CAE技術(shù)在材料成型及控制工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

朱磊+張欣+林紅旗

摘要：材料成型行業(yè)是制造業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)，目前材料成型行業(yè)特別是鑄造行業(yè)對應(yīng)用型CAE人才的需求迫切。我校不僅將鑄造CAE技術(shù)作為一門課程開設(shè)，還將CAE技術(shù)融入到材料成型及控制工程專業(yè)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提升了教學(xué)效果，提高了學(xué)生的綜合工程能力，是一種有效的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)材料成型及控制工程專業(yè)鑄造方向

材料成型行業(yè)是是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是制造業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)。材料成型及控制工程專業(yè)是機(jī)械工程類專業(yè)，是機(jī)械工程與材料科學(xué)與工程的交叉專業(yè)，是理論性與實(shí)踐性要求都很高的，寬口徑、多方向的專業(yè)，主要研究對象是熱加工工藝，包含四個(gè)主要的專業(yè)方向：鑄造成型、塑性成形、焊接成形、塑件成型。

南陽理工學(xué)院是一所地方性應(yīng)用型本科院校，材料成型及控制工程專業(yè)是學(xué)校2012年新增的專業(yè)，專業(yè)開設(shè)的初衷就是服務(wù)南陽市材料成型行業(yè)。南陽市的材料成型行業(yè)發(fā)達(dá)，其中鑄造行業(yè)占主導(dǎo)地位，我校材料成型及控制工程專業(yè)的辦學(xué)定位就是以鑄造為主，兼顧鍛焊及塑件成型。

一、專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及核心課程

由于鑄造行業(yè)的特殊性，社會(huì)急需從事鑄造成型及質(zhì)量控制的技術(shù)人員。企業(yè)對于從業(yè)技術(shù)人員不僅要求掌握材料學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)，如冶金傳輸原理、材料成型原理等，還要求具備大量機(jī)械類專業(yè)的基本能力，如模具設(shè)計(jì)及加工能力。專業(yè)的畢業(yè)生主要從事鑄造企業(yè)的生產(chǎn)過程控制、技術(shù)開發(fā)、經(jīng)營管理、貿(mào)易營銷等方面的工作。

我校材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是具備鑄造工藝、模具設(shè)計(jì)和制造知識(shí)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新精神，能在鑄造生產(chǎn)第一線，從事合金熔煉、工藝工裝的設(shè)計(jì)制造、技術(shù)開發(fā)、企業(yè)管理和經(jīng)營銷售等方面工作的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才。專業(yè)的核心課程圍繞著合格鑄件的生產(chǎn)流程開設(shè)，主要有《冶金傳輸基礎(chǔ)》、《材料成型原理》、《鑄造合金及其熔煉》、《鑄造工藝學(xué)》、《特種鑄造》、《鑄造模具設(shè)計(jì)》等。

二、CAE技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

CAE，計(jì)算機(jī)輔助工程的簡稱，是利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算技術(shù)對工程問題進(jìn)行分析的技術(shù)，又稱為數(shù)值模擬技術(shù)。目前CAE技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，深刻地影響和改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)模式。

傳統(tǒng)的鑄件生產(chǎn)方式，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后試生產(chǎn)再反復(fù)的調(diào)整修改工藝方案，直到生產(chǎn)出合格的鑄件。這種生產(chǎn)模式依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和不斷的試錯(cuò)生產(chǎn)，新產(chǎn)品研發(fā)周期長、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低。

鑄件生產(chǎn)的主要包括兩個(gè)主要過程：金屬液體流動(dòng)充型過程和金屬液體冷卻凝固過程，其生產(chǎn)過程涉及流場、溫度場、應(yīng)力場等多物理量的耦合計(jì)算，是CAE技術(shù)中的難點(diǎn)。鑄造CAE技術(shù)主要用來模擬鑄件的生產(chǎn)的流動(dòng)充型及冷卻凝固，主要目的是預(yù)測冷隔、澆不足、夾砂等澆注充型缺陷以及縮松縮孔等冷凝缺陷，為制定合適的澆注工藝和設(shè)計(jì)合理的澆冒系統(tǒng)提供科學(xué)的依據(jù)。通過采用鑄造CAE技術(shù)，可以將原先在生產(chǎn)車間進(jìn)行的反復(fù)試錯(cuò)過程，轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行，極大的縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。

早期CAE技術(shù)在在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用受限于算法及計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，一直未得到推廣應(yīng)用。近些年，隨著計(jì)算方法的成熟及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷的擴(kuò)大和深入，已經(jīng)逐漸成為鑄件設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中的核心技術(shù)手段和必備工具。能夠熟練應(yīng)用CAE技術(shù)的技術(shù)人員的缺乏已經(jīng)嚴(yán)重制約了國內(nèi)鑄造行業(yè)的升級換代和轉(zhuǎn)型發(fā)展。

鑄造工藝CAE包含傳熱學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)、凝固理論、數(shù)值分析、圖形學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類，是材料成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)主流的CAE鑄造模擬軟件軟件有法國ESI公司的ProCAST，德國的MAGMA、韓國的Anycasting、華中科技大學(xué)的華鑄CAE等。我校材料成型及控制工程專業(yè)根據(jù)周邊企業(yè)的要求，結(jié)合專業(yè)發(fā)展的需要，購置了ESI公司的ProCAST，并將其大量應(yīng)用在材料成型及控制工程專業(yè)的教學(xué)環(huán)節(jié)中。

三、CAE技術(shù)在課程體系中的應(yīng)用

我校是一所應(yīng)用型本科院校，培養(yǎng)的畢業(yè)生主要面向生產(chǎn)技術(shù)一線，應(yīng)用型鑄造CAE人才，首先必須懂鑄造工藝，具備鑄件制造的相關(guān)的理論知識(shí)和鑄造模具設(shè)計(jì)加工的實(shí)踐能力，然后才是CAE技術(shù)的掌握。對于鑄造CAE技術(shù)的掌握主要體現(xiàn)在能夠使用現(xiàn)有的成熟的鑄造模擬軟件解決具體的鑄造生產(chǎn)中的工程問題，而不是研究CAE理論算法，開發(fā)新的CAE軟件，即“重在應(yīng)用，輕在理論”。這里的理論主要是指數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)等與鑄造生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)度較低的理論。

（一）課程體系的安排

材料成型及控制工程專業(yè)的課程體系設(shè)置如下：一年級主要是通識(shí)平臺(tái)課程，專業(yè)課程只有最基礎(chǔ)的《機(jī)械制圖》；二年級開始進(jìn)行專業(yè)平臺(tái)課程，如《冶金傳輸基礎(chǔ)》、《材料成型原理》；三年級主要是專業(yè)方向模塊課程，鑄造方向的核心課程基本都在大三開設(shè)，如《鑄造合金及其熔煉》、《鑄造工藝學(xué)》、《特種鑄造》、《鑄造模具設(shè)計(jì)》、《模具制造技術(shù)》等；四年級的課程以實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、綜合演練等實(shí)踐環(huán)節(jié)為主，輔以專業(yè)選修課，如《焊接技術(shù)基礎(chǔ)》、《鍛壓技術(shù)基礎(chǔ)》、《塑料模具設(shè)計(jì)》等。其中講授CAE軟件ProCAST使用的教學(xué)環(huán)節(jié)《鑄造工藝CAE實(shí)訓(xùn)》在第六學(xué)期下半學(xué)期采用實(shí)訓(xùn)的方式，在計(jì)算機(jī)中心進(jìn)行，并在大四的綜合實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)大量利用軟件進(jìn)行工程訓(xùn)練。

（二）CAE技術(shù)在理論教學(xué)中的應(yīng)用

材料成型及控制工程專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程《冶金傳輸基礎(chǔ)》、《材料成型原理》內(nèi)容比較枯燥，但是在整個(gè)知識(shí)體系中地位非常重要。一些基本概念、基本規(guī)律對于剛接觸專業(yè)課學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，比較難以理解，容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)倦怠。為了解決這個(gè)問題，教學(xué)過程中，使用鑄造模擬軟件，將死板的理論做成簡單案例直觀的展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠更好的掌握理論，并對軟件的使用有個(gè)初步的理解。比如，影響金屬材料流動(dòng)性的因素，傳統(tǒng)教學(xué)方式下，就是一條一條羅列哪些因素對螺旋線長度的有什么樣的影響，學(xué)生只能死記硬背。同時(shí)，金屬流動(dòng)性測試的課程實(shí)驗(yàn)需要熔煉合金，危險(xiǎn)性比較高，很難將所有的影響因素一一進(jìn)行對比試驗(yàn)，只能是對幾個(gè)簡單因素進(jìn)行對比，試驗(yàn)效果不佳。而采用鑄造模擬軟件進(jìn)行演示，一方面非常直觀，另外可以隨意改變?nèi)魏蔚挠绊懸蛩?，比較全面，這樣可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好的理解基礎(chǔ)理論知識(shí)，為后續(xù)的專業(yè)方向課程學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）CAE技術(shù)在實(shí)踐環(huán)節(jié)的應(yīng)用

在全部專業(yè)方向課程完成的第六學(xué)期后期，開設(shè)《鑄造工藝CAE實(shí)訓(xùn)》環(huán)節(jié)。看過大量專業(yè)方向課上的演示，學(xué)生已經(jīng)對鑄造模擬軟件有了直觀的印象和認(rèn)知，直接在計(jì)算機(jī)中心開設(shè)實(shí)訓(xùn)，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生對于軟件的使用。實(shí)訓(xùn)包括三部分內(nèi)容：

（1）簡單介紹CAE技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生了解最基礎(chǔ)的有限元法的思想和模擬計(jì)算的基本原理。

（2）講解ProCAST軟件的基本操作和使用，包括網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、澆注條件設(shè)置、計(jì)算參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)后處理、撰寫鑄造工藝模擬報(bào)告等內(nèi)容。該環(huán)節(jié)使用簡單案例，采用邊講邊練的方式進(jìn)行，完成該環(huán)節(jié)后，學(xué)生能夠獨(dú)立使用軟件進(jìn)行簡單模擬分析。

（3）實(shí)際鑄造工藝的模擬。分別對重力鑄造、壓力鑄造和熔模鑄造三種南陽市常用的鑄造方式生產(chǎn)的簡單鑄件，進(jìn)行分析計(jì)算，討論不同澆注條件、不同澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于鑄件質(zhì)量的影響，并撰寫計(jì)算結(jié)果分析報(bào)告。

通過該實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)掌握了基本的軟件操作，具備解決簡單鑄造工程問題的能力。在大四的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，大量使用鑄造模擬軟件對于設(shè)計(jì)的鑄件及鑄造工藝進(jìn)行分析，并根據(jù)對具體澆注過程和鑄件質(zhì)量的分析，修正計(jì)算參數(shù)，從而進(jìn)一步提升鑄造模擬軟件的使用效果。

通過CAE技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，提升了學(xué)生CAE技術(shù)的應(yīng)用能力，為學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)鑄造行業(yè)正處于整體行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段，對應(yīng)用型CAE人才的需求迫切，將CAE技術(shù)融入到材料成型及控制工程專業(yè)核心課程教學(xué)活動(dòng)中，滿足了企業(yè)的人才需求，有利于學(xué)生對于理論知識(shí)的融會(huì)貫通，又提升了實(shí)踐設(shè)計(jì)水平，使其綜合工程能力得到進(jìn)一步的提升，獲得良好的教學(xué)效果，是一種有效的應(yīng)用型CAE人才的培養(yǎng)模式。

參考文獻(xiàn)

[1]余玲，彭必友，劉云強(qiáng)，馮小平.材料成型及控制工程專業(yè)CAE課程的探索與研究[J].模具工業(yè)，2014，04：70-72.

[2]廖秋慧.CAE技術(shù)在專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，12：189-190.

[3]秦升學(xué)，劉杰.提高材料成型專業(yè)本科生CAE技術(shù)應(yīng)用能力的措施[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2015，05：39-40.