随着我国改革开放的不断深入, 中国正在成为世界制造业的重要基地, 这为中国材料成形领域的发展提供了前所未有的机遇, 也导致了国内各层次锻造、轧钢、挤压等专业技术人才需求呈现爆炸式增长[1~2]。塑性成形数值模拟技术作为材料成形工艺开发及模具设计等普遍需要的工具, 在本科生、硕士生乃至博士生中间, 学生对与数值模拟相关的课程有很强烈的学习欲望。
重庆大学是西部最先、国内较早开展塑性成形工艺及模具的课程教学的院校, 尤其是在塑性成形有限元模拟教学方面进行了较深入的研究、改革与实践工作, 取得了多项教研成果[3]。为了适应社会需求, 提高并及时更新学生的知识结构, 近十年来, 重庆大学在硕士生及博士生的教学中逐步设置并建成了塑性成形模拟技术的课程。该课程融合CAX集成技术[4]、塑性有限元理论、塑性变形力学、软件使用等内容, 讲解详细、素材丰富, 取得了很好的教学效果。
1 建设历程与发展情况
1984年, 重庆大学锻压专业获得西南地区该专业的第一个硕士授权点, 长期开设《金属塑性成形原理》、《塑性加工理论》、《板成形理论》、《材料成形计算机辅助设计》等研究生课程。2000年锻压专业周杰教授从德国斯图加特大学从事高级访问学者归来, 同上海交大国家模具工程技术中心、华中科技大学塑性成形模拟国家重点实验室、德国斯图加特大学、多特蒙德大学等展开合作研究, 免费引进了Deform、Dynaform等多套正版软件, 开辟了本校现代模具CAD/CAM/CAE/CAPP方向。在学科建设的前期我们已经长期建设了相当一部分的专业课程, 在此基础上周杰教授在国内较早的开设了硕士学位课程《塑性有限元法》, 以及博士学位课程《塑性成型理论》, 并且在本科生中开设了《塑性成形数值模拟》选修课。这些课程在很大程度上适应了当时历史条件下锻压行业及高校与研究单位对于技术人才的需求, 在学生中引起反响, 成为追捧的热点。
2008年, 重庆大学材料成形系与材料科学与工程学院合并, 校、院各级进一步加强材料加工工程学科建设, 争取创建国家重点学科。塑性成形方向对研究生课程《金属塑性成形原理》、《塑性加工理论》、《板成形理论》、《材料成形计算机辅助设计》、《材料变形行为》等去粗取精、融会贯通, 建设两门新的课程《塑性成形模拟技术》、《金属塑性加工理论》。《塑性成形模拟技术》以基础原理和工业应用为主突出重点, 力求展现国内外塑性成形模拟技术的最新成果及进展。
2 课程教学目标
通过对《塑性成形模拟技术》课程的学习, 使研究生掌握金属塑性成形过程模拟基本理论和实施方法, 掌握金属冲压、锻造、拉拔、轧制、挤压等典型工艺的基本知识及模拟方法, 具备从事材料成形工艺数值和物理模拟分析、优化, 及新工艺开发和模具优化设计的基本能力。
3 课程教学内容体系与结构
本课程2学分, 设定为30学时。课堂讲授22学时, 上机操作4学时, 论文答辩考核4学时。
第一部分:金属塑性变形力学基础。
应变、应力、本构方程、基本方程和原理。
第二部分:金属塑性有限元理论。
塑性成形的刚塑性有限元分析;
塑性成形的弹塑性有限元分析。
第三部分:金属塑性成形物理模拟理论。
相似原理、网格法、云纹法、光塑性法。
第四部分:金属塑性成形工艺模拟。
金属体积成形的有限元模拟;
金属板料成形的有限元模拟。
第五部分:上机操作一个以上模拟案例。
第六部分:结合理论及课外模拟实例做研究报告, 并进行现场答辩。
4 教学环境与条件
重庆大学本科“材料成形及控制工程”、研究生“材料加工工程”专业是重庆市重点学科专业, 设有材料加工工程博士点、硕士点, 国家镁合金材料工程技术研究中心、重庆市轻合金材料工程技术研究中心、轻金属材料重庆市市级重点实验室, 六个与企业联合建立的“精密成形技术”、“模具技术”、“塑性成形仿真技术”联合研发中心。近10年来, 在金属体积成形、板料冲压成形的数值模拟、模具研发等方面形成了优势, 并取得了十项重大和重要的研究成果。
为固化课程体系和教学内容的改革, 本专业的多位老师制作了包括有限元方法、软件介绍、工艺模拟等方面的课件, 现在阶段正在组织编写参考教材《塑性成形模拟技术》。该教材在内容上紧跟现代化工业发展水平, 兼顾课堂教学与实例训练;在形式上建立柔性较大的模块化课程体系, 便于教学中选择;突出重点, 通过教学基本要求的提示, 指导学生掌握教材和自我训练的重点。能实现以分析问题、解释现象、工艺设计等综合性灵活多变的案例引导研究生运用所学的理论知识和工具软件知识, 培养分析和解决实际问题的能力。
5 主要教学方法手段
在教学中采用了理论教学、软件演示与操作、上机操作、课外作业辅导等相结合的教学方法, 并根据课程教学特点, 采用了多媒体教学、计算机辅助教学及与传统的经典教学方式相结合的教学形式。同时, 在教学中采用启发式教学, 调动学生学习的主动性和积极性, 从而提高授课质量和教学效果。另外, 在教学中还采用了理论教学与课外自觉训练相结合、课内和课外相结合的教学方法, 除理论教学和上机实验外, 在教学计划中还设置了1~2个典型塑性成形工艺的模拟计划, 模拟完成后撰写该课程的研究报告。
课程教学团队从课件开发、教学软件研制和上机操作规划入手, 加强教学手段建设, 改善教学环境:基于Authorware软件开发了“塑性成形原理”、“塑性成形模拟”、“塑性有限元法”等课程多媒体课件, 并制作了“塑性成形典型工艺模拟案例”等动画资源, 并录制了锻造、拉拔、轧制、冲压等工艺的现场录像。运用现代教学手段, 丰富了教学内容, 扩大了信息量, 拓宽了学生知识面。
摘要：分析了我国塑性成形领域的行业前景, 及建设一门适应社会需求、更新学生知识结构的研究生课程—塑性成形模拟技术的重要性。回顾了重庆大学近十年来塑性成形领域课程演变的过程, 阐释了塑性成形模拟技术课程与塑性成形原理、塑性有限元等课程的关系。以重庆大学现有的软硬条件为平台建设该课程, 规划了课程的教学目标、内容体系与结构、教学环境与条件、教学手段等。教学过程中多媒体教学、计算机辅助教学与传统的经典教学方式相结合, 课内理论教学与课外自觉训练相结合是本课程的重要特色。
关键词：塑性,模拟,重庆大学,材料成形及控制工程,研究生
参考文献
[1] 黄贞益.材料成型及控制专业建设探讨[J].安徽工业大学学报 (社会科学版) , 2005 (1) .
[2] 郭俊卿, 陈拂晓.广东模具工业发展与高校人才培养模式[J].中国科教创新导刊, 2008 (11) .
[3] 王梦寒, 周杰.材料成型CAD/CAE/CAM课程教学改革[J].重庆工学院学报 (自然科学版) , 2007 (9) .
[4] 余世浩, 华林, 黄尚宇, 等.CAD/CAM基础 (21世纪高等学校机械类规划教材) [M].国防工业出版社, 2007.