張莉 臺州學(xué)院機械工程學(xué)院，浙江 臺州 318000

有限元軟件在金屬塑性成形課程中的應(yīng)用

張莉 臺州學(xué)院機械工程學(xué)院，浙江 臺州 318000

分析了有限元軟件在金屬塑性成形課程中的應(yīng)用特點，探討了在本門課程中引入DEFORM軟件的教學(xué)模式。

有限元軟件；金屬塑性成形；DEFORM；教學(xué)模式

金屬塑性成形課程是一門專業(yè)理論課，是研究金屬的塑性變形過程，分析變形體內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布，為模具設(shè)計提供依據(jù)，從而減少依靠經(jīng)驗處理工藝問題的盲目性。

金屬塑性成形是一個十分復(fù)雜的過程。從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點來看，塑性變形過程中既存在幾何非線性（應(yīng)變與位移之間的非線性），也存在物理非線性（應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性），加之初值條件的復(fù)雜性以及數(shù)學(xué)處理上的困難等，導(dǎo)致人們長期以來只能通過采用簡化、假設(shè)和利用實驗、經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及圖解、模型等方法，即回避上述難點才能對金屬塑性成形過程予以分析。

隨著計算機的出現(xiàn)，塑性有限元法的發(fā)展應(yīng)用開始與計算機技術(shù)結(jié)合起來，塑性成形理論取得了突破性的進展，很多塑性成形技術(shù)中的難題都迎刃而解。利用計算機運用數(shù)值模擬方法可以快速地獲得較精確的解，金屬塑性成形過程分析不再困難。

1 有限元軟件的引入

有限元模擬采用一組數(shù)學(xué)方程和定解條件將實際過程抽象成理論模型，通過計算機求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實際過程。在本門課程的教學(xué)過程中，以DEFORM有限元軟件為應(yīng)用主體，通過模擬使得復(fù)雜的金屬塑性成形過程變得直觀而又具體，有助于學(xué)生對理論知識的理解和掌握。本門課程引入該軟件具有以下優(yōu)勢。

（1）直觀性

DEFORM不僅能直觀描述金屬塑性成形過程如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的分布狀態(tài)及金屬變形狀態(tài)等，其分析結(jié)果可以表現(xiàn)為仿真結(jié)果的等值線、云圖等顯示方式，也可以表現(xiàn)為仿真過程顯示，即在計算機上對金屬塑性成形過程進行實時跟蹤描述，并通過計算機圖形系統(tǒng)演示整個成形過程，從而揭示金屬的流動規(guī)律、各種因素對變形行為的影響及成形過程中變形體和模具的各種力場的分布。

因此運用有限元軟件分析金屬塑性成形，既能直觀地描述塑性成形過程中金屬流動狀態(tài)，又能客觀地求解塑性變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布狀態(tài)，從而為模具型腔與結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、產(chǎn)品工藝制定及優(yōu)化設(shè)計等提供了科學(xué)的依據(jù)。

（2）應(yīng)用廣泛性

DEFORM是一個面向工程、面向用戶、與CAD軟件無縫連接的商品化有限元分析軟件，是現(xiàn)代虛擬制造技術(shù)產(chǎn)品。

DEFORM軟件可對在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進行模擬仿真分析,是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元模擬仿真分析軟件，專門設(shè)計用于各種金屬成形工藝和熱處理工藝進行模擬仿真分析，是用于模擬分析金屬材料體積成形如自由鍛、模鍛、擠壓、拉拔、軋制、擺輾、輾鍛（輥鍛）等多種塑性成形工藝過程，可用于模擬和分析冷、溫、熱塑性成形問題，可模擬和分析多工序塑性成形問題，可進行模具應(yīng)力、彈性變形和破損分析，可提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)如材料流動、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。

因此，可以滿足本門課程的應(yīng)用要求。

（3）良好的人機交互界面

DEFORM具有友好的用戶圖形界面，操作簡單方便，采用CAD方式建模和可視化視窗系統(tǒng)，有集成的金屬合金材料庫和多種成形設(shè)備模型，具有良好的人機交互特性，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

2 DEFORM教學(xué)模式構(gòu)建

本門課程采用理論實踐一體化的教學(xué)方法，由師生一同在機房進行邊教、邊學(xué)、邊做的教學(xué)過程，采取“講授—協(xié)作學(xué)習(xí)—實踐討論—師生互動—有針對性的講授”的方式，即先由教師講解學(xué)習(xí)重點和難點內(nèi)容，再由學(xué)生上機操作并相互討論，然后老師和學(xué)生之間對出現(xiàn)問題進行交流，最后再針對學(xué)生在實際操作過程中出現(xiàn)最多的問題進行短時講解。例如，在教授DEFORM軟件前處理的各個命令時，教師先上機操作并講解一部分命令的含義及操作原則，然后讓學(xué)生自己在計算機上操作這些命令，并相互討論，期間教師對提出問題的學(xué)生進行討論和指導(dǎo)，并從中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題最多的操作命令，當(dāng)學(xué)生都練習(xí)完成后，教師再針對出現(xiàn)問題最多的操作命令進行要點講解。通過這種教學(xué)方式，使教學(xué)內(nèi)容和理論知識與實際操作結(jié)合起來，將教學(xué)內(nèi)容由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，由抽象變?yōu)榫唧w，整個教學(xué)過程生動直觀，既加深了學(xué)生對理論知識和操作技能的綜合理解，又通過上機完成仿真過程，提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)本門課程的特點，在教學(xué)過程中引入案例分析法，案例分析法是一種歸納啟發(fā)式的教學(xué)方法。案例分析法以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、判斷能力和解決問題的能力，從而達到鞏固理論知識和技能，融會貫通的目的。根據(jù)教學(xué)目的的需要，通過對典型案例的分析與討論，將各模塊知識整合起來，使學(xué)生對運用DEFORM軟件進行金屬塑性成形分析過程更為熟悉和理解，并對典型案例的仿真分析結(jié)果進行研究和討論，進而深入了解金屬塑性成形的過程、原理及影響其成形質(zhì)量的各關(guān)鍵因素。例如，對某個零件進行變形分析和熱分析，則需討論整個仿真分析的步驟流程、有關(guān)參數(shù)的設(shè)置及相互影響關(guān)系、仿真分析的結(jié)果及滿意度等。通過案例分析，可使學(xué)生得到一個系統(tǒng)的練習(xí)，將前期的操作練習(xí)整合在一起，對使用有限元軟件處理問題有一個更為直觀具體的概念。

在學(xué)生掌握基本理論知識和基本操作技能的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下，運用DEFORM軟件獨立完成與課程有關(guān)的實驗或項目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的實際能力。教師可根據(jù)具體的實驗或項目，引導(dǎo)學(xué)生查找和分析資料，再進行具體的操作實施。通過該過程不僅讓學(xué)生獲得相關(guān)的理論知識、操作能力，還讓學(xué)生感受主動獲得這些知識的過程，主動分析、判斷和解決問題的成就感。有利于培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究工作的能力，了解科學(xué)研究的方法，以及了解模具加工的現(xiàn)狀和最新的研究技術(shù)。

3 效果評價

通過教學(xué)實踐證明，該教學(xué)模式有助于學(xué)生直觀、深入地了解金屬塑性成形的原理和方法，突出DEFORM軟件的應(yīng)用性和實踐性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動手能力，調(diào)動了學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生綜合水平得到提高。

[1]謝玉書. 數(shù)控專業(yè)CAX軟件教學(xué)模式探討[J].職業(yè)教育研究.2010,2:91-92

[2]張麗杰,孫曉梅,周永斌.構(gòu)建農(nóng)林高等院校《林木遺傳育種》課程實踐教學(xué)體系[J].中國科技信息.2010,7:238-239

張莉（1977—），女，講師，博士，主要從事CAD/CAE、先進制造技術(shù)、智能設(shè)計技術(shù)等研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.190