提高材料成型专业本科生CAE技术应用能力的措施
摘 要 文章在分析山东科技大学材料成型及控制工程专业CAE（计算机辅助工程）教学与本科毕业设计应用的现状与存在的问题基础上，提出了通过改革授课和考核方式来加强本科生对CAE技术的学习措施，并通过提高CAE技术在材料成型及控制专业本科毕业设计中的比重与考核力度，来提高毕业生应用CAE技术的解决工程问题的能力。
关键词 CAE技术 毕业设计 教学改革 材料成型
The Study on Measures to Improve the CAE Application ability of the Undergraduates of Material Forming Specialty
QIN Shengxue， LIU Jie
（College of Mechanical and Electrical Engineering，
Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590）
Abstract Based on analysis of the CAE （computer aided engineering） application status and problems in the teaching and graduation project for undergraduates of material forming specialty， the reform measures of teaching and testing of CAE course is proposed in this paper. The ability of solve engineering problem of the graduates could be also improved by improving the application proportion and strengthening the check system in the graduation project.
Key words CAE; graduation project; teaching reformation; material forming
材料成型及控制工程专业涉及材料科学、成型工艺与自动控制技术的综合与交叉，要求毕业生具有材料成型加工基础理论与应用能力，并且随着计算机技术和有限元理论的发展，CAE技术对与材料成型行业的作用越来越重要，已经成为材料成型从业高等技术人员必备的技能之一。目前，山东科技大学材料成型及控制工程专业设模具方向，包括金属塑性成形及模具设计和塑料成型及模具设计，该方向更注重工程实践能力的培养，并对学生解决实际工程问题能力提出了更高的要求。
本文从CAE在材料成型与控制工程专业毕业设计中的应用现状入手，对金属塑性成形 CAE和注塑成形CAE 教学与毕业设计改革进行了探索。
1 CAE技术在我校材料成型及控制工程专业学习中的应用现状
模具优化设计与CAD/CAM/CAE一体化技术是模具数字化制造设计核心技术之一，①尤其是三维设计和计算机仿真模拟分析技术，这项技术虽在国内已有不同程度应用，但仍处于较低水平。目前在模具领域应用较多的世界著名CAE软件有MOLDFLOW、DYNAFORM、AUTOFORM、POLYFLOW和DEFORM等，同时也是山东科技大学材料成型及控制工程专业学习中可以接触到商业软件。②
金属塑性成形加工过程中加载条件与变形过程异常复杂，传统分析方法已经证明不能适应现代工业发展的需要。 随着计算机技术与有限元理论的发展，采用计算机数值模拟技术可以解决经验设计无法解决的问题。了解金属塑性变形的各种常量的变化历程，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，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。我校在金属板料冲压技术和体积成形中主要选用DYNAFORM和DEFORM软件进行教学。在板料成形数值模拟分析 CAE 技术教学过程中，以DYNAFORM为主重点介绍汽车覆盖件的拉深成形数值模拟，在 Deform数值模拟 CAE 成形教学过程中，重点讲授模锻成形和挤压成形。
塑料模CAE技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学和计算机图形学等基本理论，建立塑料成型过程的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析，使对塑料成型过程的认识从宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态，为优化模具设计和控制产品成型过程以获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段。本专业塑料模具课程以注塑和挤出工艺与模具设计为主，其中注射成型部分以MOLDFLOW软件为主，挤出工艺部分以Ployflow软件为主。
目前，本专业在本科教学阶段CAE教学中突出有限元求解的基本思想、基本原理、基本步骤、基本方法的学习，让学生在理解有限元求解问题的本质的基础上学习相关的有限元软件，通过实训掌握简单的工程问题求解过程和方法，为独立应用软件分析问题打下基础。③但从最终在毕业设计中CAE分析应用的情况来看，可以熟练应用以及解决问题的同学还占少数，如何加强本科阶段对CAE技术的学习，尤其是通过毕业设计这个实践性更强的过程更好地掌握CAE技术的应用，成为一个亟需解决的问题。
2 加强学生毕业设计中CAE应用能力的措施
2.1 改进授课方式加强学生CAE分析技术的学习 采用分散课时授课方法。对于本科生，通过毕业设计锻炼CAE技术应用能力并发挥其优势离不开前期的课程学习。目前材料成型及控制工程专业CAE技术教学安排方面除了有限元理论基础知识外，还开设有专业CAE软件课程，但课程内容通常由授课教师自己掌握，造成出现只偏向一种软件的现象，如侧重研究注塑成型方向的教师一般只讲授polyflow或modflow软件，而侧重金属塑性加工方向的教师则可能只讲授金属板料成形和体积成形CAE分析软件。由于专业CAE软件只安排一个学期的课程，就造成一届学生只能学习运用一种软件，无法实现在专业领域通才教育的目的，毕业生在职场中的竞争力下降。针对这种情况，本文作者提出了专业CAE分析技术分散教学的方法，将CAE课程课时分配到各个专业课程中，在专业课程授课过程及课程设计中穿插讲授CAE软件，从应用方法到案例分析与应用，让学生在专业知识学习过程中体验先进CAE方法，又为毕业设计中CAE技术的应用打下基础。
在CAE技术授课过程采用有限元理论与软件操作并重的讲解方式。由于本科阶段教育，CAE技术的掌握要求相对不高，课时安排受到限制，因此需要在比较少的时间内讲解尽可能多的知识。在实际教学中，一些教师往往把重点仅仅放在软件操作上而忽略有限元理论讲解，使得学生操作时只能靠机械记忆，无法与所学过的理论知识融会贯通，不利于学生对软件的更深一步理解。所以在教学中应该采用有限元理论与软件操作并重方式教学，教师可以建议学生去看一些书籍、论文，争取学生在毕业设计结束后，能够独立地完成类似的题目以及难度更高的题目，同时具备一定的理论自学能力与较强的软件操作能力。
2.2 从课程设计开始注重CAE分析软件的应用
软件的学习往往在应用中会更容易掌握，尤其对固有的流程、方法与技巧而言，必须经过实际操作才能得心应手。目前在材料成型及控制工程专业课程设计中，往往只注重利用手册与公式计算来设计模具，并不强调CAE技术的应用，只是把CAE技术的应用放到毕业设计环节来实现，那么大部分同学会因为基本功能操作的生疏，而对软件的应用失去兴趣与耐心，很难达到CAE分析所验证设计方案可行性并指导优化设计的效果。因此在培养方案中可注明将CAE分析加入到课程设计中，从专业课程学习伊始就注重CAE分析的应用。如在课程设计中提出CAE分析应用的建议并给出应用方法与流程，但不作为必须考核内容，而作为额外加分的评估条件，以引导学生提高对CAE技术应用的积极性。
2.3 增加CAE分析在毕业设计中指导与考核比重
CAE技术在以冲压模具和塑料模具为课题的毕业设计中有着重要的作用，可以有效减少设计过程中设计―修正―再设计的循环次数，使初始设计达到或者逼近合用的结果，这在实践中具有重要意义。在毕业设计中严格控制毕业生设计进度，在完成初步模具设计三维造型后，统一进入CAE分析阶段，模具结构实现设计―分析―优化―再设计修改的循环的设计过程。采用集中时段进行CAE分析模式的好处还在于便于集中指导。另外在本专业毕业设计改革阶段，尝试实行了小组制，将同一分析类型的学生分为若干组，如注塑模具组与冲压模具组，每一组中分配至少一名能够熟练运用CAE分析技术的学生，实现互助促进的模式。④
在毕业设计考核过程中，既重视设计说明书中CAE分析内容与结果的正确性与对模具设计的指导性，又注重学生在答辩过程中对CAE技术的理解与应用方法掌握情况，防止发生抄袭或他人代工的现象。
3 总结
CAE分析在材料成型及控制工程专业中的作用是不容忽视的，采用分散课时以及改进授课方法和考核方式，可有效提高本科生CAE技术应用能力，充分利用课程设计与毕业设计的实践机会，为毕业后工作中熟练应用CAE技术打下基础。
注释
④ 梁冬玲，邵新妍，周佳，朱士江.关于专业选修课程考核方式的探索[J].科技创新导报， 2009.35：97.