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提高材料成型專業(yè)本科生CAE技術(shù)應(yīng)用能力的措施論文
材料成型及控制工程專業(yè)涉及材料科學、成型工藝與自動控制技術(shù)的綜合與交叉，要求畢業(yè)生具有材料成型加工基礎(chǔ)理論與應(yīng)用能力，并且隨著計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，CAE技術(shù)對與材料成型行業(yè)的作用越來越重要，已經(jīng)成為材料成型從業(yè)高等技術(shù)人員必備的技能之一。目前，山東科技大學材料成型及控制工程專業(yè)設(shè)模具方向，包括金屬塑性成形及模具設(shè)計和塑料成型及模具設(shè)計，該方向更注重工程實踐能力的培養(yǎng)，并對學生解決實際工程問題能力提出了更高的要求。
本文從CAE 在材料成型與控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，對金屬塑性成形CAE 和注塑成形CAE 教學與畢業(yè)設(shè)計改革進行了探索。
1 CAE 技術(shù)在我校材料成型及控制工程專業(yè)學習中的應(yīng)用現(xiàn)狀
模具優(yōu)化設(shè)計與CAD/CAM/CAE 一體化技術(shù)是模具數(shù)字化制造設(shè)計核心技術(shù)之一，尤其是三維設(shè)計和計算機仿真模擬分析技術(shù)，這項技術(shù)雖在國內(nèi)已有不同程度應(yīng)用，但仍處于較低水平。目前在模具領(lǐng)域應(yīng)用較多的世界著名CAE 軟件有MOLDFLOW、DYNAFORM、AUTOFORM、POLYFLOW和DEFORM等，同時也是山東科技大學材料成型及控制工程專業(yè)學習中可以接觸到商業(yè)軟件。
金屬塑性成形加工過程中加載條件與變形過程異常復(fù)雜，傳統(tǒng)分析方法已經(jīng)證明不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。隨著計算機技術(shù)與有限元理論的發(fā)展，采用計算機數(shù)值模擬技術(shù)可以解決經(jīng)驗設(shè)計無法解決的問題。了解金屬塑性變形的各種常量的變化歷程，如金屬成形過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變等，對塑性成形工藝設(shè)計、模具設(shè)計、壓力機的選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有重大的現(xiàn)實意義。我校在金屬板料沖壓技術(shù)和體積成形中主要選用DYNAFORM 和DEFORM 軟件進行教學。在板料成形數(shù)值模擬分析CAE 技術(shù)教學過程中，以DYNAFORM為主重點介紹汽車覆蓋件的拉深成形數(shù)值模擬，在Deform數(shù)值模擬CAE 成形教學過程中，重點講授模鍛成形和擠壓成形。塑料模CAE 技術(shù)主要是利用高分子材料學、流變學、傳熱學、計算力學和計算機圖形學等基本理論，建立塑料成型過程的數(shù)學和物理模型，構(gòu)造有效的數(shù)值計算方法，實現(xiàn)成型過程的動態(tài)仿真分析，使對塑料成型過程的認識從宏觀進入微觀，從定性進入定量，從靜態(tài)進入動態(tài)，為優(yōu)化模具設(shè)計和控制產(chǎn)品成型過程以獲得理想的最終產(chǎn)品提供科學依據(jù)和設(shè)計分析手段。本專業(yè)塑料模具課程以注塑和擠出工藝與模具設(shè)計為主，其中注射成型部分以MOLDFLOW軟件為主，擠出工藝部分以Ployflow 軟件為主。
目前，本專業(yè)在本科教學階段CAE 教學中突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步驟、基本方法的學習，讓學生在理解有限元求解問題的本質(zhì)的基礎(chǔ)上學習相關(guān)的有限元軟件，通過實訓掌握簡單的工程問題求解過程和方法，為獨立應(yīng)用軟件分析問題打下基礎(chǔ)。③但從最終在畢業(yè)設(shè)計中CAE 分析應(yīng)用的情況來看，可以熟練應(yīng)用以及解決問題的同學還占少數(shù)，如何加強本科階段對CAE 技術(shù)的學習，尤其是通過畢業(yè)設(shè)計這個實踐性更強的過程更好地掌握CAE 技術(shù)的應(yīng)用，成為一個亟需解決的問題。
2 加強學生畢業(yè)設(shè)計中CAE 應(yīng)用能力的措施
2.1 改進授課方式加強學生CAE 分析技術(shù)的學習
采用分散課時授課方法。對于本科生，通過畢業(yè)設(shè)計鍛煉CAE 技術(shù)應(yīng)用能力并發(fā)揮其優(yōu)勢離不開前期的課程學習。目前材料成型及控制工程專業(yè)CAE 技術(shù)教學安排方面除了有限元理論基礎(chǔ)知識外，還開設(shè)有專業(yè)CAE 軟件課程，但課程內(nèi)容通常由授課教師自己掌握，造成出現(xiàn)只偏向一種軟件的現(xiàn)象，如側(cè)重研究注塑成型方向的教師一般只講授polyflow或modflow 軟件，而側(cè)重金屬塑性加工方向的教師則可能只講授金屬板料成形和體積成形CAE分析軟件。由于專業(yè)CAE軟件只安排一個學期的課程，就造成一屆學生只能學習運用一種軟件，無法實現(xiàn)在專業(yè)領(lǐng)域通才教育的目的，畢業(yè)生在職場中的競爭力下降。針對這種情況，本文作者提出了專業(yè)CAE分析技術(shù)分散教學的方法，將CAE 課程課時分配到各個專業(yè)課程中，在專業(yè)課程授課過程及課程設(shè)計中穿插講授CAE 軟件，從應(yīng)用方法到案例分析與應(yīng)用，讓學生在專業(yè)知識學習過程中體驗先進CAE 方法，又為畢業(yè)設(shè)計中CAE 技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
在CAE 技術(shù)授課過程采用有限元理論與軟件操作并重的講解方式。由于本科階段教育，CAE 技術(shù)的掌握要求相對不高，課時安排受到限制，因此需要在比較少的時間內(nèi)講解盡可能多的知識。在實際教學中，一些教師往往把重點僅僅放在軟件操作上而忽略有限元理論講解，使得學生操作時只能靠機械記憶，無法與所學過的理論知識融會貫通，不利于學生對軟件的更深一步理解。所以在教學中應(yīng)該采用有限元理論與軟件操作并重方式教學，教師可以建議學生去看一些書籍、論文，爭取學生在畢業(yè)設(shè)計結(jié)束后，能夠獨立地完成類似的題目以及難度更高的題目，同時具備一定的理論自學能力與較強的軟件操作能力。
2.2 從課程設(shè)計開始注重CAE 分析軟件的應(yīng)用
軟件的學習往往在應(yīng)用中會更容易掌握，尤其對固有的流程、方法與技巧而言，必須經(jīng)過實際操作才能得心應(yīng)手。目前在材料成型及控制工程專業(yè)課程設(shè)計中，往往只注重利用手冊與公式計算來設(shè)計模具，并不強調(diào)CAE 技術(shù)的應(yīng)用，只是把CAE 技術(shù)的應(yīng)用放到畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，那么大部分同學會因為基本功能操作的生疏，而對軟件的應(yīng)用失去興趣與耐心，很難達到CAE 分析所驗證設(shè)計方案可行性并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計的效果。因此在培養(yǎng)方案中可注明將CAE 分析加入到課程設(shè)計中，從專業(yè)課程學習伊始就注重CAE分析的應(yīng)用。如在課程設(shè)計中提出CAE 分析應(yīng)用的建議并給出應(yīng)用方法與流程，但不作為必須考核內(nèi)容，而作為額外加分的評估條件，以引導(dǎo)學生提高對CAE 技術(shù)應(yīng)用的積極性。
2.3 增加CAE 分析在畢業(yè)設(shè)計中指導(dǎo)與考核比重
CAE技術(shù)在以沖壓模具和塑料模具為課題的畢業(yè)設(shè)計中有著重要的作用，可以有效減少設(shè)計過程中設(shè)計—修正—再設(shè)計的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計達到或者逼近合用的結(jié)果，這在實踐中具有重要意義。在畢業(yè)設(shè)計中嚴格控制畢業(yè)生設(shè)計進度，在完成初步模具設(shè)計三維造型后，統(tǒng)一進入CAE 分析階段，模具結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計—分析—優(yōu)化—再設(shè)計修改的循環(huán)的設(shè)計過程。采用集中時段進行CAE 分析模式的好處還在于便于集中指導(dǎo)。另外在本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計改革階段，嘗試實行了小組制，將同一分析類型的學生分為若干組，如注塑模具組與沖壓模具組，每一組中分配至少一名能夠熟練運用CAE 分析技術(shù)的學生，實現(xiàn)互助促進的模式。
在畢業(yè)設(shè)計考核過程中，既重視設(shè)計說明書中CAE 分析內(nèi)容與結(jié)果的正確性與對模具設(shè)計的指導(dǎo)性，又注重學生在答辯過程中對CAE 技術(shù)的理解與應(yīng)用方法掌握情況，防止發(fā)生抄襲或他人代工的現(xiàn)象。
3 總結(jié)
CAE分析在材料成型及控制工程專業(yè)中的作用是不容忽視的，采用分散課時以及改進授課方法和考核方式，可有效提高本科生CAE 技術(shù)應(yīng)用能力，充分利用課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計的實踐機會，為畢業(yè)后工作中熟練應(yīng)用CAE 技術(shù)打下基礎(chǔ)。
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