(jìn)行判斷。

2.2.5預(yù)知微觀組織和機(jī)械性能

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，鑄造成型方法越來越多，工藝越來越復(fù)雜。如制備同樣成分和形狀的合金鑄件，采用砂型、金屬鑄造得到的同樣鑄件的組織和性能就不一樣，主要是凝固速度不同，所以預(yù)知鑄件的微觀組織和機(jī)械性能通常要綜合所有模擬的物理場(chǎng)，而且分析起來更專業(yè)、更難。

3.教改思路和方法

由于該課程的理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)，因此應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解接受性，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。

3.1理論教學(xué)方面

3.1.1教材選擇和建設(shè)

學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，廣為應(yīng)用的模擬軟件大多是基于有限元理論開發(fā)的，學(xué)生必須學(xué)會(huì)使用有限元法解決工程應(yīng)用問題。教學(xué)時(shí)，優(yōu)選突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的教材，這里推薦楊全、張真主編的《金屬凝固與鑄造過程數(shù)值模擬》一書，該教材內(nèi)容安排合理、淺顯易懂。另外，要求教師在講課過程中適當(dāng)增加實(shí)例講解，使學(xué)生理解有限元求解問題的本質(zhì)。

3.1.2教學(xué)手段現(xiàn)代化和多樣化

打破傳統(tǒng)教學(xué)方式，采取現(xiàn)代化、多樣化教學(xué)形式，如采用Powerpoint、三維動(dòng)畫和視頻播放等方式將講課內(nèi)容做成課件，充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢(shì)，一方面加深學(xué)生對(duì)難點(diǎn)、重點(diǎn)的理解和認(rèn)識(shí)，另一方面大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)。

3.1.3增加教師和學(xué)生的互動(dòng)

課堂教學(xué)時(shí)間畢竟是有限的，再加上每個(gè)學(xué)生認(rèn)識(shí)理解問題的能力參差不齊，有必要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，如QQ群、微信群、論壇BBS等，便于師生之間利用課后時(shí)間進(jìn)行交流和補(bǔ)充，不但能增進(jìn)彼此之間的感情，更能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3.2實(shí)踐教學(xué)方面

3.2.1軟件學(xué)習(xí)

受課時(shí)的限制，本課程的教學(xué)重心不會(huì)放在軟件教學(xué)上，這就要求學(xué)生利用課后時(shí)間進(jìn)行。目前凝固模擬軟件大多是國(guó)外開發(fā)的，使用語言也是英文，如Pro-cast、Flow-3D、Solidcast、ansys、UG、ProE等，為了降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，一方面要求教師挑選一種軟件在課堂上進(jìn)行清晰合理的介紹，另一方面可以利用業(yè)余時(shí)間組織一個(gè)短期軟件培訓(xùn)班，提高學(xué)生軟件操作和對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析的能力。同時(shí)，有必要鼓勵(lì)學(xué)生參加相關(guān)軟件的資質(zhì)考試，使其具備較高的軟件使用能力。

3.2.2課程設(shè)計(jì)

為了檢查學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和掌握情況，結(jié)合本課程教學(xué)安排一至兩次課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容可以讓學(xué)生選擇感興趣的零部件生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬分析，教師負(fù)責(zé)難度把握和協(xié)助指導(dǎo)，有條件的學(xué)?？梢詫W(xué)生分組進(jìn)行大型產(chǎn)品模擬設(shè)計(jì)。整個(gè)過程中，要求學(xué)生盡量獨(dú)立思考、分析問題和解決問題，明確如何使用所學(xué)知識(shí)，為以后實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2.3其他實(shí)踐

為了取得良好的學(xué)習(xí)效果，積極開展學(xué)術(shù)交流和實(shí)踐交流活動(dòng)。一是聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)外高校或企業(yè)材料成型領(lǐng)域的教授、工程師做報(bào)告，使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)水平緊跟國(guó)際先進(jìn)水平，讓學(xué)生和教授的綜合素質(zhì)均得到提高；二是精心組織和鼓勵(lì)學(xué)生參加各種比賽，如國(guó)家級(jí)的“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽、全國(guó)鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽，以及學(xué)校自己打造的“星光杯”科技文化競(jìng)賽等；三是支持學(xué)生勇于創(chuàng)新，積極申報(bào)“大學(xué)生科研立項(xiàng)資助項(xiàng)目”，進(jìn)一步對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

4.結(jié)語

為了培養(yǎng)出符合時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)人才，必須在學(xué)生教育和培養(yǎng)環(huán)節(jié)上進(jìn)行創(chuàng)新和改革。學(xué)生學(xué)習(xí)凝固模擬這門課的目的是掌握引言中所述的材料研究中的第三種重要方法，解決實(shí)際工程問題。因此，絕對(duì)不能純粹地把模擬軟件的操作和分析當(dāng)做本門課的唯一任務(wù)學(xué)習(xí)。在上文論述中，筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)感悟，提出了對(duì)《金屬凝固過程數(shù)值模擬》這門課教改的一些建議和想法，希望對(duì)材料成型專業(yè)課教學(xué)有一定的幫助。

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