数值模拟在材料成形原理中的教学应用研究——以山东建筑大学为例

任国成，赵忠魁，徐淑波，刘科高

（山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101）

数值模拟在材料成形原理中的教学应用研究
——以山东建筑大学为例

任国成，赵忠魁，徐淑波，刘科高

（山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101）

原理类课程的教学质量是提高学生专业知识储备和就业竞争力的重要影响因素。文章以山东建筑大学材料成型专业的材料成形原理课程教学为例，展示了数值模拟技术在教学过程中的应用。在分析材料成形原理课教学现状及存在问题的基础上，阐明了将数值模拟技术引入原理类课程教学的必要性。通过数值模拟仿真技术对材料成形基本原理和工艺进行讲解，能够帮助学生深入理解理论问题和系统了解金属塑性成形工艺过程，提高教学质量和课堂效果，培养学生分析解决实际问题的能力。

材料成形原理；数值模拟仿真；有限元分析；教学方法研究

0 引言

山东建筑大学是山东省首批应用型特色名校建设立项单位，材料成型及控制工程是其重点建设专业之一。原理类课程作为成型专业重要的专业基础课，相关内容关乎学生学习、了解和掌握后续材料成形技术和相关工艺原理的理论深度［1］。提高原理类课程的教学质量，有利于学生实现理论知识与工程应用的有机结合，提高学生运用科学问题解决工程实践问题的能力，切实提高应用型本科教育的培养质量［2］。

数值模拟仿真技术作为工程行业研发中创新研究和创新设计最重要的工具和手段，已经渗入工程应用的各个环节，已由辅助的验证工具变成驱动产品创新的引擎。将数值模拟仿真技术引入原理类课程的课堂教学，通过对材料成形过程的模拟仿真分析，有利于加深学生对材料成形原理关键知识点的认识和理解，使其真正掌握相关原理的工程应用，对于培养基础理论扎实和较强工程实践能力的高素质人才具有重要的实际意义［3-5］。因此，文章以山东建筑大学的数值模拟仿真技术在材料成形原理课程中的应用为例，探讨在原理类课程教学中应用数值模拟技术的可能性及必要性。

1 材料成形原理的课程特点及教学现状

《材料成形原理》是山东建筑大学材料成型专业学生必修的专业基础课程，主要对金属材料的液态成形、连接成形及塑性成形等材料加工过程中共有的基本原理、基本规律及各种成形技术的物理现象与本质、成形过程中存在的主要问题及解决方法加以阐述，为学习后续工艺方法、成形技术及设备控制等课程的学习提供扎实的理论基础，也为将来在工程实践中开发新材料的加工技术、分析成形过程中可能存在的质量缺陷，提出切实有效的预防及解决问题的措施提供必要的理论支持，旨在提高学生对材料加工过程及其原理的理解［6］。作为成型专业的主要基础课程，《材料成形原理》当前已形成了相对稳定的课程体系，积累了许多丰富、宝贵的经验，但是目前课程更强调系统性和理论性，缺少应用性与创新性，主要依赖教师的单向理论讲授，多采用“灌输式”的课堂教学形式。由于课程内容基础概念多，工艺原理繁杂且抽象，为保证课程理论体系的系统及完整性，在材料成形原理的教学过程中教师往往会耗费大量精力对课程基础理论及基础公式进行阐述，而在教学方法上多是用静态的文字表达方式传授讲课内容，即按照概念、原理、工艺过程、成形过程中缺陷及控制的常规教学思路进行逐步讲解［7-8］。这种传统的“灌输式”教学过程中教师多数情况下充当了主角，而学生所能够做的就是被动全盘的接受教师所传授的知识，师生之间的鲜有互动。而当教学内容繁杂无味时，只是通过文字方式传授教学内容，很容易使学生感到枯燥并逐渐失去学习的兴趣，减弱了课堂教学效果。因此不注重教学方法将难以完成教学任务，而且有些教学内容仅仅通过文字也很难向学生阐述其问题本质。

传统纯粹填鸭式的教学方式对实现培养高素质复合型人才的教学目标十分不利，在课堂教学过程中利用先进的教学手段适时与学生互动，有利于课堂气氛的活跃，使学生的思维不至于过分紧张，从而激发学习兴趣［9-10］。材料成形原理课程理论性强、知识体系庞杂的课程特点给教学过程带来了很大的挑战。为了克服教学中的困难，使学生充分理解并掌握知识，除了教学内容、教学方式等需要不断改革，教学手段也应不断更新，数值模拟仿真技术直观形象的特点为材料成形原理提供了有力的课堂教学工具。

2 数值模拟技术在材料成形原理课程教学中的应用

2.1 数值模拟技术的教学应用方案

材料成形原理课程的特点就是概念多、符号多、知识抽象，导致学生对相对陌生的知识体系接受起来存在困惑，特别是应力、应变等力学概念的理解掌握更加困难。数值模拟仿真技术以计算机为手段，利用图像直观显示研究工程问题中的变形、温度、应力、应变等在变形体内分布变化规律以及微观组织、力学、机械和物化性能演变［11］。因此，数值模拟技术能够较全面地考虑多种因素对成形过程的影响，并且提供详尽的力学性能参数及温度等信息，适合各类成形过程的分析研究。利用数值模拟技术对实际工程问题进行建模，依据一定的边界条件和工艺参数进行数值计算，将求解所得应力应变分布、载荷变化、组织变化等以图片、数据及视频方式展现出来，能够很好的服务于材料成形原理的课堂讲授中。

图1给出利用数值模拟技术辅助材料成形原理课堂教学的具体流程。而目前国内外比较流行的数值模拟仿真软件大多具有良好的人机交互界面，功能强大的前处理和后处理功能，可以把分析结果显示成图片、动画演示，把抽象的应力、应变等概念具体化，易于理解，较好地解决应力应变等抽象概念的理解问题，增强了学生学习的自信心和乐趣，同时也为后续科目的学习打好基础［12-13］。

2.2 数值模拟技术的教学应用实例

最小阻力定律是材料塑性成形过程中最基本的规律之一，它给出了材料在塑性变形过程中不同变形条件下金属质点的流动规律及变形特点，利用最小阻力定律可以分析预测零件在不同工况下的外形变化规律［14］。图2给出的即是方形件在镦粗过程中利用最小阻力定律预测得到的由方到圆变化过程中的应变量大小及变形趋势。

图1 数值仿真技术在材料成形原理中的应用流程图

图2 方形件锻比逐渐增大时的宏观形状变化趋势图

在传统的教学方法中，最小阻力定律的介绍是通过在变形体内取图3所示的变形体内取关键质点进行受力分析来进行的。图3（a）为对方形件镦粗横截面金属质点的受力情况分析，图3（b）为流动方向性分析，通过具体分析得出不同压力作用下质点的流动规律，从而得出最小阻力定律。这种方法由点及面，由特殊到一般，虽然推导严谨，逻辑清晰，但在课堂有限的时间内让学生全面理解力与变形的关系还是比较困难，而采用数值模拟仿真的方法则可以很好地解决这一问题。

为帮助理解摩擦对变形的影响、更好的解释最小阻力定律等基础理论，以方形件在理想光滑（摩擦因子m＝0）及施加摩擦条件（m＝0.7）的不同状态分别进行数值模拟，模拟结果分别如图4所示。其中，图4（a）为理想光滑的状态下方形件镦粗的变形趋势及金属质点流动规律，图4（b）为施加摩擦条件下方形件镦粗的模拟分析结果。该方法不但清晰的给出了变形体内各质点在变形过程中的流动趋势，而且直观的给出了变形体内的应力场及应变场的分布情况，这就大大降低了学生对阻力定律的接受难度，节省了授课时间，提高了课堂效率。

图3 方形件镦粗横截面金属质点流动方向性分析图

3 数值模拟技术在教学中的应用效果分析

3.1 改变单一教学模式，激发学生的学习兴趣

工科类专业知识尤其是冶金类的专业知识给学生的印象是内容枯燥且晦涩难懂，理论强且深入困难，使得大多学生还没开始学习便产生了畏难情绪，而成形类专业课程单纯的教师讲解和灌输更是加剧了这种状况，使得很多学生还没有真正理解该门课程内容的体系时已经失去了学习的兴趣，而这种消极情绪又反作用于教师，使得教师的讲解兴趣也大打折扣［15］。但是在利用数值仿真辅助教学课堂后，教师可以把枯燥复杂的理论及工艺用图像形式形象直观地展现给学生，讲解与演示兼具，这使得教师讲授专业知识更加方便。而且图像能够把很大篇幅的文字用简单易懂的形式表现出来，这种直观化和可视化的效果刺激学生的主动学习性，使难记忆的专业知识变得简单，有利于学生掌握知识内容。

图4 不同条件下方形件镦粗的变形趋势及金属质点流动规律图/（mm·s-1）

通过视频动画的形式，更利于学生对专业知识的理解和掌握［16］。如在讲解焊接变形时可以利用模拟仿真视频的形式介绍控制焊接变形的措施。这样入门不再是单纯地学习枯燥的文字知识，而是全方位立体化的专业信息，可以更深入系统地观察焊接变形的真正变形过程。所以这种模拟仿真视频的教学方式直观易懂，对于学生的学习过程来说也是一种很愉快的过程。把学习过程变得轻松，在轻松的气氛中愉快地接收和掌握知识，这也是作为教师应该追求的教学效果。将数值模拟仿真技术引入课堂教学，从视觉、感官的效果刺激学生的学习兴趣，既促进学生更好的掌握专业理论知识，又改变了传统的灌输式教学，使得教和学两方面都得到改善。

3.2 培养学生的工程应用能力

材料成形原理的概念多而繁杂，初学者接受起来比较困难，即学即忘的情况非常普遍。而且对刚进入专业学习阶段的同学来说，大多对课程所涉及的概念、公式的意义理解不深，很难将其真正应用于实际问题。在教学过程中利用有限元数值模拟技术，通过概念建模、模拟运算及结果绘制等有限元分析手段，向学生形象地展示了变形工件的变形过程、变形后的质点位移及应力分布规律等。如金属塑性变形过程的最小阻力定律问题，利用有限元模拟仿真技术，一方面可以展示三维尺度上的应力场量分布（不同于教材中的平面力学模型），另一方面可以考虑变形过程中诸多影响因素，以便展示各个变量对应力分布及变形的影响。这样既可以加深学生对力学基础知识的理解，使他们体会工程问题到力学模型的简化过程，拓展他们的空间想象力，培养他们对实际工程的分析和应用能力，使其真正做到理论联系实际，为后续的工程结构设计及理论分析打下坚实的理论基础。

在山东建筑大学材料成型专业材料成形原理的教学过程中引入数值模拟仿真技术，以动态视频和图像的方式向学生展示专业理论知识。通过对2012～2014级成型专业学生的问卷调查发现，超过90%的学生认为数值模拟辅助课堂教学对相关知识点的掌握和理解具有很大帮助。学生们认为数值模拟技术提高了课堂教学的生动性，加深了对原理性知识的认识和掌握，拓展了思维方式和专业认知广度，提高了学习本专业的兴趣。通过对近几年的期末考核也发现，对比以前的考核结果，引入数值模拟辅助教学后学生在相关内容的失分率明显降低。教学实践表明数值模拟技术既可以提高学生的学习兴趣，又可以更好地帮助学生理解课程内容，把枯燥的专业知识内容变得易于理解，大大提高了教学效果。

4 结语

文章探讨了材料成形原理当前的教学现状及存在的问题，提出了将数值模拟仿真技术引入材料成形原理课堂教学，通过材料成形原理中的重点和难点有限元模拟实例，展示了数值模拟仿真技术在材料成形原理教学中的应用，提高了教学效果。在专业知识的讲授过程中引入数值模拟仿真技术的教学模式，不仅有利于教师的课堂讲授，而且有利于学生对专业知识的理解和掌握。激发学生的学习兴趣和促进学生对所学内容的归纳总结。这种形象化和可视化的教学方式，有利于学生创造性思维能力的培养和想象力的提高。数值模拟可以重复进行，将数值模拟仿真技术与材料成形原理课程教学有机结合，既有利于加深学生对原理类课程基本概念的理解和掌握，也可以增强培养学生的工程应用能力。

［1］ 王均，熊计，杨屹.“材料成形原理”课程教学改革探讨［J］.高等教育发展研究，2015（3）：51-53.

［2］ 索忠源，姜峰，王鑫，等.材料成型及控制工程专业应用创新型人才培养模式探索［J］.中国冶金教育，2014（6）：11-13.

［3］ 杨勇，郭子雄.数值模拟试验在土木工程专业课程教学中的应用［J］.高等建筑教育，2005，14（3）：65-68.

［4］ 李美艳，韩涛，韩彬，等.数值模拟在焊接技术实验课教学中的应用［J］.实验技术与管理，2015（10）：52-55.

［5］ 张洪伟，席军，许月梅，等.有限元数值模拟技术在材料力学教学中的应用探讨［J］.化工高等教育，2016，33（2）：80-84.

［6］ 吴树森柳玉起.材料成形原理（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［7］ 陈志钢，刘厚才，廖艳春，等.材料成型与控制专业《材料成形原理》课程教学探讨［J］.科技创新导报，2011（11）：178.

［8］ 朱协彬，陈志浩，顾小莉.专业原理课“互动式”教学实践与探索［J］.时代教育（教育教学），2010（7）：1.

［9］ 江树勇，任正义，赵立红，等.现代教育技术在《机械制造基础》课程教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2009（1）：19 -21.

［10］李嘉宁，张元彬，罗辉，等.高校焊接专业英语教学方法改革研究——以山东建筑大学为例［J］.山东建筑大学学报，2016，31（4）：404-408.

［11］梁维中，王振玲，党振乾，等.材料成形原理课程改革探索［J］.铸造设备与工艺，2009（6）：36-37.

［12］冀林仙，王翀，王守绪，等.数值模拟在应用电化学课程教学中的应用［J］.化学教育，2015，36（14）：16-20.

［13］蔡东蛟.虚拟化技术在实验教学中的应用［J］.计算机与现代化，2015（11）：109-112.

［14］俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［15］张明远，吕俊杰，柳浩.冶金工程专业卓越工程师教育培养学生工程能力的实践教学改革［J］.教育与职业，2012（32）：117 -118.

［16］孙静，张涛，林仲志.基于多媒体技术的认知功能评估系统之研究［J］.计算机工程与应用，2015，51（24）：67-72.

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

山东省精品课程建设资助项目（2013HK292）；山东建筑大学博士基金（0000601363）

任国成（1977-），男，讲师，博士，主要从事材料加工工程、材料成形过程数值模拟等方面的研究.E-mail：Renguocheng＠sdjzu.edu.cn