數(shù)值模擬在材料成形原理中的教學(xué)應(yīng)用研究
——以山東建筑大學(xué)為例

任國成，趙忠魁，徐淑波，劉科高

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

數(shù)值模擬在材料成形原理中的教學(xué)應(yīng)用研究
——以山東建筑大學(xué)為例

任國成，趙忠魁，徐淑波，劉科高

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

原理類課程的教學(xué)質(zhì)量是提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要影響因素。文章以山東建筑大學(xué)材料成型專業(yè)的材料成形原理課程教學(xué)為例，展示了數(shù)值模擬技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用。在分析材料成形原理課教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，闡明了將數(shù)值模擬技術(shù)引入原理類課程教學(xué)的必要性。通過數(shù)值模擬仿真技術(shù)對(duì)材料成形基本原理和工藝進(jìn)行講解，能夠幫助學(xué)生深入理解理論問題和系統(tǒng)了解金屬塑性成形工藝過程，提高教學(xué)質(zhì)量和課堂效果，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力。

材料成形原理；數(shù)值模擬仿真；有限元分析；教學(xué)方法研究

0 引言

山東建筑大學(xué)是山東省首批應(yīng)用型特色名校建設(shè)立項(xiàng)單位，材料成型及控制工程是其重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)之一。原理類課程作為成型專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，相關(guān)內(nèi)容關(guān)乎學(xué)生學(xué)習(xí)、了解和掌握后續(xù)材料成形技術(shù)和相關(guān)工藝原理的理論深度［1］。提高原理類課程的教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)問題解決工程實(shí)踐問題的能力，切實(shí)提高應(yīng)用型本科教育的培養(yǎng)質(zhì)量［2］。

數(shù)值模擬仿真技術(shù)作為工程行業(yè)研發(fā)中創(chuàng)新研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)最重要的工具和手段，已經(jīng)滲入工程應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，已由輔助的驗(yàn)證工具變成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新的引擎。將數(shù)值模擬仿真技術(shù)引入原理類課程的課堂教學(xué)，通過對(duì)材料成形過程的模擬仿真分析，有利于加深學(xué)生對(duì)材料成形原理關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解，使其真正掌握相關(guān)原理的工程應(yīng)用，對(duì)于培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)和較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才具有重要的實(shí)際意義［3-5］。因此，文章以山東建筑大學(xué)的數(shù)值模擬仿真技術(shù)在材料成形原理課程中的應(yīng)用為例，探討在原理類課程教學(xué)中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的可能性及必要性。

1 材料成形原理的課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

《材料成形原理》是山東建筑大學(xué)材料成型專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要對(duì)金屬材料的液態(tài)成形、連接成形及塑性成形等材料加工過程中共有的基本原理、基本規(guī)律及各種成形技術(shù)的物理現(xiàn)象與本質(zhì)、成形過程中存在的主要問題及解決方法加以闡述，為學(xué)習(xí)后續(xù)工藝方法、成形技術(shù)及設(shè)備控制等課程的學(xué)習(xí)提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，也為將來在工程實(shí)踐中開發(fā)新材料的加工技術(shù)、分析成形過程中可能存在的質(zhì)量缺陷，提出切實(shí)有效的預(yù)防及解決問題的措施提供必要的理論支持，旨在提高學(xué)生對(duì)材料加工過程及其原理的理解［6］。作為成型專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程，《材料成形原理》當(dāng)前已形成了相對(duì)穩(wěn)定的課程體系，積累了許多豐富、寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但是目前課程更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和理論性，缺少應(yīng)用性與創(chuàng)新性，主要依賴教師的單向理論講授，多采用“灌輸式”的課堂教學(xué)形式。由于課程內(nèi)容基礎(chǔ)概念多，工藝原理繁雜且抽象，為保證課程理論體系的系統(tǒng)及完整性，在材料成形原理的教學(xué)過程中教師往往會(huì)耗費(fèi)大量精力對(duì)課程基礎(chǔ)理論及基礎(chǔ)公式進(jìn)行闡述，而在教學(xué)方法上多是用靜態(tài)的文字表達(dá)方式傳授講課內(nèi)容，即按照概念、原理、工藝過程、成形過程中缺陷及控制的常規(guī)教學(xué)思路進(jìn)行逐步講解［7-8］。這種傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)過程中教師多數(shù)情況下充當(dāng)了主角，而學(xué)生所能夠做的就是被動(dòng)全盤的接受教師所傳授的知識(shí)，師生之間的鮮有互動(dòng)。而當(dāng)教學(xué)內(nèi)容繁雜無味時(shí)，只是通過文字方式傳授教學(xué)內(nèi)容，很容易使學(xué)生感到枯燥并逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣，減弱了課堂教學(xué)效果。因此不注重教學(xué)方法將難以完成教學(xué)任務(wù)，而且有些教學(xué)內(nèi)容僅僅通過文字也很難向?qū)W生闡述其問題本質(zhì)。

傳統(tǒng)純粹填鴨式的教學(xué)方式對(duì)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的教學(xué)目標(biāo)十分不利，在課堂教學(xué)過程中利用先進(jìn)的教學(xué)手段適時(shí)與學(xué)生互動(dòng)，有利于課堂氣氛的活躍，使學(xué)生的思維不至于過分緊張，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣［9-10］。材料成形原理課程理論性強(qiáng)、知識(shí)體系龐雜的課程特點(diǎn)給教學(xué)過程帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了克服教學(xué)中的困難，使學(xué)生充分理解并掌握知識(shí)，除了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等需要不斷改革，教學(xué)手段也應(yīng)不斷更新，數(shù)值模擬仿真技術(shù)直觀形象的特點(diǎn)為材料成形原理提供了有力的課堂教學(xué)工具。

2 數(shù)值模擬技術(shù)在材料成形原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)值模擬技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用方案

材料成形原理課程的特點(diǎn)就是概念多、符號(hào)多、知識(shí)抽象，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相對(duì)陌生的知識(shí)體系接受起來存在困惑，特別是應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)概念的理解掌握更加困難。數(shù)值模擬仿真技術(shù)以計(jì)算機(jī)為手段，利用圖像直觀顯示研究工程問題中的變形、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等在變形體內(nèi)分布變化規(guī)律以及微觀組織、力學(xué)、機(jī)械和物化性能演變［11］。因此，數(shù)值模擬技術(shù)能夠較全面地考慮多種因素對(duì)成形過程的影響，并且提供詳盡的力學(xué)性能參數(shù)及溫度等信息，適合各類成形過程的分析研究。利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行建模，依據(jù)一定的邊界條件和工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將求解所得應(yīng)力應(yīng)變分布、載荷變化、組織變化等以圖片、數(shù)據(jù)及視頻方式展現(xiàn)出來，能夠很好的服務(wù)于材料成形原理的課堂講授中。

圖1給出利用數(shù)值模擬技術(shù)輔助材料成形原理課堂教學(xué)的具體流程。而目前國內(nèi)外比較流行的數(shù)值模擬仿真軟件大多具有良好的人機(jī)交互界面，功能強(qiáng)大的前處理和后處理功能，可以把分析結(jié)果顯示成圖片、動(dòng)畫演示，把抽象的應(yīng)力、應(yīng)變等概念具體化，易于理解，較好地解決應(yīng)力應(yīng)變等抽象概念的理解問題，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和樂趣，同時(shí)也為后續(xù)科目的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)［12-13］。

2.2 數(shù)值模擬技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

最小阻力定律是材料塑性成形過程中最基本的規(guī)律之一，它給出了材料在塑性變形過程中不同變形條件下金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律及變形特點(diǎn)，利用最小阻力定律可以分析預(yù)測(cè)零件在不同工況下的外形變化規(guī)律［14］。圖2給出的即是方形件在鐓粗過程中利用最小阻力定律預(yù)測(cè)得到的由方到圓變化過程中的應(yīng)變量大小及變形趨勢(shì)。

圖1 數(shù)值仿真技術(shù)在材料成形原理中的應(yīng)用流程圖

圖2 方形件鍛比逐漸增大時(shí)的宏觀形狀變化趨勢(shì)圖

在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，最小阻力定律的介紹是通過在變形體內(nèi)取圖3所示的變形體內(nèi)取關(guān)鍵質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析來進(jìn)行的。圖3（a）為對(duì)方形件鐓粗橫截面金屬質(zhì)點(diǎn)的受力情況分析，圖3（b）為流動(dòng)方向性分析，通過具體分析得出不同壓力作用下質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律，從而得出最小阻力定律。這種方法由點(diǎn)及面，由特殊到一般，雖然推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯清晰，但在課堂有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生全面理解力與變形的關(guān)系還是比較困難，而采用數(shù)值模擬仿真的方法則可以很好地解決這一問題。

為幫助理解摩擦對(duì)變形的影響、更好的解釋最小阻力定律等基礎(chǔ)理論，以方形件在理想光滑（摩擦因子m＝0）及施加摩擦條件（m＝0.7）的不同狀態(tài)分別進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果分別如圖4所示。其中，圖4（a）為理想光滑的狀態(tài)下方形件鐓粗的變形趨勢(shì)及金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)規(guī)律，圖4（b）為施加摩擦條件下方形件鐓粗的模擬分析結(jié)果。該方法不但清晰的給出了變形體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)在變形過程中的流動(dòng)趨勢(shì)，而且直觀的給出了變形體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，這就大大降低了學(xué)生對(duì)阻力定律的接受難度，節(jié)省了授課時(shí)間，提高了課堂效率。

圖3 方形件鐓粗橫截面金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)方向性分析圖

3 數(shù)值模擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用效果分析

3.1 改變單一教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

工科類專業(yè)知識(shí)尤其是冶金類的專業(yè)知識(shí)給學(xué)生的印象是內(nèi)容枯燥且晦澀難懂，理論強(qiáng)且深入困難，使得大多學(xué)生還沒開始學(xué)習(xí)便產(chǎn)生了畏難情緒，而成形類專業(yè)課程單純的教師講解和灌輸更是加劇了這種狀況，使得很多學(xué)生還沒有真正理解該門課程內(nèi)容的體系時(shí)已經(jīng)失去了學(xué)習(xí)的興趣，而這種消極情緒又反作用于教師，使得教師的講解興趣也大打折扣［15］。但是在利用數(shù)值仿真輔助教學(xué)課堂后，教師可以把枯燥復(fù)雜的理論及工藝用圖像形式形象直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，講解與演示兼具，這使得教師講授專業(yè)知識(shí)更加方便。而且圖像能夠把很大篇幅的文字用簡(jiǎn)單易懂的形式表現(xiàn)出來，這種直觀化和可視化的效果刺激學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)性，使難記憶的專業(yè)知識(shí)變得簡(jiǎn)單，有利于學(xué)生掌握知識(shí)內(nèi)容。

圖4 不同條件下方形件鐓粗的變形趨勢(shì)及金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)規(guī)律圖/（mm·s-1）

通過視頻動(dòng)畫的形式，更利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握［16］。如在講解焊接變形時(shí)可以利用模擬仿真視頻的形式介紹控制焊接變形的措施。這樣入門不再是單純地學(xué)習(xí)枯燥的文字知識(shí)，而是全方位立體化的專業(yè)信息，可以更深入系統(tǒng)地觀察焊接變形的真正變形過程。所以這種模擬仿真視頻的教學(xué)方式直觀易懂，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程來說也是一種很愉快的過程。把學(xué)習(xí)過程變得輕松，在輕松的氣氛中愉快地接收和掌握知識(shí)，這也是作為教師應(yīng)該追求的教學(xué)效果。將數(shù)值模擬仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)，從視覺、感官的效果刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，既促進(jìn)學(xué)生更好的掌握專業(yè)理論知識(shí)，又改變了傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，使得教和學(xué)兩方面都得到改善。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力

材料成形原理的概念多而繁雜，初學(xué)者接受起來比較困難，即學(xué)即忘的情況非常普遍。而且對(duì)剛進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)階段的同學(xué)來說，大多對(duì)課程所涉及的概念、公式的意義理解不深，很難將其真正應(yīng)用于實(shí)際問題。在教學(xué)過程中利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，通過概念建模、模擬運(yùn)算及結(jié)果繪制等有限元分析手段，向?qū)W生形象地展示了變形工件的變形過程、變形后的質(zhì)點(diǎn)位移及應(yīng)力分布規(guī)律等。如金屬塑性變形過程的最小阻力定律問題，利用有限元模擬仿真技術(shù)，一方面可以展示三維尺度上的應(yīng)力場(chǎng)量分布（不同于教材中的平面力學(xué)模型），另一方面可以考慮變形過程中諸多影響因素，以便展示各個(gè)變量對(duì)應(yīng)力分布及變形的影響。這樣既可以加深學(xué)生對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，使他們體會(huì)工程問題到力學(xué)模型的簡(jiǎn)化過程，拓展他們的空間想象力，培養(yǎng)他們對(duì)實(shí)際工程的分析和應(yīng)用能力，使其真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，為后續(xù)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在山東建筑大學(xué)材料成型專業(yè)材料成形原理的教學(xué)過程中引入數(shù)值模擬仿真技術(shù)，以動(dòng)態(tài)視頻和圖像的方式向?qū)W生展示專業(yè)理論知識(shí)。通過對(duì)2012～2014級(jí)成型專業(yè)學(xué)生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超過90%的學(xué)生認(rèn)為數(shù)值模擬輔助課堂教學(xué)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解具有很大幫助。學(xué)生們認(rèn)為數(shù)值模擬技術(shù)提高了課堂教學(xué)的生動(dòng)性，加深了對(duì)原理性知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌握，拓展了思維方式和專業(yè)認(rèn)知廣度，提高了學(xué)習(xí)本專業(yè)的興趣。通過對(duì)近幾年的期末考核也發(fā)現(xiàn)，對(duì)比以前的考核結(jié)果，引入數(shù)值模擬輔助教學(xué)后學(xué)生在相關(guān)內(nèi)容的失分率明顯降低。教學(xué)實(shí)踐表明數(shù)值模擬技術(shù)既可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以更好地幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容，把枯燥的專業(yè)知識(shí)內(nèi)容變得易于理解，大大提高了教學(xué)效果。

4 結(jié)語

文章探討了材料成形原理當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出了將數(shù)值模擬仿真技術(shù)引入材料成形原理課堂教學(xué)，通過材料成形原理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)有限元模擬實(shí)例，展示了數(shù)值模擬仿真技術(shù)在材料成形原理教學(xué)中的應(yīng)用，提高了教學(xué)效果。在專業(yè)知識(shí)的講授過程中引入數(shù)值模擬仿真技術(shù)的教學(xué)模式，不僅有利于教師的課堂講授，而且有利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的歸納總結(jié)。這種形象化和可視化的教學(xué)方式，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)和想象力的提高。數(shù)值模擬可以重復(fù)進(jìn)行，將數(shù)值模擬仿真技術(shù)與材料成形原理課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，既有利于加深學(xué)生對(duì)原理類課程基本概念的理解和掌握，也可以增強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

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Study on numerical simulation application in teaching of the principle ofmaterial form ing：A case study on Shandong Jianzhu University

Ren Guocheng，Zhao Zhongkui，Xu Shubo，et al.
（School of Material Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The instruction quality of the principle course will have a direct impact on the students' future employments and knowledge reserve.Taking Shandong Jianzhu University for example，the paper shows the application of the finite element numerical simulation technology to the principle course ofmaterial forming teaching based on the present teaching situation of the principle ofmaterial forming.By explaining the basic principles and techniques，ithelps students understand the theoretical issues in depth and understandmetal forming processes syematically，improve the teaching quality and classroom effects，and develop students'ability to analyze and solve practical problems.

principle ofmaterial forming；numerical simulation；finite element analysis；teaching method study

G420

A

1673-7644（2017）01-0098-05

2016-12-20

山東省精品課程建設(shè)資助項(xiàng)目（2013HK292）；山東建筑大學(xué)博士基金（0000601363）

任國成（1977-），男，講師，博士，主要從事材料加工工程、材料成形過程數(shù)值模擬等方面的研究.E-mail：Renguocheng＠sdjzu.edu.cn