复合材料干压成型虚拟仿真实验的创新与实践

李明亮，王海亮，宋 博，卢红霞

（1.郑州大学材料科学与工程学院 河南 郑州 450001；2.郑州大学关键金属河南实验室 河南 郑州 450001)

1 虚拟仿真实验的背景及意义

近年来，随着多种专业认证的推动，许多高校积极推动自身发展，不断完善培养模式，优化课程内容，加强教师队伍建设，完善质量控制机制以及实验条件建设，以期更好地激发学生的创造性、探索性和能动性，从而更好地满足社会发展的需求。郑州大学材料科学与工程专业的“综合实验”课程是一项实践性极强、具有研究设计性的综合实验课程。“复合材料干压成型实验”是“综合实验”的重要组成部分，陶瓷/金属复合材料是材料领域研究与应用的重点，坯体成型的质量直接影响复合材料后续的烧结工艺和材料的最终性能。在当前复合材料干压成型的教学和实验过程中，由于仪器设备成本高、占用空间大、实验设备数量有限不能满足实训要求；实验采用纳米原料，有一定的粉尘污染，加之实验设备零件较复杂、成型压力大、装模、施压、保压与脱模等过程均有一定的危险性；另外，坯体成型过程中的致密机理难以直观体现，影响了学生实验学习的效率和效果[1]。

当今信息技术飞速发展，信息技术应用遍及社会生活的方方面面。高校使用3D 建模、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，以“理、虚、实”一体化的方式，构建虚拟仿真软件及云平台。利用其生动、立体、逼真的表现形式，学生可随时随地进行复合材料干压成型虚拟仿真实验，最大限度地发挥虚拟资源的技术优势，提高实验教学效果，降低实验教学成本和风险，开展绿色实验教学。

2 “复合材料干压成型虚拟仿真实验”设计与实验

2.1 实验原理

干压成型是指陶瓷、粉末冶金及复合材料生产中较常用的一种坯体成型方法，也是材料制备的重要环节之一，干压成型质量直接影响后续的烧结工艺和材料性能。其原理如下：首先，把适量黏合剂混合到复杂的颗粒物中，然后将混合好的颗粒放入专门的压铸模具；随着颗粒不断地运动，它们之间的距离越来越近并彼此紧贴；经过精准施压与颗粒移动，这些材料的截面和模具的截面完全吻合，而其中的空隙也被有效地排除，使得材料的密实性大大增加，并达到较好的强度[2]。影响干压成型性能的因素除粉体性能之外，还包括压制方式、压制压力和压制时间等。

采用虚拟压片机仿真软件系统，可为理论课程和实践操作提供一个桥梁，从而更好地将两者结合，让学生可更好地掌握复合粉体的干压成型技术，深入研究压力的变化，比如压力的大小、粉体的密度、压缩的速度与压缩的持续时长等，掌握粉体的压缩特性，并准确估测粉体的压缩压力[3]。虚拟压片机仿真软件系统可实时模拟粉体与模具的受力情况以及气孔率、体积密度等性能指数并以可视化图像呈现，学生能更为直观地观察到复合粉体干压成型的变化过程。通过引入虚拟复合材料成型虚拟仿真系统，能有效解决理论教学与实验实践训练难以融合的问题，学生可以通过网络平台进行虚拟仿真实验预约，虚拟仿真实验实训和考核，提交实验报告等。

2.2 知识点

复合粉体造粒工艺对粉体流动性的影响规律。造粒工艺是干压成型的先行工艺，是将磨细的粉料，经过干燥、加胶黏剂（PVA、石蜡、酒精或水），制成流动性好、粒径约为0.1—1mm 的颗粒。造粒后粉体质量直接影响成型工艺及坯体性能，实验中要掌握胶黏剂含量、蒸馏水添加量、胶黏剂与纳米粉体的混合过程以及过筛造粒等工艺因素对粉体颗粒大小及流动性的影响。

成型压力对坯体性能的影响规律。干压成型过程包括升压、保压和泄压三个过程。在坯体的截面面积和形状保持不变的情况下，随着压力的增加，坯体的结构也会变得更加紧密，但如果压力过大，就会使样品出现分层，从而影响成型的效果。

升压速度对坯体性能的影响规律。如果干压成型的压力控制不当，就可能会导致坯体出现分层、表面紧密而内部松软，甚至产生气泡等缺陷。因此，压模的下落速度应该适当放慢，避免压力过大，以免影响坯体的完整性。

保压时间对坯体性能的影响规律。为使坯体内压力传递充分，压坯中密度分布均匀，以及更多气体沿缝隙排出，必须要有足够的保压时间。若保压时间太短，可能会造成压力没能达到预期的程度，从而影响气体的流动，产生分层和气泡的问题。因此，正确的保压时长是至关重要的，它可以帮助确保压坯的质量，从而获得良好的结果。然而，如果压力维持的时间太久，被压缩的物料会因为释放压力而反弹，导致其破碎。

脱模的过程与方法。掌握脱模的方法和脱模后坯体自模具上取出的方法，以免造成坯体损坏。

2.3 核心要素仿真设计

运用信息技术和网络平台进行复合材料虚拟仿真实验，这样就能更好地模拟真实的实验过程，并且能够更准确地反映出实验的目的、原理、操作环境以及互动体验。

压机是此仿真实验中最为关键的仪器，其结构包括手轮、丝杠、螺母、立柱、顶盖、大油缸、大板、油池、工作空间、压力表、手动压把、柱塞泵、注油孔螺钉、限位螺钉、吸油阀、出油阀等，其功能实现主要表现为拧紧丝杠和注油孔螺钉后，上下按压手动压把，油缸内油位上升，工作空间缩小，模具受到上下挤压的力，压力从模具上下压头传至内部粉体，并在粉体内部继续传播，使得颗粒与颗粒之间紧密接触，气孔被排出，松散的粉体被压制成为具有一定致密度的坯体。在仿真系统中，通过3D 建模以及逻辑搭建，可将压机在使用过程中各部分结构之间的联动进行可视化展示，真实地还原压机的操作过程。

2.4 实验教学特色

实景模拟式实验设计。本虚拟仿真实验运用信息技术带来新的教学理念，采用“实景模拟式”方案设计，兼顾培养学生能力、提升实践教学效果等多元化目标[4]。利用研究式的实验设计，使学生对复合材料成型过程中可能出现的缺陷，如分层、空隙、应力梯度与变形等问题进行预测，从而为优化复合材料结构、调整工艺参数、模具及原料选择提供依据。本虚拟仿真教学将学生置于核心地位，加强实验过程的可靠性研究，并采取多种措施来保障学生的安全，实现高效的实验实践过程，从而实现绿色教学。为此，我们特别设计了12 个学生自由操作的交互性实验步骤，如造粒、设置压机参数、压片机的拆卸等。

虚实结合的教学方法。复合材料模拟仿真实验项目通过数学模型、工艺仿真、材料工艺方案及参数设计、仿真结果分析等环节，在3D 场景下完成复合材料干压成型虚拟实验预习、参数设计、材料成型、数据处理以及实验报告。这款虚拟仿真实验软件拥有多种功能，包括自主学习、教师指导、预习、实验和考核，可以在多种设备上使用，还提供了在线答疑服务。

科学合理的评价体系。采用综合过程和结果的评价体系，过程评价包括了实验操作过程和学生讨论，结果评价包括对实验结果的分析和总结。通过这一评估体系，可以更好地培养学生的综合素质和实验技能，并且可以根据学生和教师的反馈，不断完善和优化教学评估机制。

2.5 系统架构图及简要说明

通过B/S 架构，三维虚拟仿真实验系统可以在网络实验中心管理系统平台上运行，并且可以根据真实的实验环境，利用Maya 和3DMax 软件对实验室进行三维建模，从而更好地模拟实际情况。系统采用数据层、支撑层、仿真层、应用层等四层架构实现运行。

数据层：数据层收集和存储着实验中的所有建模数据、虚拟组件、用户基本信息、参数、拟合方程、结果和实验数据等。

支撑层：支撑层是基于网络的实验管理平台，可以确保实验正常运行，同时，还可以有效地管理用户、实验过程、数据和报告，从而为实验提供全面的支持。

仿真层：仿真层主要是根据真实实验场景进行建模，还原实验本身，并且在实验过程中，可以通过调整参数来探究不同的影响，从而大大提高实验的深度和广度。

应用层：具有广泛的拓展性，可以满足多终端不同用户的需要。

3 考核要求

实验结果与结论形式包括实验报告与心得体会两部分。实验报告内容包括实验目的、原理、设备、原料，并且详细记录实验过程中各个环节的操作细节以及相关的工艺参数。心得体会内容包括学生在实验时对工艺流程的思考与感受，总结归纳出此类工艺的优缺点及影响干压成型坯体质量的因素并深入讨论。

为保证教学质量，本虚拟仿真实验项目采取过程考核的方式，每一步操作都进行记录赋分，并在总成绩评估中占一定的比例。实验过程中会有知识点的提醒和选择题目，同样作为过程考核成绩的一部分。根据最终的实验报告进一步考核学生对基础知识、实验操作的掌握，并对实验结果的优劣进行评估。基于课堂知识的基础和前沿学术的延伸，让学生在本虚拟仿真项目中能够进一步提升综合能力，促使基础课、实验课和仿真课高度融合、前后贯通[5]。

3.1 对学生的考核要求

全面考核学生的专业理论水平、文献阅读与综述能力、实验操作技能、数据分析能力和工程实践能力等多种技能，考核涵盖实验过程评定和实验结果评定两部分。过程评定主要考核学生的基本学习能力、资料搜集能力、参与度，以及分析能力、沟通能力、协作能力、观察能力及创新意识等；结果评定考核学生资料分析方法的科学性与严密性、理论基础掌握程度、实验报告格式规范性、操作规范与反应能力、解决问题的能力等。并通过反馈和纠错机制，不断提高学生实验实践、工程应用及创新能力。

3.2 考核成绩构成

实验预习（20%），考核内容包括上网检索与综述文献、学习虚拟仿真实验、撰写预习报告和完成预习效果测试；实验过程（50%），考核内容包括工艺参数选择、实验操作熟练程度及实验过程调整能力等；实验报告（30%）,包括数据处理、结果分析讨论及实验总结等。

4 面向高校、社会的教学推广应用与持续服务计划

通过采用举办会议论坛、交流访问等形式，与兄弟院校进行项目建设思路、经验和成果的资源共享，建立具有通用性、集成性和实用性的虚拟仿真实验教学项目。通过配套信息化、网络化软硬平台，不断更新软件版本，构建跨越式共享平台，面向社会的推广与服务计划在项目实施第三年启动。在积累一定经验、虚拟仿真实验平台功能比较健全之后，可向有需求的企业及个人定制提供有偿服务，所得收入用于平台系统的维护及进一步完善。

5 结语

目前，项目所建设的平台已有能力承担郑州大学材料科学与工程专业学生的实验教学任务，并可支持其他材料类专业的实践教学，这一切均得益于该项目建立的网络化实验教学与实验管理信息平台，为学生提供了一个完善的实验实践环境。项目已建成较为完善的组织机构和管理体系，组建了较为稳定的教学服务团队，依托郑州大学材料科学与工程一流学科建设，与更多高校的合作及推广应用前景十分广阔。该项目后续将继续申请河南省材料学虚拟仿真实验中心课程群项目，将依托省级虚拟仿真实验教学中心平台，为全国各大院系及研究机构提供全面的技术支持，以满足各界不断变化的需求。