金朝陽+++嚴凱+++孫進+++張琦

【摘要】針對工程案例中存在的實際問題，通過教師引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，將原先分別設(shè)置的各課程單項實驗進行整合，同時引入工程案例和計算機仿真訓(xùn)練，構(gòu)建包含三維造型與模具拆裝、物理模擬與數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化與實物實驗相結(jié)合的綜合實驗平臺，增強了專業(yè)知識學(xué)習(xí)的靶向性，有利于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】工程案例 綜合實驗 模擬仿真

【基金項目】2017年度江蘇省、揚州大學(xué)研究生教改課題“融合OBE和OBI的專業(yè)學(xué)位研究生技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究與實踐”（XJGLX_006）。

【中圖分類號】G642 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）48-0244-01

一、引言

材料成型與控制專業(yè)隸屬于揚州大學(xué)材料科學(xué)與工程一級學(xué)科和材料加工工程二級學(xué)科，金屬塑性成形是材料成型與控制專業(yè)的一個重要模塊，目前開設(shè)的實驗主要包括：模具拆裝實驗、應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試實驗，板料拉伸成形工藝、圓柱自由鐓粗實驗等，上述實驗多為傳統(tǒng)驗證性實驗。為了實現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，有必要在實驗內(nèi)容和實驗方法上對傳統(tǒng)實驗進行整合，同時引入工程案例和計算機仿真訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生思考、探索知識的熱情，提高靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決工程實際問題的能力。

二、工程案例庫建設(shè)

首先需要根據(jù)金屬塑性成形的教學(xué)要求建立工程案例庫。學(xué)生經(jīng)分組后自主選擇工程案例進行綜合實驗，并在老師的引導(dǎo)下查閱資料、分析和解決工程問題。因此，典型、豐富的工程案例庫是平臺搭建的關(guān)鍵組成部分，本專業(yè)模塊的工程案例庫由學(xué)校與企業(yè)合作共建。

三、基于工程案例的綜合實驗平臺構(gòu)建

（一）三維造型與模具拆裝相結(jié)合

本實驗?zāi)K的先修課程是模具結(jié)構(gòu)與三維造型，以某廠家定制的汽車電動馬達直齒圓柱齒輪為例，說明學(xué)生進行綜合實驗的完整過程。直齒圓柱齒輪鍛造成形的主要技術(shù)難度包括：齒形角隅充填不良、成形載荷高和脫模困難等。為了克服上述問題，引導(dǎo)和安排學(xué)生進行資料閱讀，提出以下模具設(shè)計方案：1）基于積極摩擦原理，提出浮動凹模和導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，目的是提高充型效果、降低成形載荷；2）基于約束分流原理在齒輪內(nèi)孔采用軸分流設(shè)計，目的是增加自由表面積，降低成形載荷；3）針對脫模困難且設(shè)備不具下頂桿機構(gòu)的問題，設(shè)計了鉸鏈連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)脫模功能。

在教學(xué)模具庫中選取合適的模具，引導(dǎo)學(xué)生完成模具拆裝實驗，加深學(xué)生對模具各部位結(jié)構(gòu)功能、裝配關(guān)系和動作過程的理解。隨后根據(jù)上述模具設(shè)計思想，由學(xué)生應(yīng)用三維造型軟件，如Solidworks在計算機上實現(xiàn)模具各個零件的三維設(shè)計，并完成其裝配和運動仿真。

（二）物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合

有限元（FE）方法是求解金屬塑性變形這類強非線性問題的強有力工具。隨著計算機飛速發(fā)展和FE分析的廣泛應(yīng)用，有必要對本科生加強這方面的實驗訓(xùn)練。相關(guān)的先修課程包括：金屬塑性成形原理、有限元方法、金屬塑性成形工藝、材料成形過程的數(shù)值模擬等。

針對工程實例，首先將上文中所建立坯料和模具的三維造型文件以“？鄢. igs”格式由FE軟件，如Abaqus的外接接口導(dǎo)入。隨后定義材料屬性、接觸條件，并進行網(wǎng)格劃分。本構(gòu)關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是模擬所需的重要材料特性。如果本構(gòu)數(shù)據(jù)并沒有包含在FE軟件自帶的材料庫中，則可以由Gleeble物理模擬試驗測量獲得，并通過二次開發(fā)接口輸入。然后定義工況，應(yīng)用求解器求解計算。最后，通過后處理模塊顯示和分析模擬結(jié)果。

（三）工藝優(yōu)化與實物實驗相結(jié)合

根據(jù)模擬結(jié)果進行模具受力分析和成形缺陷預(yù)測，對模具結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計提出改進措施。應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方案在液壓機或伺服壓機上開展塑性成形實驗。實驗老師須首先進行設(shè)備和操作安全檢查，隨后指導(dǎo)學(xué)生進行模具安裝調(diào)整作業(yè)。仍以直齒圓柱齒輪為例，成形模具由上下壓板分別固定在壓力機上下工作臺上，坯料放在浮動凹模型腔中，試驗機上壓頭帶動凸模與坯料接觸后，推動凹模和坯料同時向下運動，實現(xiàn)摩擦力輔助成形。齒輪成形后，上壓板帶動凸模上移，兩側(cè)鉸鏈連接的桿伸長拉直，帶動頂料齒輪上行實現(xiàn)脫模。比較不同工藝制備齒輪的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，分析其對成形質(zhì)量的影響。

四、結(jié)語

基于工程案例的綜合實驗平臺以培養(yǎng)卓越的、面向企業(yè)的應(yīng)用型技術(shù)人才為目標(biāo)，覆蓋了金屬塑性成形原理、塑性成形工藝、模具結(jié)構(gòu)與三維造型、材料成形過程數(shù)值模擬和有限元法等先修課程，一方面引入三維造型技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，加強仿真訓(xùn)練；另一方面積極與企業(yè)合作建立工程案例庫，所構(gòu)建的綜合實驗平臺實現(xiàn)了工程案例從問題提出、分析思考、設(shè)計優(yōu)化和實物實驗這一整個工程問題的分析流程，將傳統(tǒng)驗證性實驗的被動學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)思考的主動學(xué)習(xí)模式，有效彌補課堂理論教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。

作者簡介：

金朝陽（1973.3-），女，回族，江蘇揚州人，博士，揚州大學(xué)機械工程學(xué)院副教授，研究方向：金屬塑性成形過程數(shù)值模擬研究。endprint