CAE技术在材料成型及控制工程专业教学中的应用

朱磊+张欣+林红旗

摘要：材料成型行业是制造业的核心产业，目前材料成型行业特别是铸造行业对应用型CAE人才的需求迫切。我校不仅将铸造CAE技术作为一门课程开设，还将CAE技术融入到材料成型及控制工程专业教学的各个环节，提升了教学效果，提高了学生的综合工程能力，是一种有效的应用型人才的培养模式。

关键词：CAE技术材料成型及控制工程专业铸造方向

材料成型行业是是国民经济发展的支柱产业，是制造业的核心产业。材料成型及控制工程专业是机械工程类专业，是机械工程与材料科学与工程的交叉专业，是理论性与实践性要求都很高的，宽口径、多方向的专业，主要研究对象是热加工工艺，包含四个主要的专业方向：铸造成型、塑性成形、焊接成形、塑件成型。

南阳理工学院是一所地方性应用型本科院校，材料成型及控制工程专业是学校2012年新增的专业，专业开设的初衷就是服务南阳市材料成型行业。南阳市的材料成型行业发达，其中铸造行业占主导地位，我校材料成型及控制工程专业的办学定位就是以铸造为主，兼顾锻焊及塑件成型。

一、专业培养目标及核心课程

由于铸造行业的特殊性，社会急需从事铸造成型及质量控制的技术人员。企业对于从业技术人员不仅要求掌握材料学科的基础理论知识，如冶金传输原理、材料成型原理等，还要求具备大量机械类专业的基本能力，如模具设计及加工能力。专业的毕业生主要从事铸造企业的生产过程控制、技术开发、经营管理、贸易营销等方面的工作。

我校材料成型及控制工程专业的培养目标是具备铸造工艺、模具设计和制造知识，具有较强的工程实践能力及创新精神，能在铸造生产第一线，从事合金熔炼、工艺工装的设计制造、技术开发、企业管理和经营销售等方面工作的应用型高级工程技术人才。专业的核心课程围绕着合格铸件的生产流程开设，主要有《冶金传输基础》、《材料成型原理》、《铸造合金及其熔炼》、《铸造工艺学》、《特种铸造》、《铸造模具设计》等。

二、CAE技术在铸造领域的应用

CAE，计算机辅助工程的简称，是利用计算机的数值计算技术对工程问题进行分析的技术，又称为数值模拟技术。目前CAE技术已经逐渐应用在制造业的各个领域，深刻地影响和改变着传统制造业的生产模式。

传统的铸件生产方式，主要是根据经验进行设计，然后试生产再反复的调整修改工艺方案，直到生产出合格的铸件。这种生产模式依靠技术人员的经验和不断的试错生产，新产品研发周期长、生产成本高、劳动强度高、生产效率低。

铸件生产的主要包括两个主要过程：金属液体流动充型过程和金属液体冷却凝固过程，其生产过程涉及流场、温度场、应力场等多物理量的耦合计算，是CAE技术中的难点。铸造CAE技术主要用来模拟铸件的生产的流动充型及冷却凝固，主要目的是预测冷隔、浇不足、夹砂等浇注充型缺陷以及缩松缩孔等冷凝缺陷，为制定合适的浇注工艺和设计合理的浇冒系统提供科学的依据。通过采用铸造CAE技术，可以将原先在生产车间进行的反复试错过程，转移到计算机上模拟进行，极大的缩短了研发周期，降低了研发成本。

早期CAE技术在在铸造领域的应用受限于算法及计算机运算能力，一直未得到推广应用。近些年，随着计算方法的成熟及计算机技术的飞速发展，CAE技术在铸造领域的应用不断的扩大和深入，已经逐渐成为铸件设计及生产中的核心技术手段和必备工具。能够熟练应用CAE技术的技术人员的缺乏已经严重制约了国内铸造行业的升级换代和转型发展。

铸造工艺CAE包含传热学、流体力学、材料力学、凝固理论、数值分析、图形学等多个学科门类，是材料成型领域的研究热点。目前国内主流的CAE铸造模拟软件软件有法国ESI公司的ProCAST，德国的MAGMA、韩国的Anycasting、华中科技大学的华铸CAE等。我校材料成型及控制工程专业根据周边企业的要求，结合专业发展的需要，购置了ESI公司的ProCAST，并将其大量应用在材料成型及控制工程专业的教学环节中。

三、CAE技术在课程体系中的应用

我校是一所应用型本科院校，培养的毕业生主要面向生产技术一线，应用型铸造CAE人才，首先必须懂铸造工艺，具备铸件制造的相关的理论知识和铸造模具设计加工的实践能力，然后才是CAE技术的掌握。对于铸造CAE技术的掌握主要体现在能够使用现有的成熟的铸造模拟软件解决具体的铸造生产中的工程问题，而不是研究CAE理论算法，开发新的CAE软件，即“重在应用，轻在理论”。这里的理论主要是指数值算法和计算机技术开发等与铸造生产直接关联度较低的理论。

（一）课程体系的安排

材料成型及控制工程专业的课程体系设置如下：一年级主要是通识平台课程，专业课程只有最基础的《机械制图》；二年级开始进行专业平台课程，如《冶金传输基础》、《材料成型原理》；三年级主要是专业方向模块课程，铸造方向的核心课程基本都在大三开设，如《铸造合金及其熔炼》、《铸造工艺学》、《特种铸造》、《铸造模具设计》、《模具制造技术》等；四年级的课程以实习、实训、综合演练等实践环节为主，辅以专业选修课，如《焊接技术基础》、《锻压技术基础》、《塑料模具设计》等。其中讲授CAE软件ProCAST使用的教学环节《铸造工艺CAE实训》在第六学期下半学期采用实训的方式，在计算机中心进行，并在大四的综合实训和毕业设计环节大量利用软件进行工程训练。

（二）CAE技术在理论教学中的应用

材料成型及控制工程专业的基础理论课程《冶金传输基础》、《材料成型原理》内容比较枯燥，但是在整个知识体系中地位非常重要。一些基本概念、基本规律对于刚接触专业课学习的学生来说，比较难以理解，容易产生学习倦怠。为了解决这个问题，教学过程中，使用铸造模拟软件，将死板的理论做成简单案例直观的展现给学生，使学生能够更好的掌握理论，并对软件的使用有个初步的理解。比如，影响金属材料流动性的因素，传统教学方式下，就是一条一条罗列哪些因素对螺旋线长度的有什么样的影响，学生只能死记硬背。同时，金属流动性测试的课程实验需要熔炼合金，危险性比较高，很难将所有的影响因素一一进行对比试验，只能是对几个简单因素进行对比，试验效果不佳。而采用铸造模拟软件进行演示，一方面非常直观，另外可以随意改变任何的影響因素，比较全面，这样可以提升学生的学习兴趣，更好的理解基础理论知识，为后续的专业方向课程学习打下扎实的基础。

（三）CAE技术在实践环节的应用

在全部专业方向课程完成的第六学期后期，开设《铸造工艺CAE实训》环节。看过大量专业方向课上的演示，学生已经对铸造模拟软件有了直观的印象和认知，直接在计算机中心开设实训，强化训练学生对于软件的使用。实训包括三部分内容：

（1）简单介绍CAE技术基础知识，让学生了解最基础的有限元法的思想和模拟计算的基本原理。

（2）讲解ProCAST软件的基本操作和使用，包括网格划分、边界条件设置、浇注条件设置、计算参数设置、数据后处理、撰写铸造工艺模拟报告等内容。该环节使用简单案例，采用边讲边练的方式进行，完成该环节后，学生能够独立使用软件进行简单模拟分析。

（3）实际铸造工艺的模拟。分別对重力铸造、压力铸造和熔模铸造三种南阳市常用的铸造方式生产的简单铸件，进行分析计算，讨论不同浇注条件、不同浇注系统设计对于铸件质量的影响，并撰写计算结果分析报告。

通过该实训环节的训练，学生已经掌握了基本的软件操作，具备解决简单铸造工程问题的能力。在大四的专业综合实训和毕业设计环节中，大量使用铸造模拟软件对于设计的铸件及铸造工艺进行分析，并根据对具体浇注过程和铸件质量的分析，修正计算参数，从而进一步提升铸造模拟软件的使用效果。

通过CAE技术在教学中的应用，提升了学生CAE技术的应用能力，为学生今后的职业发展打下了扎实的基础。

目前，国内铸造行业正处于整体行业转型发展的关键阶段，对应用型CAE人才的需求迫切，将CAE技术融入到材料成型及控制工程专业核心课程教学活动中，满足了企业的人才需求，有利于学生对于理论知识的融会贯通，又提升了实践设计水平，使其综合工程能力得到进一步的提升，获得良好的教学效果，是一种有效的应用型CAE人才的培养模式。

参考文献

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[3]秦升学，刘杰.提高材料成型专业本科生CAE技术应用能力的措施[J].科教导刊（中旬刊），2015，05：39-40.