控制工程CAE模块化教学革新范文

材料成型及控制工程专业是教育部1998年进行高等学校本科专业调整时设立的一个本科专业，该专业涵盖铸造、锻造、冲压、焊接、塑料等材料成形技术领域。重庆西永电子工业园和重庆两江新区鱼嘴汽车城的建立，不仅大大推动了重庆汽车产业的发展，还将推动电子信息产业技术的蓬勃发展。目前汽车和摩托车产业为重庆市的第一支柱产业，而汽车、摩托车90%左右的零部件由材料成型及控制工程专业技术直接制造。电子信息产业的电子封装材料、笔记本外壳、电子产品附件等也大部分与材料成型及控制工程专业材料成形技术密切相关，将需要大批该专业的技术人才。重庆理工大学的“模具设计与制造专业”始建于1990年，1999年根据教育部的要求更名为“材料成型及控制工程专业”，2002年材料成型与控制工程专业成为学校的品牌专业，2004年材料加工学科被评为重庆市重点学科，2005年成为学校的品牌专业，2007年成为重庆市特色专业，2009年被评为部级特色专业。经过20多年的发展，本专业已在材料精密成形技术上形成了自己的优势和特色，并在模块化教学方面取得了较好的效果。本文以重庆理工大学部级特色专业材料成型与控制工程专业计算机辅助工程（CAE）模块化教学为例，对金属液态成形工艺CAE、金属塑性成形CAE、焊接成形CAE和注塑成形CAE模块化教学改革进行了探索。

一、CAE模块化教学改革的意义

模具在飞机、汽车、摩托车、工程机械、机床、兵器、仪器仪表、轻工、日用五金等制造业中起着极其重要的作用。模具是实现这些行业的钣金件、压铸件、铸件、锻件、注塑件等生产的重要工艺设备。目前一个国家的模具技术发展水平已成为其制造水平的重要标志。从上世纪80年代以来，我国模具行业取得迅猛发展。目前，中国的模具工业制造总量已经位于全球第三，仅次于美国和日本，然而并非模具制造强国，许多高端模具（如高端轿车覆盖件模具）等依然靠进口解决。模具制造技术水平地域差距比较明显，沿海的技术水平和自动化水平比内地高，如与内地相比，广东东莞和江苏昆山的模具制造水平和设计水平以及自动化程度相对高一些。

传统的模具开发和制造过程中，主要是根据经验的积累和不断反复的试模和返修，直到做出合格产品。通过这种依靠经验和不断反复试模和修模的模具生产周期长、人工成本高、生产效率低下。目前，许多企业侧重于采用UG、Pro/E、Catia、Solidedge、Solidworks等三维CAD/CAM软件进行模具辅助设计和制造（如重庆长安汽车集团公司普遍采用UG和Catia三维造型软件进行模具设计与制造），对CAE二次开发的要求不高，有些企业甚至根本没有进行CAE二次开发。随着计算机技术的迅速发展和数学模型的不断更新和完善，作为材料成形工艺分析和模具设计的辅助工具的CAE技术越来越受到企业和研究人员的重视。在模具制造之前通过采用CAE数值模拟仿真技术将材料成型过程中的动态变化和可能产生的缺陷显示出来，然后再进行优化获得最佳工艺方案和工艺参数，从而可以提高模具设计水平、缩短模具制造周期、进而降低模具生产成本。尽管模具CAE技术在国外已经普遍使用，然而我国还缺乏熟练应用模具CAE技术的专业人才。作为培养模具设计与制造高级人才高校的材料成型及控制工程专业应与时俱进、大力开展模具CAE技术课程的教学，探索模具CAE创新人才的培养，以满足社会对创新模具人才不断增加的需要。

二、CAE模块化教学改革的安排

金属材料成形工艺过程复杂，生产周期长，影响因素多，质量难以控制。进入20世纪80年代以来，随着计算机模拟技术水平的迅速发展和新的数学模型和各种判据的不断建立，使得模拟计算结果不断接近于实际结果，从而使解决这些长期阻碍铸造、锻造、冲压和注塑等生产发展的问题成为现实。液态成形是将液化的金属或合金在重力或其它力的作用下注入铸型的型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相似的铸件的一种成形方法，这种方法通常又称为铸造（Foundry）。它是一个质量不变的过程，其基本过程是熔炼（Melting）、浇注（Pouring）和凝固（Solidification）。传统的铸件生产只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，只能做定性分析和需要反复试制才能确定工艺。要精确地分析温度场、流场、浓度场和应力场等的计算，只能通过计算机采用金属液态成形CAE进行数值模拟。目前，常用的液态成形CAE铸造模拟分析软件主要有美国ESI公司的Procast、美国的Flow-3D、德国的MAGMA、韩国的Anycasting、日本的Stefan、华中科大开发的华铸CAE等软件。由于重庆渝江压铸集团有限公司和重庆长安汽车集团有限公司主要采用Anycasting铸造模拟分析软件进行CAE分析，结合我校材料成型控制工程专业铸造方向的需要，购买了Anycasting铸造模拟分析软件。在铸造CAE课程的教学过程中，重点讲授与重庆实际生产中应用比较多的砂型铸造、压铸和重力铸造数值模拟分析模块，而对熔模铸造、离心铸造和陶瓷型铸造等模块的数值模拟仅作简单介绍。与此同时，结合摩托车端盖进行压铸CAE成形案例分析。

金属塑性成形是金属与合金在外力作用下产生塑性变形的过程。金属塑性成形主要包括锻造、冲压和挤压变形等。金属塑性成形加工过程中外加载荷、加载速度、约束条件、加载方式、温度场、接触摩擦条件、几何形状和组织形貌等的变化相当复杂，难以进行精确的预测。在过去相当长的一段时间内，金属塑性成形完全依靠经验。21世纪信息时代的到来，通过采用计算机进行数值模拟技术可以回答经验设计无法回答的问题，了解金属塑性变形的全过程，如金属成形过程中各阶段材料填充模具的情况、材料变形趋势、材料内部的应力、应变等。这对塑性成形工艺设计、模具设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有重大的现实意义。我们根据材料成型及控制工程专业锻造和冲压方向的设置分别购买了Deform3D体积成形数值模拟分析软件，Dynaform板料成形数值模拟分析软件和板料网格分析系统软件。在Deform数值模拟CAE成形模块教学过程中，重点讲授模锻成形和挤压成形，并结合重庆建设工业集团有限公司和重庆五九所的产品进行CAE分析对比。在板料成形数值模拟分析CAE模块教学过程中，重点介绍汽车覆盖件的拉深成形数值模拟，并以重庆大江集团的覆盖件为实例进行分析。针对科研助手和研究生，我们再开设板料网格分析系统软件的教学，从而使分析与研究更加深入。

焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法，其实质是用加热或加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。焊接方法主要有三大类：熔化焊、压力焊及钎焊等。由于焊接具有冶金温度高、反应剧烈、焊接熔池小、冷却速度快、各种冶金反应难以达到平衡状态、焊接热影响区各点的受热温度不同、焊缝中化学成分不均匀等特点，因此控制影响焊接质量的因素很多，难以控制，需要通过采用焊接过程CAE计算机辅助设计才能实现焊接过程的全面控制。目前我校杜长华教授在电子焊料产学研方面的研究具有相当的优势和特色，并获得了中国专利优秀奖。目前我校没有购买专用的数值模拟分析软件，焊接成形CAE模块的教学主要采用大型通用有限元分析软件Ansys或者Abaqus进行电子束等焊接模拟的教学与科研，尚有待进一步发展。随着机械、电子、家电、日用五金等工业产品塑料化趋势的不断增强，以及塑料、橡胶制品的广泛应用与发展，对塑料、橡胶制品的成形技术的发展与其模具在数量、品质、精度和复杂程度等方面都提出了更高的要求。电子信息产业在不久的将来将成为重庆第一支柱产业，塑料产品将越来越多，将需要更多的技术人员。注塑成形是指将原材料加热融化后由高压射入模腔，经冷却固化后，得到具有一定形状和尺寸的成形品的方法。注塑成型主要包括合模、注射、保压、冷却、开模、制品取出6个阶段，影响因素复杂。我校材料成型及控制工程专业在2006年开设了高分子材料科学及技术方向，目前已将该方向单独成立了一个专业以适应重庆市经济技术发展的需要。注塑成形CAE模块教学过程中，重点介绍汽车内饰件的CAE模拟仿真。如黄虹教授通过Molflow模拟分析软件对汽车保险杠横梁的注塑件进行了数值模拟，并以此对学生进行案例教学与分析，效果良好。

三、CAE模块化教学师资队伍的培养

高水平的师资队伍是材料成型及控制工程专业CAE模块化教学成功最重要的保证，因此引进和培养创新型的模块化教学的师资队伍尤其重要。为此，该专业主要采取了以下措施：

（1）根据专业发展需要，发挥年轻博士的数值模拟学习与分析能力较强的优势，引进年轻的优秀博士。如通过本专业在近年来分别从重庆大学引进了从事板料冲压成形CAE数值模拟的李小平博士、从中国科学院金属研究所引进了从事铸造成形CAE数值模拟分析的周志明博士、从哈尔滨工业大学引进了焊接成形的许惠斌博士、从四川大学引进了从事注塑成形的李又兵博士等。

（2）青年教师进修制。如分别送培从事Deform数值模拟分析CAE的胡建军和从事挤压成形CAE的胡红军到重庆大学攻读博士。

（3）以科研项目为纽带，科研产品案例化。将教师的科研项目及CAE数值模拟分析结果做成案例，用于课堂教学，既提高了学生的学习兴趣，又培养了学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。

（4）实行企业优秀CAE工程师聘任制。如本专业定期聘请长安集团模具公司的资深模具工程师钱云忠高级工程师给学生讲汽车覆盖件冲压成形CAE的数值模拟分析和长安发动机研究所的卿辉斌副所长讲授发动机压铸成形Anycasting数值模拟分析，让学生能分享到企业的最新技术和相关的专业知识，并有利于培养学生解决实际问题能力和提高创新能力。

四、结语

CAE数值模拟技术是人类社会科技进步的一种标志，是现代企业先进设计必备的方法之一。以现代计算机分析为手段的材料成型及控制工程专业CAE数值模拟技术的应用，有利于发挥设计人员的创造性、缩短模具设计周期和减少材料成形缺陷，从而提高产品的质量和设计、大大提高了生产效率。作为培养创新人才的材料成型及控制工程专业的教师，应该大力加强材料成形CAE技术相关课程的教学改革，不断提高教学水平和教学效果，充分激发学生学习的主动性和积极性，培养具有较强科学探索精神和创新设计意识的适应时展需要的高级人才。