任國成，趙忠魁，徐淑波，劉科高

（山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101）

數值模擬在材料成形原理中的教學應用研究
——以山東建筑大學為例

任國成，趙忠魁，徐淑波，劉科高

（山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101）

原理類課程的教學質量是提高學生專業(yè)知識儲備和就業(yè)競爭力的重要影響因素。文章以山東建筑大學材料成型專業(yè)的材料成形原理課程教學為例，展示了數值模擬技術在教學過程中的應用。在分析材料成形原理課教學現狀及存在問題的基礎上，闡明了將數值模擬技術引入原理類課程教學的必要性。通過數值模擬仿真技術對材料成形基本原理和工藝進行講解，能夠幫助學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，提高教學質量和課堂效果，培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力。

材料成形原理；數值模擬仿真；有限元分析；教學方法研究

0 引言

山東建筑大學是山東省首批應用型特色名校建設立項單位，材料成型及控制工程是其重點建設專業(yè)之一。原理類課程作為成型專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，相關內容關乎學生學習、了解和掌握后續(xù)材料成形技術和相關工藝原理的理論深度［1］。提高原理類課程的教學質量，有利于學生實現理論知識與工程應用的有機結合，提高學生運用科學問題解決工程實踐問題的能力，切實提高應用型本科教育的培養(yǎng)質量［2］。

數值模擬仿真技術作為工程行業(yè)研發(fā)中創(chuàng)新研究和創(chuàng)新設計最重要的工具和手段，已經滲入工程應用的各個環(huán)節(jié)，已由輔助的驗證工具變成驅動產品創(chuàng)新的引擎。將數值模擬仿真技術引入原理類課程的課堂教學，通過對材料成形過程的模擬仿真分析，有利于加深學生對材料成形原理關鍵知識點的認識和理解，使其真正掌握相關原理的工程應用，對于培養(yǎng)基礎理論扎實和較強工程實踐能力的高素質人才具有重要的實際意義［3-5］。因此，文章以山東建筑大學的數值模擬仿真技術在材料成形原理課程中的應用為例，探討在原理類課程教學中應用數值模擬技術的可能性及必要性。

1 材料成形原理的課程特點及教學現狀

《材料成形原理》是山東建筑大學材料成型專業(yè)學生必修的專業(yè)基礎課程，主要對金屬材料的液態(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)律及各種成形技術的物理現象與本質、成形過程中存在的主要問題及解決方法加以闡述，為學習后續(xù)工藝方法、成形技術及設備控制等課程的學習提供扎實的理論基礎，也為將來在工程實踐中開發(fā)新材料的加工技術、分析成形過程中可能存在的質量缺陷，提出切實有效的預防及解決問題的措施提供必要的理論支持，旨在提高學生對材料加工過程及其原理的理解［6］。作為成型專業(yè)的主要基礎課程，《材料成形原理》當前已形成了相對穩(wěn)定的課程體系，積累了許多豐富、寶貴的經驗，但是目前課程更強調系統(tǒng)性和理論性，缺少應用性與創(chuàng)新性，主要依賴教師的單向理論講授，多采用“灌輸式”的課堂教學形式。由于課程內容基礎概念多，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過程中教師往往會耗費大量精力對課程基礎理論及基礎公式進行闡述，而在教學方法上多是用靜態(tài)的文字表達方式傳授講課內容，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)教學思路進行逐步講解［7-8］。這種傳統(tǒng)的“灌輸式”教學過程中教師多數情況下充當了主角，而學生所能夠做的就是被動全盤的接受教師所傳授的知識，師生之間的鮮有互動。而當教學內容繁雜無味時，只是通過文字方式傳授教學內容，很容易使學生感到枯燥并逐漸失去學習的興趣，減弱了課堂教學效果。因此不注重教學方法將難以完成教學任務，而且有些教學內容僅僅通過文字也很難向學生闡述其問題本質。

傳統(tǒng)純粹填鴨式的教學方式對實現培養(yǎng)高素質復合型人才的教學目標十分不利，在課堂教學過程中利用先進的教學手段適時與學生互動，有利于課堂氣氛的活躍，使學生的思維不至于過分緊張，從而激發(fā)學習興趣［9-10］。材料成形原理課程理論性強、知識體系龐雜的課程特點給教學過程帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了克服教學中的困難，使學生充分理解并掌握知識，除了教學內容、教學方式等需要不斷改革，教學手段也應不斷更新，數值模擬仿真技術直觀形象的特點為材料成形原理提供了有力的課堂教學工具。

2 數值模擬技術在材料成形原理課程教學中的應用

2.1 數值模擬技術的教學應用方案

材料成形原理課程的特點就是概念多、符號多、知識抽象，導致學生對相對陌生的知識體系接受起來存在困惑，特別是應力、應變等力學概念的理解掌握更加困難。數值模擬仿真技術以計算機為手段，利用圖像直觀顯示研究工程問題中的變形、溫度、應力、應變等在變形體內分布變化規(guī)律以及微觀組織、力學、機械和物化性能演變［11］。因此，數值模擬技術能夠較全面地考慮多種因素對成形過程的影響，并且提供詳盡的力學性能參數及溫度等信息，適合各類成形過程的分析研究。利用數值模擬技術對實際工程問題進行建模，依據一定的邊界條件和工藝參數進行數值計算，將求解所得應力應變分布、載荷變化、組織變化等以圖片、數據及視頻方式展現出來，能夠很好的服務于材料成形原理的課堂講授中。

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

2.2 數值模擬技術的教學應用實例

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點的流動規(guī)律及變形特點，利用最小阻力定律可以分析預測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測得到的由方到圓變化過程中的應變量大小及變形趨勢。

圖1 數值仿真技術在材料成形原理中的應用流程圖

圖2 方形件鍛比逐漸增大時的宏觀形狀變化趨勢圖

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

為幫助理解摩擦對變形的影響、更好的解釋最小阻力定律等基礎理論，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)分別進行數值模擬，模擬結果分別如圖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及金屬質點流動規(guī)律，圖4（b）為施加摩擦條件下方形件鐓粗的模擬分析結果。該方法不但清晰的給出了變形體內各質點在變形過程中的流動趨勢，而且直觀的給出了變形體內的應力場及應變場的分布情況，這就大大降低了學生對阻力定律的接受難度，節(jié)省了授課時間，提高了課堂效率。

圖3 方形件鐓粗橫截面金屬質點流動方向性分析圖

3 數值模擬技術在教學中的應用效果分析

3.1 改變單一教學模式，激發(fā)學生的學習興趣

工科類專業(yè)知識尤其是冶金類的專業(yè)知識給學生的印象是內容枯燥且晦澀難懂，理論強且深入困難，使得大多學生還沒開始學習便產生了畏難情緒，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，使得很多學生還沒有真正理解該門課程內容的體系時已經失去了學習的興趣，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］。但是在利用數值仿真輔助教學課堂后，教師可以把枯燥復雜的理論及工藝用圖像形式形象直觀地展現給學生，講解與演示兼具，這使得教師講授專業(yè)知識更加方便。而且圖像能夠把很大篇幅的文字用簡單易懂的形式表現出來，這種直觀化和可視化的效果刺激學生的主動學習性，使難記憶的專業(yè)知識變得簡單，有利于學生掌握知識內容。

圖4 不同條件下方形件鐓粗的變形趨勢及金屬質點流動規(guī)律圖/（mm·s-1）

通過視頻動畫的形式，更利于學生對專業(yè)知識的理解和掌握［16］。如在講解焊接變形時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習枯燥的文字知識，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方式直觀易懂，對于學生的學習過程來說也是一種很愉快的過程。把學習過程變得輕松，在輕松的氣氛中愉快地接收和掌握知識，這也是作為教師應該追求的教學效果。將數值模擬仿真技術引入課堂教學，從視覺、感官的效果刺激學生的學習興趣，既促進學生更好的掌握專業(yè)理論知識，又改變了傳統(tǒng)的灌輸式教學，使得教和學兩方面都得到改善。

3.2 培養(yǎng)學生的工程應用能力

材料成形原理的概念多而繁雜，初學者接受起來比較困難，即學即忘的情況非常普遍。而且對剛進入專業(yè)學習階段的同學來說，大多對課程所涉及的概念、公式的意義理解不深，很難將其真正應用于實際問題。在教學過程中利用有限元數值模擬技術，通過概念建模、模擬運算及結果繪制等有限元分析手段，向學生形象地展示了變形工件的變形過程、變形后的質點位移及應力分布規(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，一方面可以展示三維尺度上的應力場量分布（不同于教材中的平面力學模型），另一方面可以考慮變形過程中諸多影響因素，以便展示各個變量對應力分布及變形的影響。這樣既可以加深學生對力學基礎知識的理解，使他們體會工程問題到力學模型的簡化過程，拓展他們的空間想象力，培養(yǎng)他們對實際工程的分析和應用能力，使其真正做到理論聯系實際，為后續(xù)的工程結構設計及理論分析打下堅實的理論基礎。

在山東建筑大學材料成型專業(yè)材料成形原理的教學過程中引入數值模擬仿真技術，以動態(tài)視頻和圖像的方式向學生展示專業(yè)理論知識。通過對2012～2014級成型專業(yè)學生的問卷調查發(fā)現，超過90%的學生認為數值模擬輔助課堂教學對相關知識點的掌握和理解具有很大幫助。學生們認為數值模擬技術提高了課堂教學的生動性，加深了對原理性知識的認識和掌握，拓展了思維方式和專業(yè)認知廣度，提高了學習本專業(yè)的興趣。通過對近幾年的期末考核也發(fā)現，對比以前的考核結果，引入數值模擬輔助教學后學生在相關內容的失分率明顯降低。教學實踐表明數值模擬技術既可以提高學生的學習興趣，又可以更好地幫助學生理解課程內容，把枯燥的專業(yè)知識內容變得易于理解，大大提高了教學效果。

4 結語

文章探討了材料成形原理當前的教學現狀及存在的問題，提出了將數值模擬仿真技術引入材料成形原理課堂教學，通過材料成形原理中的重點和難點有限元模擬實例，展示了數值模擬仿真技術在材料成形原理教學中的應用，提高了教學效果。在專業(yè)知識的講授過程中引入數值模擬仿真技術的教學模式，不僅有利于教師的課堂講授，而且有利于學生對專業(yè)知識的理解和掌握。激發(fā)學生的學習興趣和促進學生對所學內容的歸納總結。這種形象化和可視化的教學方式，有利于學生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)和想象力的提高。數值模擬可以重復進行，將數值模擬仿真技術與材料成形原理課程教學有機結合，既有利于加深學生對原理類課程基本概念的理解和掌握，也可以增強培養(yǎng)學生的工程應用能力。

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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資助項目（2013HK292）；山東建筑大學博士基金（0000601363）

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