CAE仿真技術(shù)培訓(xùn)的實(shí)踐探索

魯建峰 吳垠舟 張璐

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)作為一種可以直觀解決各類工程技術(shù)問題的工具，能夠彌補(bǔ)使用者在理論知識(shí)上的不足，具備很大的推廣價(jià)值。本文以杭州蕭山技師學(xué)院為例，闡述了如何通過開設(shè)仿真課程、舉辦技能競賽、借助項(xiàng)目研發(fā)開展CAE技術(shù)培訓(xùn)，以期為CAE技術(shù)在技工院校中的培訓(xùn)推廣提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)? ? 課程培訓(xùn)? ? 競賽培訓(xùn)

隨著工業(yè)信息化的不斷發(fā)展，各裝備制造企業(yè)在解決工程問題的方法上發(fā)生了翻天覆地的變化。在數(shù)字技術(shù)出現(xiàn)以前，企業(yè)在解決材料力學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科中的一些復(fù)雜工程問題時(shí)，往往需要通過手工計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)的手段來完成。這些方法不但耗費(fèi)大量時(shí)間和金錢，而且有時(shí)難以達(dá)到解決問題的目的。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)字仿真的CAE技術(shù)快速發(fā)展起來，它不但能很好地解決上述問題，而且由于其具有直觀、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而逐步替代了傳統(tǒng)的手工操作。近年來，隨著人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字仿真的CAE技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。作為新時(shí)代的機(jī)械行業(yè)技術(shù)人員，若不懂CAE技術(shù)，將難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。鑒于CAE技術(shù)的重要性，杭州蕭山技師學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）近年來在機(jī)械專業(yè)課程體系中加入了CAE技術(shù)培訓(xùn)課程。與此同時(shí)，學(xué)院借助各類技能大賽及機(jī)械設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目平臺(tái)，探索技術(shù)培訓(xùn)的其他有效途徑，取得了良好的效果。

一、數(shù)字化背景下技工院校學(xué)生的學(xué)習(xí)困境

（一）基礎(chǔ)薄弱，理論學(xué)習(xí)效果有限

技工院校機(jī)械專業(yè)學(xué)生最大的弱項(xiàng)就是數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科基礎(chǔ)比較薄弱，這導(dǎo)致他們在學(xué)習(xí)很多專業(yè)課程時(shí)難以跟上教師的節(jié)奏，更不用說將理論知識(shí)用于實(shí)踐了。盡管很多教師嘗試?yán)梦⒄n等信息化手段增強(qiáng)教學(xué)效果，但依然收效甚微。

（二）仿真技術(shù)培訓(xùn)缺失，在技能大賽中表現(xiàn)不佳

近年來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展。在很多新興職業(yè)技能比賽中，越來越多地強(qiáng)調(diào)仿真等信息化手段的應(yīng)用。然而在這一背景下，很多技工院校并沒有做好充足準(zhǔn)備，競賽訓(xùn)練內(nèi)容仍然以傳統(tǒng)技術(shù)為主，很多選手由于沒有接受過仿真技術(shù)培訓(xùn)而參賽結(jié)果不理想。

（三）設(shè)備研發(fā)實(shí)踐面臨技術(shù)困境，技術(shù)創(chuàng)新舉步維艱

在設(shè)備研發(fā)實(shí)踐中，盡管學(xué)生在創(chuàng)意上能夠有許多奇思妙想，但由于他們沒有掌握數(shù)字化工具的應(yīng)用技術(shù)，常常導(dǎo)致設(shè)備研發(fā)陷入困境，技術(shù)創(chuàng)新舉步維艱。因此，只有借助機(jī)械設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)進(jìn)行CAE技術(shù)培訓(xùn)，通過與企業(yè)合作以及參加各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，才能提高學(xué)生項(xiàng)目研發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新水平。

二、CAE技術(shù)的培訓(xùn)途徑

（一）通過開設(shè)仿真課程進(jìn)行CAE技術(shù)培訓(xùn)

常規(guī)課堂教學(xué)覆蓋了所有機(jī)械專業(yè)學(xué)生，是學(xué)院仿真技術(shù)培訓(xùn)的主要途徑。CAE技術(shù)雖然大大簡化了數(shù)學(xué)計(jì)算的過程，但是仍然要求學(xué)生具備一定的力學(xué)基礎(chǔ)和機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，故CAE技術(shù)培訓(xùn)課程需要安排在高年級段（高級工第四年或技師段），即學(xué)生學(xué)習(xí)過工程力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之后。

在明確授課對象后，為了避免高等教育CAE技術(shù)教學(xué)過于強(qiáng)調(diào)理論而忽視實(shí)戰(zhàn)，課題組教師針對技工院校學(xué)生特點(diǎn)及機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)中常見的案例情形，與企業(yè)專家一起制定了仿真教學(xué)的典型任務(wù)模塊。所有培訓(xùn)模塊均采取真實(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)案例，同時(shí)融入書本理論知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)以實(shí)用性為主。上課以上機(jī)操作的形式完成，軟件采用比較容易上手的SolidWorks Simulation和Motion，學(xué)生需根據(jù)案例的要求在教師引導(dǎo)下完成軟件操作。在確定了典型任務(wù)模塊后，將典型任務(wù)模塊應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)培訓(xùn)活動(dòng)，將仿真實(shí)踐課程安排在CAD建模課程之后，作為CAD設(shè)計(jì)的補(bǔ)充延伸。

將CAE技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)是一種新的嘗試，無論是學(xué)生還是教師，都需要擺脫以往傳統(tǒng)教學(xué)方法的桎梏，在實(shí)踐中敢于創(chuàng)新、總結(jié)、調(diào)整。部分最初確定的典型任務(wù)模塊在實(shí)際教學(xué)過程中仍存在很多問題，如難度過高、部分模塊實(shí)際使用頻率較低等，這就要求參與教學(xué)的教師不斷在實(shí)踐中調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。通過一個(gè)學(xué)期完整的CAE技術(shù)模塊訓(xùn)練，學(xué)生可以掌握CAE技術(shù)的基本操作方法和工作原理，為下一步在機(jī)械設(shè)備研發(fā)實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（二）通過技能競賽進(jìn)行CAE技術(shù)培訓(xùn)

隨著科技的發(fā)展，越來越多新開設(shè)的技能競賽項(xiàng)目都融入了數(shù)字與信息技術(shù)，CAE仿真技術(shù)成為很多新興技術(shù)的基礎(chǔ)。以中華人民共和國第一屆職業(yè)技能大賽為例，CAD機(jī)械設(shè)計(jì)和增材制造賽項(xiàng)中的仿真動(dòng)畫制作及拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)均涉及CAE的內(nèi)容。所以，通過競賽前的技能培訓(xùn)推廣CAE技術(shù)，達(dá)到以賽促教的目的也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)方向之一，這樣做不但能鍛煉選手對于技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，而且如果選手在比賽中獲獎(jiǎng)更能在廣大師生中起到榜樣示范作用。

為了達(dá)到以賽促教的目的，課題組采用了“344”方案，即針對3種不同競賽學(xué)生群體和競賽階段，采用4種教學(xué)手段，以達(dá)到4種預(yù)期目標(biāo)。其中，舉辦校內(nèi)競賽是學(xué)院培養(yǎng)CAE技術(shù)人才的獨(dú)特手段。以2020年學(xué)院與企業(yè)聯(lián)合舉辦的數(shù)字技能挑戰(zhàn)賽為例，在設(shè)計(jì)競賽內(nèi)容時(shí)，學(xué)院教師有意引入CAE技術(shù)內(nèi)容，并抓住這一契機(jī)，積極開展線上培訓(xùn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)軟件操作。最終，僅該項(xiàng)競賽就有上百人參加了線上培訓(xùn)，并有數(shù)十人參與了最終的競賽，在校內(nèi)起到了很好的推廣示范作用。

（三）借助機(jī)械設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)進(jìn)行CAE技術(shù)培訓(xùn)

CAE作為一種實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，學(xué)生只有通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽及技師研修等環(huán)節(jié)中的設(shè)備研發(fā)實(shí)戰(zhàn)才能真正掌握。而作為一個(gè)技術(shù)大類，CAE技術(shù)有很多不同的應(yīng)用方向，教師不可能讓學(xué)生精通所有方向，所以實(shí)戰(zhàn)培訓(xùn)的重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生在遇到一些典型工程問題時(shí)能夠通過CAE技術(shù)來解決。

1.利用CAE技術(shù)可以解決零件強(qiáng)度、變形等靜應(yīng)力分析問題

學(xué)生在機(jī)械設(shè)備研發(fā)過程中，零件的強(qiáng)度和變形問題是必須要考慮的，然而由于工程問題的復(fù)雜性，再加上技工院校學(xué)生的理論基礎(chǔ)普遍比較薄弱，此類問題往往難以解決，學(xué)生只能依靠經(jīng)驗(yàn)或者估算法來對零件強(qiáng)度或變形量進(jìn)行評估，難以獲得精確數(shù)據(jù)，導(dǎo)致學(xué)生設(shè)計(jì)的作品存在笨重或強(qiáng)度不夠等問題。

因此，教師應(yīng)當(dāng)在學(xué)生進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生使用CAE中的靜應(yīng)力分析技術(shù)，幫助他們設(shè)計(jì)出保證強(qiáng)度又盡量輕便的零件。

2.利用CAE技術(shù)可以解決電機(jī)選型、速度計(jì)算等問題

在產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)，各零部件的運(yùn)行速度、相互作用力是十分重要的參數(shù)，這些參數(shù)直接影響電機(jī)和其他重要零部件的選型。然而對于很多機(jī)械設(shè)備來說，它們的構(gòu)造較為復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化的，想要精確計(jì)算十分困難。

針對這類問題，引導(dǎo)學(xué)生利用CAE技術(shù)中的動(dòng)力學(xué)分析是比較合理的手段。學(xué)生在完成機(jī)構(gòu)的建模裝配后，僅需賦予質(zhì)量屬性、電機(jī)轉(zhuǎn)速等基本物理參數(shù)，之后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出各構(gòu)件的速度、相互作用力乃至電機(jī)功率等參數(shù)。相較于傳統(tǒng)手段，應(yīng)用CAE中的動(dòng)力學(xué)分析方法大大簡化了設(shè)計(jì)難度，基礎(chǔ)普遍薄弱的技工院校學(xué)生在經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)后也能掌握。

3.利用CAE技術(shù)可以解決傳熱、流體分析等其他工程問題

在各類企業(yè)項(xiàng)目中往往會(huì)遇到管道、壓力容器等設(shè)備中的流體問題，或者散熱器設(shè)計(jì)中傳熱等其他工程問題，此類問題屬于機(jī)械與其他學(xué)科的交叉問題，往往比較復(fù)雜，但是對于一些典型性問題，目前用CAE技術(shù)已經(jīng)能比較方便地進(jìn)行處理。實(shí)踐表明，經(jīng)過教師指導(dǎo)，學(xué)生能夠利用CAE技術(shù)完成此類簡單工程問題的分析計(jì)算。

三、CAE技術(shù)培訓(xùn)成果

（一）提高理論教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體

在學(xué)院引入CAE技術(shù)仿真課程培訓(xùn)后，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、工程力學(xué)等傳統(tǒng)理論課也實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體。通過一年的跟蹤調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生利用仿真工具求解相同工程問題的分?jǐn)?shù)高于傳統(tǒng)理論求解方法，平均分?jǐn)?shù)提高12～16分，同時(shí)由于仿真工具提高了理論知識(shí)點(diǎn)的直觀性，對理論教學(xué)也起到了促進(jìn)作用。

（二）競賽成果豐碩，實(shí)現(xiàn)以賽促教

賽前系統(tǒng)的CAE技術(shù)培訓(xùn)，幫助學(xué)院學(xué)生在全國各類技能大賽中取得了良好成績，更有學(xué)生在中華人民共和國第一屆職業(yè)技能大賽中獲得全國技術(shù)能手稱號，在廣大師生中形成了良好的宣傳效應(yīng)。此外，學(xué)院借助各類競賽平臺(tái)，通過開展賽前培訓(xùn)，一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對上百名學(xué)生的CAE技術(shù)培訓(xùn)，達(dá)到了以賽促教的最終目的。

（三）融入設(shè)備研發(fā)，創(chuàng)造實(shí)用價(jià)值

借助創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、技師研修平臺(tái)中的機(jī)械設(shè)備研發(fā)項(xiàng)目，鍛煉和提高了學(xué)生利用CAE技術(shù)解決工程問題的實(shí)戰(zhàn)能力。通過近兩年的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，CAE技術(shù)使學(xué)生在設(shè)備研發(fā)上的成功率得以提高，很多難以處理的技術(shù)難題也得以攻破，為企業(yè)創(chuàng)造了實(shí)用價(jià)值。

四、小結(jié)

CAE技術(shù)因其直觀、便捷等特點(diǎn)，對于解決復(fù)雜工程問題具有獨(dú)特優(yōu)勢，新時(shí)代的數(shù)字工匠有必要了解與應(yīng)用CAE技術(shù)。然而對于技工院校的師生來說，CAE仍然是一種新興技術(shù)，如何在技工院校中進(jìn)行推廣是當(dāng)前亟待解決的問題。在技工院校中推廣CAE技術(shù)，要走和普通高校不同的道路，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性和工程實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合，以做促學(xué)，充分發(fā)揮CAE技術(shù)的優(yōu)勢，這樣才能收到良好效果。

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（作者單位：杭州蕭山技師學(xué)院）