CAE仿真技术培训的实践探索

鲁建峰 吴垠舟 张璐

摘 要：计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术作为一种可以直观解决各类工程技术问题的工具，能够弥补使用者在理论知识上的不足，具备很大的推广价值。本文以杭州萧山技师学院为例，阐述了如何通过开设仿真课程、举办技能竞赛、借助项目研发开展CAE技术培训，以期为CAE技术在技工院校中的培训推广提供参考。

关键词：CAE技术    课程培训    竞赛培训

随着工业信息化的不断发展，各装备制造企业在解决工程问题的方法上发生了翻天覆地的变化。在数字技术出现以前，企业在解决材料力学、流体力学等学科中的一些复杂工程问题时，往往需要通过手工计算或者实验的手段来完成。这些方法不但耗费大量时间和金钱，而且有时难以达到解决问题的目的。但随着计算机技术的发展，基于数字仿真的CAE技术快速发展起来，它不但能很好地解决上述问题，而且由于其具有直观、操作简单等优点而逐步替代了传统的手工操作。近年来，随着人工智能、数字孪生等技术的发展，数字仿真的CAE技术的应用更加广泛。作为新时代的机械行业技术人员，若不懂CAE技术，将难以适应产业发展的需要。鉴于CAE技术的重要性，杭州萧山技师学院（以下简称学院）近年来在机械专业课程体系中加入了CAE技术培训课程。与此同时，学院借助各类技能大赛及机械设备研发项目平台，探索技术培训的其他有效途径，取得了良好的效果。

一、数字化背景下技工院校学生的学习困境

（一）基础薄弱，理论学习效果有限

技工院校机械专业学生最大的弱项就是数学、物理等学科基础比较薄弱，这导致他们在学习很多专业课程时难以跟上教师的节奏，更不用说将理论知识用于实践了。尽管很多教师尝试利用微课等信息化手段增强教学效果，但依然收效甚微。

（二）仿真技术培训缺失，在技能大赛中表现不佳

近年来，互联网、大数据、云计算、人工智能等数字技术快速发展。在很多新兴职业技能比赛中，越来越多地强调仿真等信息化手段的应用。然而在这一背景下，很多技工院校并没有做好充足准备，竞赛训练内容仍然以传统技术为主，很多选手由于没有接受过仿真技术培训而参赛结果不理想。

（三）设备研发实践面临技术困境，技术创新举步维艰

在设备研发实践中，尽管学生在创意上能够有许多奇思妙想，但由于他们没有掌握数字化工具的应用技术，常常导致设备研发陷入困境，技术创新举步维艰。因此，只有借助机械设备研发项目实战进行CAE技术培训，通过与企业合作以及参加各类创新创业大赛，才能提高学生项目研发能力和技术创新水平。

二、CAE技术的培训途径

（一）通过开设仿真课程进行CAE技术培训

常规课堂教学覆盖了所有机械专业学生，是学院仿真技术培训的主要途径。CAE技术虽然大大简化了数学计算的过程，但是仍然要求学生具备一定的力学基础和机械设计知识，故CAE技术培训课程需要安排在高年级段（高级工第四年或技师段），即学生学习过工程力学和机械设计基础之后。

在明确授课对象后，为了避免高等教育CAE技术教学过于强调理论而忽视实战，课题组教师针对技工院校学生特点及机械设计、工程力学中常见的案例情形，与企业专家一起制定了仿真教学的典型任务模块。所有培训模块均采取真实机械設计案例，同时融入书本理论知识，在课程设计上强调以实用性为主。上课以上机操作的形式完成，软件采用比较容易上手的SolidWorks Simulation和Motion，学生需根据案例的要求在教师引导下完成软件操作。在确定了典型任务模块后，将典型任务模块应用于实际教学培训活动，将仿真实践课程安排在CAD建模课程之后，作为CAD设计的补充延伸。

将CAE技术应用于教学是一种新的尝试，无论是学生还是教师，都需要摆脱以往传统教学方法的桎梏，在实践中敢于创新、总结、调整。部分最初确定的典型任务模块在实际教学过程中仍存在很多问题，如难度过高、部分模块实际使用频率较低等，这就要求参与教学的教师不断在实践中调整教学内容和方法。通过一个学期完整的CAE技术模块训练，学生可以掌握CAE技术的基本操作方法和工作原理，为下一步在机械设备研发实战中的应用奠定基础。

（二）通过技能竞赛进行CAE技术培训

随着科技的发展，越来越多新开设的技能竞赛项目都融入了数字与信息技术，CAE仿真技术成为很多新兴技术的基础。以中华人民共和国第一届职业技能大赛为例，CAD机械设计和增材制造赛项中的仿真动画制作及拓扑优化等技术均涉及CAE的内容。所以，通过竞赛前的技能培训推广CAE技术，达到以赛促教的目的也是本项目的重点方向之一，这样做不但能锻炼选手对于技术的理解和应用能力，而且如果选手在比赛中获奖更能在广大师生中起到榜样示范作用。

为了达到以赛促教的目的，课题组采用了“344”方案，即针对3种不同竞赛学生群体和竞赛阶段，采用4种教学手段，以达到4种预期目标。其中，举办校内竞赛是学院培养CAE技术人才的独特手段。以2020年学院与企业联合举办的数字技能挑战赛为例，在设计竞赛内容时，学院教师有意引入CAE技术内容，并抓住这一契机，积极开展线上培训，帮助学生学习软件操作。最终，仅该项竞赛就有上百人参加了线上培训，并有数十人参与了最终的竞赛，在校内起到了很好的推广示范作用。

（三）借助机械设备研发项目实战进行CAE技术培训

CAE作为一种实践性很强的技术，学生只有通过创新创业比赛及技师研修等环节中的设备研发实战才能真正掌握。而作为一个技术大类，CAE技术有很多不同的应用方向，教师不可能让学生精通所有方向，所以实战培训的重点是引导学生在遇到一些典型工程问题时能够通过CAE技术来解决。

1.利用CAE技术可以解决零件强度、变形等静应力分析问题

学生在机械设备研发过程中，零件的强度和变形问题是必须要考虑的，然而由于工程问题的复杂性，再加上技工院校学生的理论基础普遍比较薄弱，此类问题往往难以解决，学生只能依靠经验或者估算法来对零件强度或变形量进行评估，难以获得精确数据，导致学生设计的作品存在笨重或强度不够等问题。

因此，教师应当在学生进行零部件设计时，引导学生使用CAE中的静应力分析技术，帮助他们设计出保证强度又尽量轻便的零件。

2.利用CAE技术可以解决电机选型、速度计算等问题

在产品研发环节，各零部件的运行速度、相互作用力是十分重要的参数，这些参数直接影响电机和其他重要零部件的选型。然而对于很多机械设备来说，它们的构造较为复杂，且运动状态是实时变化的，想要精确计算十分困难。

针对这类问题，引导学生利用CAE技术中的动力学分析是比较合理的手段。学生在完成机构的建模装配后，仅需赋予质量属性、电机转速等基本物理参数，之后软件会自动计算出各构件的速度、相互作用力乃至电机功率等参数。相较于传统手段，应用CAE中的动力学分析方法大大简化了设计难度，基础普遍薄弱的技工院校学生在经过系统培训后也能掌握。

3.利用CAE技术可以解决传热、流体分析等其他工程问题

在各类企业项目中往往会遇到管道、压力容器等设备中的流体问题，或者散热器设计中传热等其他工程问题，此类问题属于机械与其他学科的交叉问题，往往比较复杂，但是对于一些典型性问题，目前用CAE技术已经能比较方便地进行处理。实践表明，经过教师指导，学生能够利用CAE技术完成此类简单工程问题的分析计算。

三、CAE技术培训成果

（一）提高理论教学效率，实现理实一体

在学院引入CAE技术仿真课程培训后，机械设计基础、工程力学等传统理论课也实现了理实一体。通过一年的跟踪调查，笔者发现，学生利用仿真工具求解相同工程问题的分数高于传统理论求解方法，平均分数提高12～16分，同时由于仿真工具提高了理论知识点的直观性，对理论教学也起到了促进作用。

（二）竞赛成果丰硕，实现以赛促教

赛前系统的CAE技术培训，帮助学院学生在全国各类技能大赛中取得了良好成绩，更有学生在中华人民共和国第一届职业技能大赛中获得全国技术能手称号，在广大师生中形成了良好的宣传效应。此外，学院借助各类竞赛平台，通过开展赛前培训，一年内实现了对上百名学生的CAE技术培训，达到了以赛促教的最终目的。

（三）融入设备研发，创造实用价值

借助创新创业、技师研修平台中的机械设备研发项目，锻炼和提高了学生利用CAE技术解决工程问题的实战能力。通过近两年的跟踪调查发现，CAE技术使学生在设备研发上的成功率得以提高，很多难以处理的技术难题也得以攻破，为企业创造了實用价值。

四、小结

CAE技术因其直观、便捷等特点，对于解决复杂工程问题具有独特优势，新时代的数字工匠有必要了解与应用CAE技术。然而对于技工院校的师生来说，CAE仍然是一种新兴技术，如何在技工院校中进行推广是当前亟待解决的问题。在技工院校中推广CAE技术，要走和普通高校不同的道路，强调实用性和工程实践项目相结合，以做促学，充分发挥CAE技术的优势，这样才能收到良好效果。

参考文献：

[1]季维英，楚焱芳.CAE仿真技术在工程力学教学中的应用[J].内燃机与配件，2020（1）.

[2]周强，熊拥军，闫小青. CAE 软件在力学课程教学中的应用研究[J].教育现代化，2018，5（41）.

（作者单位：杭州萧山技师学院）