基于有限元虚拟仿真技术的焊接实训教学的研究与探索

朱玉斌，于如信，郎超男，杨东

（江苏师范大学，江苏徐州 221116）

目前全球制造工业技术正处于一个快速发展的阶段，而焊接工艺技术在与之相关行业中的应用也变得越来越普遍，甚至在现代高科技的工业产品领域，也是十分需要前沿、先进的焊接工艺技术作支撑，才能完成高科技产品的设计制造。同时，焊接工艺技术具有制造成本较低、且连接相当可靠等鲜明优点。

高校的焊接实训教学模式的探索是寻找实现学校、企业、行业共赢的新模式，探索高效、实用的实训教学模式，为社会培养高质量的技能型人才。但是目前的焊接实训还存在一些问题，除了有些高校存在周期短、教学设备不足的问题以外，在一些高校的实训教学里，还一直沿用传统且单一的教学模式，学生在整个教学过程中缺乏学习兴趣且对于动手操作较排斥。因此，部分高校的焊接实训教学质量偏低。

1 有限元虚拟仿真技术简介

利用有限元虚拟仿真软件进行焊接实训，结合先“虚拟仿真”后“焊接实操”的教学流程，能够提高学生的实际操作与应用能力。 我们所利用的焊接有限元软件其实是将微分方程等数学知识利用在焊接领域，将影响整个焊接加工过程的因素都转变为函数中的变量，通过各种算法建立起符合焊接工艺特征的微分方程，并且把焊接的实际条件，比如初始温度、焊接路径等，作为微分方程的初始值进行方程的求解[1]。

在进行焊接实训教学课程中，我们指导学生进行仿真模拟操作练习时，在课程时间紧张的时候，不需要解释有限元虚拟仿真技术。 进行焊接模拟所使用的技术，类似于一个“黑箱子”，实训学生在使用模拟软件的时候，不需要了解这个神秘的“黑箱子”的原理，只需要知道焊接过程的工艺参数，比如初始温度、固定点及焊接速度等一系列参数即可。

基于有限元虚拟仿真技术的焊接实训教学，遵循着“理论先行”“注重教学实践”的思想，着重改善实训教学效果，力争通过提前所设计的研究路径，真正将虚拟仿真技术应用到焊接实训教学上。如图1所示，为基于有限元虚拟仿真技术的虚实结合的焊接实训教学探索研究的路径图。 在进行虚拟实训中，从理论讲解开始，进而过渡到教师虚拟演示、学生虚拟操作。 在后续的实训教学中，希望学生能够体验到多种焊接方法及焊接工作环境，让学生能掌握基本的焊接操作，保证焊接的效果符合考核要求。 这样的虚实结合教学模式的重点是虚拟实训与实际实训两部分不再是各自独立的两部分，而是相互关联、有着密切联系的两部分。 如图1所示，虚拟实训的小结部分，不仅仅是一段实训课程的总结，更是奠定了实际实训的基础，在实际实训课程的开始端，教师的职责在于将基础理论迁移到焊接技能，以便学生更好地掌握焊接技能。 同样，在实际实训中，肯定会有学生因对基础概念的理解不透彻导致操作有问题，因此，当学生在进行实际实训中，需要辅助虚拟训练，进行补偿性教学。

图1 虚实结合的焊接实训教学研究路径

2 基于有限元虚拟仿真技术的焊接实训教学优势

2.1 强化焊接教学中的理论知识

我们想要在焊接实训教学中去更好地提高教学效果，就必须完善传统的教学模式，在现有教学模式的基础上添加虚拟仿真训练，然后设计出更能够激发学生学习兴趣的虚实结合的焊接实训教学模式。 我们希望摸索全新的“虚实一体”教学模式，能够为当前高校的工程训练实训教学提供一些思路。

在传统的实训教学过程中，教师会忽略学生的理论基础，将侧重点放在实操上，而忽略基础理论对于实操的影响。而在学生进行虚拟操作中，可以将侧重点先放在焊接理论知识，继而慢慢地熟悉焊接操作。 因此，在“虚实一体”的教学模式中，能够解决的问题就是在实际教学中的理论指导不足。

从上述的现状分析以及大量高校的实训教学效果来看，虚拟仿真实验及真实实验两者各有利弊，两者的优势是彼此不能替代的。正因为如此，我们在传统的教学模式中采取两者优势互补的方式，从虚拟实验和真实实验有机结合的角度去思考和探究实训教学[2]。

2.2 有效解决焊接工艺种类较少的问题

在目前比较传统的高校焊接实训教学课程里面，焊条电弧焊这一焊接工艺实训课程是焊接工艺大类中最重要也是最基础的方法之一。 通过焊条电弧焊的焊接过程使学生尽快了解焊接过程，感受焊接工艺工作环境及掌握一些基本的焊接实训操作与安全规程。

焊接种类相当多，包括了熔焊、钎焊还有压焊这三大类焊接方法，而每一类里也是包含着很多种类的焊接方法，而仅仅开展焊条电弧焊课程不足以让学生对整个焊接工艺有足够的了解。 基于有限元虚拟仿真技术的“虚实结合”焊接实训教学模式在一定程度上可以很好地弥补高校焊接实训工种不足的问题。

2.3 提升学生学习效果

对于高校实训学生，想要使其焊接操作达到一定的熟练程度，必须先通过虚拟仿真的实验条件进行反复的操作练习，这样既可以消除学生的陌生感，又可以使学生更深刻地理解焊接概念。 而且使用有限元虚拟仿真软件进行教学，在形式上会吸引学生的注意力，引发学生的好奇心。在教学内容上，利用虚拟仿真技术进行基础知识的讲授，以一种更具感知的方式去强化概念，让学生更容易理解。

2.4 减少学生实训安全事故

把基于有限元虚拟仿真技术引入焊接实训教学模式，尤其在学生的焊接初学阶段，这样的课程安排最重要的效果之一就是避免实训学生因操作的不熟练从而造成的人员伤害。其次，此课程安排还能够减少学生在初学过程中对加工耗材的浪费[3]。

3 基于有限元虚拟仿真技术的焊接实训教学实践

3.1 设计完整焊接实训教学计划

完整的焊接实训教学计划，必须坚持“学生为主体，教师为主导”的原则，基本流程是熟悉焊接环境—任务设置—虚拟仿真实训—真实实训—总结反馈，而且每一个步骤都必须以学生为中心，尤其在任务设置阶段及仿真实训阶段，必须将焊接的种类、工艺参数以及焊接接头等基础概念完整地展示给学生，让其感性认识焊接过程[4]。

3.2 选取合适的班级进行教学研究

在进行后期班级教学效果比较的环节上，为了确保得到的结果不受其他外在因素的影响，因此在选择班级上至少要选择两个以上专业相近、 水平相当的班级作为比较对象[5]。在我校进行焊接实训教学模式研究与探索中，因工程实训中心是一个校级平台，面对的是机电学院、 中俄学院以及物电学院等不同专业不同水平的班级。因此，要确定水平及专业相当的研究对象进行比较，这对研究结果有着重要的影响。

3.3 进行合理的焊接实训教学评价

焊接实训教学评价以“虚实一体”教学模式中的实训教学目标为标准，按一定的规则对实训教学效果做出描述和确定，以此监督和服务教学活动[6]。 进行焊接实训评价，得进行多维度评价，其中一个评价维度包括对焊接概念的掌握，对焊接过程应力场、温度场变化规律的自主发现。同时，另外一个评价维度则是针对学生对焊接技术的掌握，包括焊接线路的直线度、焊接件的平整度以及焊接变形量。焊接实训教学评价必须从以教师为中心转为以学生为中心，从关注学生简单的焊接操作转变为关注学生的焊接试验设计等自主能力。

3.4 教学实施案例

对于焊接实习，最基本的就是先让学生熟悉手工电弧焊。 在进行焊接实习时，首先通过焊接模拟软件，根据焊接工艺向导（Welding Advisor）设置各项工艺参数，如焊接电流、焊接电压及焊接速度等，这样可以帮助学生更好地理解焊接过程中的概念，比如热影响区，母材及焊接参数等基本概念。当完成工艺参数设置后，系统根据参数进行焊接模拟，并可以重现整个焊接过程，如图2所示。 在图2中，右上角的104 表示的含义是整个焊接过程维持了104s，前面的52 表示的是此图是焊接过程中52s 的瞬间温度场。 不仅如此，从图2中还可以清晰地看到在第52s 的最高温度及最低温度以及他们在工件的位置。当模拟完成后，有限元虚拟仿真技术还会生成温度场变化的视频，让学生更好地理解整个焊接过程的温度变化。

图2 焊接过程的实时温度场变化

4 结语

焊接技术对技术人员要求极高，同时技术人员只有经过大量的实践积累，才能够对技术应用得心应手。

（1）利用有限元虚拟仿真技术可以让学生进行各种各样的焊接模拟实验，使其充分了解焊接参数对焊接的影响。

（2）实施虚实结合的焊接实训课程，也必须兼顾现实条件，制定符合学生现实情况的教学计划。

（3）根据学生的接受程度，动态去调整教学计划。只有这样，学生才能更好地掌握焊接理论知识，熟练掌握焊接基本操作，为其以后的工作打下一个良好的基础。