材料成型及控制工程專業(yè)CAE模塊化教學(xué)改革探索-

1、重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版2012年第1期Journal of Chongqing University of Science and Technology(Social Sciences EditionNo.12012材料成型及控制工程專業(yè)是教育部1998年進(jìn)行高等學(xué)校本科專業(yè)調(diào)整時(shí)設(shè)立的一個(gè)本科專業(yè),該專業(yè)涵蓋鑄造、鍛造、沖壓、焊接、塑料等材料成形技術(shù)領(lǐng)域。重慶西永電子工業(yè)園和重慶兩江新區(qū)魚嘴汽車城的建立,不僅大大推動(dòng)了重慶汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,還將推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。目前汽車和摩托車產(chǎn)業(yè)為重慶市的第一支柱產(chǎn)業(yè),而汽車、摩托車90%左右的零部件由材料成型及控制工程專業(yè)技術(shù)直接制造。

2、電子信息產(chǎn)業(yè)的電子封裝材料、筆記本外殼、電子產(chǎn)品附件等也大部分與材料成型及控制工程專業(yè)材料成形技術(shù)密切相關(guān),將需要大批該專業(yè)的技術(shù)人才。重慶理工大學(xué)的“模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)”始建于1990年,1999年根據(jù)教育部的要求更名為“材料成型及控制工程專業(yè)”,2002年材料成型與控制工程專業(yè)成為學(xué)校的品牌專業(yè),2004年材料加工學(xué)科被評(píng)為重慶市重點(diǎn)學(xué)科,2005年成為學(xué)校的品牌專業(yè), 2007年成為重慶市特色專業(yè),2009年被評(píng)為國家級(jí)特色專業(yè)。經(jīng)過20多年的發(fā)展,本專業(yè)已在材料精密成形技術(shù)上形成了自己的優(yōu)勢(shì)和特色,并在模塊化教學(xué)方面取得了較好的效果。本文以重慶理工大學(xué)國家級(jí)特色專業(yè)材料成型與控制工程專

3、業(yè)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE模塊化教學(xué)為例,對(duì)金屬液態(tài)成形工藝CAE、金屬塑性成形CAE、焊接成形CAE和注塑成形CAE模塊化教學(xué)改革進(jìn)行了探索。一、CAE模塊化教學(xué)改革的意義模具在飛機(jī)、汽車、摩托車、工程機(jī)械、機(jī)床、兵器、儀器儀表、輕工、日用五金等制造業(yè)中起著極其重要的作用。模具是實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)的鈑金件、壓鑄件、鑄件、鍛件、注塑件等生產(chǎn)的重要工藝設(shè)備。目前一個(gè)國家的模具技術(shù)發(fā)展水平已成為其制造水平的重要標(biāo)志。從上世紀(jì)80年代以來,我國模具行業(yè)取得迅猛發(fā)展。目前,中國的模具工業(yè)制造總量已經(jīng)位于全球第三,僅次于美國和日本,然而并非模具制造強(qiáng)國,許多高端模具(如高端轎車覆蓋件模具等依然靠進(jìn)口解決。模具制

4、造技術(shù)水平地域差距比較明顯,沿海的技術(shù)水平和自動(dòng)化水平比內(nèi)地高,如與內(nèi)地相比,廣東東莞和江蘇昆山的模具制造水平和設(shè)計(jì)水平以及自動(dòng)化程度相對(duì)高一些。傳統(tǒng)的模具開發(fā)和制造過程中,主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累和不斷反復(fù)的試模和返修,直到做出合格產(chǎn)品。通過這種依靠經(jīng)驗(yàn)和不斷反復(fù)試模和修模的模具生產(chǎn)周期長、人工成本高、生產(chǎn)效率低下。目前,許多企業(yè)側(cè)重于采用UG、Pro/E、Catia、Solidedge、Solidworks等三維CAD/CAM軟件進(jìn)行模具輔助設(shè)計(jì)和制造(如重慶長安汽車集團(tuán)公司普遍采用UG和Catia三維造型軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造,對(duì)CAE二次開發(fā)的要求不高,有些企業(yè)甚至根本沒有進(jìn)行CAE二次開

5、發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)學(xué)模型的不斷更新和完善,作為材料成形工藝分析和模具設(shè)計(jì)的輔助工具的CAE技術(shù)越來越受到企業(yè)和研究人員的重視。在模具制造之前通過采用CAE數(shù)值模擬仿真技術(shù)將材料成型過程中的動(dòng)態(tài)變化和可能產(chǎn)生的缺陷顯示出來,然后再進(jìn)行優(yōu)化獲得最佳工藝方案和工藝參數(shù),從而可以提高模具設(shè)計(jì)水平、縮短模具制造周期、進(jìn)而降低模具生產(chǎn)成本。盡管模具CAE技術(shù)在國外已經(jīng)普遍使用,然而我國還缺乏熟練應(yīng)用模具CAE技術(shù)的專業(yè)人才。作為培養(yǎng)模具設(shè)計(jì)與制造高級(jí)人才高校的材料成型及控制工程專業(yè)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)、大力開展模具CAE技術(shù)課程的教學(xué),探索模具CAE材料成型及控制工程專業(yè)CAE模塊化教學(xué)改革探索周志明

6、,黃偉九,王興國,趙震摘要:以重慶理工大學(xué)國家級(jí)特色專業(yè)材料成型與控制工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE模塊化教學(xué)為例,提出了在高校材料成型及控制工程專業(yè)CAE的教學(xué)過程中,教學(xué)內(nèi)容實(shí)施金屬液態(tài)成形工藝CAE、金屬塑性成形CAE、焊接成形CAE和注塑成形CAE等模塊化教學(xué)改革的實(shí)施方案,并探索了CAE模塊化教學(xué)師資隊(duì)伍的培養(yǎng)途徑。關(guān)鍵詞:材料成型及控制工程;模塊化;教學(xué)改革中圖分類號(hào):G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-1999(201201-0172-03作者簡(jiǎn)介:周志明(1976-,男,博士,重慶理工大學(xué)(重慶400054副教授。收稿日期:2011-10-26基金項(xiàng)目:重慶市高等教育

7、教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(102201和102109。創(chuàng)新人才的培養(yǎng),以滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新模具人才不斷增加的需要。二、CAE模塊化教學(xué)改革的安排金屬材料成形工藝過程復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,影響因素多,質(zhì)量難以控制。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)水平的迅速發(fā)展和新的數(shù)學(xué)模型和各種判據(jù)的不斷建立,使得模擬計(jì)算結(jié)果不斷接近于實(shí)際結(jié)果,從而使解決這些長期阻礙鑄造、鍛造、沖壓和注塑等生產(chǎn)發(fā)展的問題成為現(xiàn)實(shí)。液態(tài)成形是將液化的金屬或合金在重力或其它力的作用下注入鑄型的型腔中,待其冷卻凝固后獲得與型腔形狀相似的鑄件的一種成形方法,這種方法通常又稱為鑄造(Foundry。它是一個(gè)質(zhì)量不變的過程,其基本過程是熔

8、煉(Melting、澆注(Pouring和凝固(Solidification。傳統(tǒng)的鑄件生產(chǎn)只能對(duì)鑄件的形成過程進(jìn)行粗糙的基于經(jīng)驗(yàn)和一般理論基礎(chǔ)上的控制,只能做定性分析和需要反復(fù)試制才能確定工藝。要精確地分析溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等的計(jì)算,只能通過計(jì)算機(jī)采用金屬液態(tài)成形CAE進(jìn)行數(shù)值模擬。目前,常用的液態(tài)成形CAE鑄造模擬分析軟件主要有美國ESI公司的Procast、美國的Flow-3D、德國的MAGMA、韓國的Anycasting、日本的Stefan、華中科大開發(fā)的華鑄CAE等軟件。由于重慶渝江壓鑄集團(tuán)有限公司和重慶長安汽車集團(tuán)有限公司主要采用Anycasting鑄造模擬分析軟件進(jìn)行C

9、AE分析,結(jié)合我校材料成型控制工程專業(yè)鑄造方向的需要,購買了Anycasting鑄造模擬分析軟件。在鑄造CAE課程的教學(xué)過程中,重點(diǎn)講授與重慶實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較多的砂型鑄造、壓鑄和重力鑄造數(shù)值模擬分析模塊,而對(duì)熔模鑄造、離心鑄造和陶瓷型鑄造等模塊的數(shù)值模擬僅作簡(jiǎn)單介紹。與此同時(shí),結(jié)合摩托車端蓋進(jìn)行壓鑄CAE成形案例分析。金屬塑性成形是金屬與合金在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的過程。金屬塑性成形主要包括鍛造、沖壓和擠壓變形等。金屬塑性成形加工過程中外加載荷、加載速度、約束條件、加載方式、溫度場(chǎng)、接觸摩擦條件、幾何形狀和組織形貌等的變化相當(dāng)復(fù)雜,難以進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。在過去相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi),金屬塑性成形

10、完全依靠經(jīng)驗(yàn)。21世紀(jì)信息時(shí)代的到來,通過采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬技術(shù)可以回答經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)無法回答的問題,了解金屬塑性變形的全過程,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(shì)、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變等。這對(duì)塑性成形工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、壓力機(jī)的選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。我們根據(jù)材料成型及控制工程專業(yè)鍛造和沖壓方向的設(shè)置分別購買了Deform3D體積成形數(shù)值模擬分析軟件,Dynaform板料成形數(shù)值模擬分析軟件和板料網(wǎng)格分析系統(tǒng)軟件。在Deform 數(shù)值模擬CAE成形模塊教學(xué)過程中,重點(diǎn)講授模鍛成形和擠壓成形,并結(jié)合重慶建設(shè)工業(yè)集團(tuán)有限公司和重慶五九所的產(chǎn)品進(jìn)行CAE分析對(duì)比

11、。在板料成形數(shù)值模擬分析CAE模塊教學(xué)過程中,重點(diǎn)介紹汽車覆蓋件的拉深成形數(shù)值模擬,并以重慶大江集團(tuán)的覆蓋件為實(shí)例進(jìn)行分析。針對(duì)科研助手和研究生,我們?cè)匍_設(shè)板料網(wǎng)格分析系統(tǒng)軟件的教學(xué),從而使分析與研究更加深入。焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法,其實(shí)質(zhì)是用加熱或加壓等手段,借助于金屬原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用,使分離的金屬材料牢固地連接起來。焊接方法主要有三大類:熔化焊、壓力焊及釬焊等。由于焊接具有冶金溫度高、反應(yīng)劇烈、焊接熔池小、冷卻速度快、各種冶金反應(yīng)難以達(dá)到平衡狀態(tài)、焊接熱影響區(qū)各點(diǎn)的受熱溫度不同、焊縫中化學(xué)成分不均勻等特點(diǎn),因此控制影響焊接質(zhì)量的因素很多,難以控制,需要通過采用焊接過程C

12、AE計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)焊接過程的全面控制。目前我校杜長華教授在電子焊料產(chǎn)學(xué)研方面的研究具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)和特色,并獲得了中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。目前我校沒有購買專用的數(shù)值模擬分析軟件,焊接成形CAE模塊的教學(xué)主要采用大型通用有限元分析軟件Ansys或者Abaqus進(jìn)行電子束等焊接模擬的教學(xué)與科研,尚有待進(jìn)一步發(fā)展。隨著機(jī)械、電子、家電、日用五金等工業(yè)產(chǎn)品塑料化趨勢(shì)的不斷增強(qiáng),以及塑料、橡膠制品的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,對(duì)塑料、橡膠制品的成形技術(shù)的發(fā)展與其模具在數(shù)量、品質(zhì)、精度和復(fù)雜程度等方面都提出了更高的要求。電子信息產(chǎn)業(yè)在不久的將來將成為重慶第一支柱產(chǎn)業(yè),塑料產(chǎn)品將越來越多,將需要更多的技術(shù)人員。注塑成形是

13、指將原材料加熱融化后由高壓射入模腔,經(jīng)冷卻固化后,得到具有一定形狀和尺寸的成形品的方法。注塑成型主要包括合模、注射、保壓、冷卻、開模、制品取出6個(gè)階段,影響因素復(fù)雜。我校材料成型及控制工程專業(yè)在2006年開設(shè)了高分子材料科學(xué)及技術(shù)方向,目前已將該方向單獨(dú)成立了一個(gè)專業(yè)以適應(yīng)重慶市經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的需要。注塑成形CAE模塊教學(xué)過程中,重點(diǎn)介紹汽車內(nèi)飾件的CAE 模擬仿真。如黃虹教授通過Molflow模擬分析軟件對(duì)汽車保險(xiǎn)杠橫梁的注塑件進(jìn)行了數(shù)值模擬,并以此對(duì)學(xué)生進(jìn)行案例教學(xué)與分析,效果良好。三、CAE模塊化教學(xué)師資隊(duì)伍的培養(yǎng)高水平的師資隊(duì)伍是材料成型及控制工程專業(yè)二、克服理工類高校知識(shí)教育與文化教育

14、失衡的對(duì)策從總體上來說,目前理工高校普遍存在“知識(shí)教育”和“文化教育”不均衡的問題,致使培養(yǎng)出來的學(xué)生很有可能是的成為僅掌握了一定專業(yè)知識(shí)的機(jī)器,而喪失了對(duì)真、善、美的辨別與追求,從而表現(xiàn)出與大學(xué)生身份不符的行為,甚至?xí)谷擞庠降赖铝夹暮偷赖乱?guī)范的約束,從而迷失生存與發(fā)展的方向或犯下嚴(yán)重的錯(cuò)誤。為此,理工高校應(yīng)該在強(qiáng)調(diào)“知識(shí)教育”的同時(shí)大力發(fā)展“文化教育”3。(一加強(qiáng)學(xué)科建設(shè),構(gòu)建全新的文化課程體系課堂教學(xué)是開展文化教育的主渠道,高校應(yīng)該立足自身實(shí)際,科學(xué)設(shè)計(jì)文化教育規(guī)劃。文化教育和科學(xué)教育都是一個(gè)系統(tǒng)工程,文化教育的低學(xué)時(shí)和課程體系缺乏規(guī)劃難以達(dá)到理想的教學(xué)效果,影響學(xué)生對(duì)文化知識(shí)的認(rèn)知和人

15、文素質(zhì)的形成。高校要深化教育教學(xué)改革,全面加強(qiáng)學(xué)生素質(zhì)和能力的培養(yǎng),深化人才培養(yǎng)方案和課程體系改革,進(jìn)一步加強(qiáng)和完善文化課程體系,從制度上保證高校人才培養(yǎng)中文化和知識(shí)具有同等重要的地位。(二加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè),提高教師的文化素質(zhì)教師作為學(xué)生的萬能教科書,其人生觀、世界觀和價(jià)值觀對(duì)學(xué)生的發(fā)展有著直接、廣泛、全面的影響。當(dāng)前,理工高校教師自身人文素質(zhì)水平參差不齊,妨礙了教師在教學(xué)過程中有意識(shí)的滲透文化教育,給學(xué)生文化教育帶來了消極影響。高校應(yīng)通過大力提高教師文化素養(yǎng),并強(qiáng)化教師“身教”意識(shí),讓教師真正做到“能傳道”、“擅傳道”4。(三加強(qiáng)校園文化建設(shè),構(gòu)建良好的校園人文環(huán)境體系校園是學(xué)生學(xué)習(xí)、生活的

16、重要場(chǎng)所,也是學(xué)生的第二課堂。加強(qiáng)學(xué)校文化建設(shè),創(chuàng)造良好的校園人文環(huán)境是文化教育的有效途徑。人文環(huán)境建設(shè)要注重大學(xué)精神文化的構(gòu)建,形成具有個(gè)性特色、包含人文思想的校園精神文化,并開展豐富多彩的校園文化活動(dòng)能夠有效推進(jìn)人文環(huán)境的建設(shè)。參考文獻(xiàn):1章立源.大學(xué)教授要傳道授業(yè)J.群言,2009(10.2申成,田超,龐橋.淺談如何培養(yǎng)和提高理科學(xué)生的人文素質(zhì)J.經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊,2011(15.3繆小紅.關(guān)于加強(qiáng)大學(xué)生素質(zhì)教育的思考J.河南青年管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2011(2.4樓笑梅,楊云芳,劉冬梅.論學(xué)院的教師發(fā)展環(huán)境構(gòu)建J.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2008(12.(上接第168頁CAE 模塊化教

17、學(xué)成功最重要的保證,因此引進(jìn)和培養(yǎng)創(chuàng)新型的模塊化教學(xué)的師資隊(duì)伍尤其重要。為此,該專業(yè)主要采取了以下措施:(1根據(jù)專業(yè)發(fā)展需要,發(fā)揮年輕博士的數(shù)值模擬學(xué)習(xí)與分析能力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),引進(jìn)年輕的優(yōu)秀博士。如通過本專業(yè)在近年來分別從重慶大學(xué)引進(jìn)了從事板料沖壓成形CAE 數(shù)值模擬的李小平博士、從中國科學(xué)院金屬研究所引進(jìn)了從事鑄造成形CAE 數(shù)值模擬分析的周志明博士、從哈爾濱工業(yè)大學(xué)引進(jìn)了焊接成形的許惠斌博士、從四川大學(xué)引進(jìn)了從事注塑成形的李又兵博士等。(2青年教師進(jìn)修制。如分別送培從事Deform 數(shù)值模擬分析CAE 的胡建軍和從事擠壓成形CAE 的胡紅軍到重慶大學(xué)攻讀博士。(3以科研項(xiàng)目為紐帶,科研產(chǎn)品案

18、例化。將教師的科研項(xiàng)目及CAE 數(shù)值模擬分析結(jié)果做成案例,用于課堂教學(xué),既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題和解決問題的能力。(4實(shí)行企業(yè)優(yōu)秀CAE 工程師聘任制。如本專業(yè)定期聘請(qǐng)長安集團(tuán)模具公司的資深模具工程師錢云忠高級(jí)工程師給學(xué)生講汽車覆蓋件沖壓成形CAE 的數(shù)值模擬分析和長安發(fā)動(dòng)機(jī)研究所的卿輝斌副所長講授發(fā)動(dòng)機(jī)壓鑄成形Anycasting 數(shù)值模擬分析,讓學(xué)生能分享到企業(yè)的最新技術(shù)和相關(guān)的專業(yè)知識(shí),并有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力和提高創(chuàng)新能力。四、結(jié)語CAE 數(shù)值模擬技術(shù)是人類社會(huì)科技進(jìn)步的一種標(biāo)志,是現(xiàn)代企業(yè)先進(jìn)設(shè)計(jì)必備的方法之一。以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析為手段的材料成型及控制工程專業(yè)CAE 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用,有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性、縮短模具設(shè)計(jì)周期和減少材料成形缺陷,從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)計(jì)、大大提高了生產(chǎn)效率。作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才