金屬材料工程多尺度數值模擬課程淺析

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摘要：針對材料工程專業學位研究生金屬材料工程多尺度數值模擬課程內容和特點，提出課程教學案例庫的建設意義、原則和方案。基于案例選擇的真實性、典型性、客觀性、時效性和創新性原則，選擇了來源于科研項目和工程實踐的10個案例。結合“5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝”教學案例，分析了案例設計中應包含的案例背景、主要內容、知識拓展等組成要素。金屬材料工程多尺度數值模擬案例庫建設可為材料工程領域專業學位研究生其它課程案例庫建設提供有益的參考。

關鍵詞：案例庫；專業學位研究生；金屬材料工程；多尺度數值模擬

2020年9月，教育部、國家發展改革委和財政部聯合印發《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》，要求執行與本單位辦學定位及特色相一致的專業學位培養及授予質量標準，努力提高專業學位研究生的培養質量[1-3]。案例教學是專業學位研究生培養過程中的主要教學方法之一，是以實踐應用中的典型案例為素材，經過研究加工，通過情景模擬、現場體驗、角色扮演、交流討論等手段，鍛煉學生實踐動手能力和發現、分析、解決實際問題的能力[4，-5]。加強案例教學，有利于強化專業學位研究生實踐應用能力培養，有助于推進以培養實踐應用能力為重點的培養模式創新。金屬材料工程多尺度數值模擬是針對材料工程專業學位研究生開設的一門專業課，重點培養利用數值模擬手段解決復雜工程問題的實踐能力及綜合素質，滿足企業對熟練掌握材料加工數值模擬手段的專業學位研究生的迫切需求。

一、案例庫建設意義

目前，國際先進材料加工技術的發展更傾向于利用虛擬的“設計-制造-驗證”一體化環境，將真實的設計、制造、材料、驗證、應用乃至維修和全生命周期管理等諸多環節統一起來，最大限度地縮短新產品研發周期，降低研發成本，提高產品市場競爭力。在這個過程中，數值模擬技術已成為創新設計、數字化設計和材料制造技術的要素之一。數值模擬分析作為一種輔助科學研究手段和工程結構分析設計方法，在材料成分的設計、力學性能分析、模具結構優化、成形過程模擬、焊接模擬、多物理場模擬等領域都有廣泛應用。數值模擬具有方便快捷、節省資源、多物理場景真實再現等優點，可實現常規實驗無法實現的復雜工程分析及易于得到常規實驗難以得到的數據規律，是對材料工程專業學位研究生進行工程案例實踐教學的新思路。對于大部分企業及科研院所，幾乎所有復雜零件熱加工工藝的設計及工藝參數優化均依賴于數值模擬技術。為了加強專業學位研究生實踐技能，滿足企業對復雜零件熱加工數值模擬技術的需求，在專業學位研究生的培養過程中，強化借助數值模擬技術進行工藝設計和優化的能力非常必要。高質量的教學案例是有效開展案例教學的基礎和保證。合理地將數值模擬方面的工程案例應用于金屬材料工程多尺度數值模擬課堂教學，可進一步提高教學質量。在課堂教學中，借助工程案例的數值模擬、多媒體、情景模擬、工程優化等先進手段，讓學生參與交流、討論，可最大限度提高學生的學習興趣，掌握更多的知識點，拓寬學習思路，激發學習主動性和創造力，切實保證專業學位研究生復合型、應用型人才培養目標的實現。

二、案例庫建設原則

（一）真實性

案例素材來自于課題組的研究成果及合作企業一線生產現場（如山東博特精工股份有限公司、山東蒙凌工程機械股份有限公司、叢林集團有限公司、山東光岳轉向節有限責任公司、青島海信模具有限公司、青島北海船舶重工有限責任公司等），不涉及保密或知識產權方面問題。在案例庫中，講解與相關案例結合度較高、學生以前沒有學習過的理論知識，以案例帶動學生學習新的理論和知識，拓展學生的知識面。

（二）典型性

案例內容涵蓋了鍛壓、鑄造、熱處理、焊接、擠壓等熱加工工藝，基本包含了所有典型常用材料熱加工方法。選擇的零件也是具有一定難度的復雜零件，如高檔數控機床用精密滾珠絲杠、高速列車用復雜鋁型材、汽車輕量化用高強度熱沖壓零件等。所選零件在材料加工領域中均具有一定的代表性，能夠讓學生體會到所學理論知識在生產實踐中的應用，以及對相關零件工藝設計的指導作用。

（三）客觀性

所有案例以典型產品在生產過程中存在問題或易出現的問題為導向，以數值模擬技術為手段，基于數值模擬得到的各物理場量，結合學生以前學習的理論知識分析問題或缺陷的產生原因。借助工程案例的數值模擬、多媒體、工程優化等先進手段，讓學生充分交流討論，針對相應產品在生產過程中的問題或缺陷提出方法或設計具體的方案。

（四）時效性

所選案例均為課題組在國家重大項目或企業委托項目的資助下完成的，而且多個案例內容屬于國家倡導發展的共性技術。例如，高檔機床功能部件表面處理技術、高光綠色注塑工藝及模具等，符合生產實際，滿足未來發展需求，案例技術能在今后較長的一段時間內廣泛使用。

（五）創新性

所選案例技術和內容均具有一定創新性，有一些技術屬于國際領先或國際先進水平的原創技術，獲得了國家科技進步獎或通過了國家科技部組織的專家驗收。例如，高速列車用復雜鋁型材擠壓技術、快速熱循環高光注塑技術和模具分別獲得了國家科技進步二等獎；利用課題組研制的表面處理技術生產的精密絲杠和精密齒輪的總體性能指標達到或超過了歐美、日本同類產品的先進水平，相關技術通過了國家科技部組織“十二五”科技重大專項驗收。在課堂教學過程中，選擇的所有案例均需要學生參與廣泛和深入討論，讓學生針對問題結合所學理論和知識提出問題的解決方案，給學生充分思考的空間，啟發獨立解決復雜工程問題的能力和興趣。

三、案例庫建設方案

（一）案例庫構成

金屬材料工程多尺度數值模擬教學案例庫所選擇的案例涵蓋了典型零件的塑性成形、鑄造、熱處理等熱加工工藝及典型材料計算設計。主要包括以下10個案例：卡車車橋鑄造工藝（宏觀尺度）、高速列車CL-SFE10-004鋁型材擠壓工藝分析（宏觀尺度）、汽車轉向節鍛造工藝分析（宏觀尺度）、快速熱循環高光注塑工藝及模具失效分析（宏觀尺度）、5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝（微觀尺度）、汽車鏈輪感應淬火工藝設計（微觀尺度）、高強度鋼加熱過程的奧氏體化相變動力學（微觀尺度）、鋼的晶粒長大及再結晶模擬（微觀尺度）、立方碳化物彈性性能的第一性原理計算（電子尺度）、TiO2電子結構的第一性原理計算（電子尺度）、TiC/Ti復合材料摩擦磨損行為的分子動力學模擬（原子尺度）。

（二）案例構架及特點

以產品生產過程中存在問題或易出現的關鍵問題為導向，以數值模擬技術為手段，通過建立相關模型，基于數值模擬得到各相關參變量、各物理場量的等值線圖、等色云圖、動態視頻、曲線等數據資料，讓學生結合以前學習的理論知識分析問題或缺陷的產生原因，并針對相應問題或缺陷提出解決方法。講解與相關案例結合度較高的、學生以前沒有學習過的理論知識，以案例帶動學生學習新的理論知識，拓展知識面，進一步提高解決復雜實際問題的能力。所選案例均為課題組在國家級項目或企業委托項目資助下完成的，基于計算機仿真模擬得到相應熱加工工藝較佳的工藝參數，消除或避免問題及缺陷的產生，注重案例的時效性和實用性，可提高學生參與案例的積極性、主動性。注意教學方式的多樣化，充分利用多媒體和數值模擬技術，多角度展示案例，包含學生參與設計、討論和辯論等環節，增強教學案例的趣味性，提高學生的學習興趣。基于案例，以更直觀、更清楚、更生動的形式展示所學理論知識在生產實踐中的應用，以及所學理論知識對生產實踐所起到的重要指導作用，讓學生在案例學習過程中體會理論與實踐的結合。

（三）案例要素設計

教學案例庫中每個案例都是相對完整的內容，主要包括以下幾個要素：標題、教學目的與用途、案例背景、主題內容、知識拓展、分析與討論等。下面以案例庫中“5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝”為例進行介紹。

1.教學目的與用途

通過該案例教學和學習，使學生將以前學習的材料科學基礎、固態相變原理、熱處理工藝與設備、零件失效分析等課程的部分內容串聯在一起，以更直觀、更清楚、更生動的形式展示所學理論知識在材料原始組織設計、熱處理工藝參數設計及優化、感應器結構設計及優化中的應用，以及所學理論知識對生產實踐所起到的重要指導作用。

2.案例背景

國產高速、精密滾珠絲杠的可靠性差、精度不高、發展滯后等問題，成為制約精密、高速數控機床發展的瓶頸。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》把“高檔數控機床與基礎制造裝備”列為重大專項，重點研發精密、高速數控裝備和數控系統。發展精密、高速數控裝備離不開精密滾珠絲杠等關鍵功能部件。針對國產精密絲杠存在的淬火硬度梯度不合理、溝道底部淬硬層淺、淬火畸變程度過大以及裂紋等問題，課題組在國家科技重大專項的資助下，對精密絲杠原材料的原始組織、預先熱處理工藝、感應淬火工藝進行了優化，制訂了滾珠絲杠熱處理工藝規范及實施精確熱處理工藝的措施。

3.主題內容以實物相片、金相照片、高分辨圖片等形式展現精密滾珠絲杠在生產過程中出現的淬硬層分布不均、淬火開裂、晶粒粗大、磨削開裂、疲勞失效等問題。以實物相片、金相照片、高分辨圖片、摩擦磨損形貌等形式，對比工藝優化前國產絲杠與德國、日本等國家或地區所生產絲杠性能的區別。結合工藝模擬仿真得到的數據曲線、物理場量的等值線或等色云圖、物理場量的動態視頻等形式，分析淬硬層分布不均、淬火開裂、晶粒粗大、磨削開裂、疲勞失效等問題產生的原因。基于響應曲面方法對絲杠感應淬火工藝進行多參數的優化，設計多匝感應器，并進行絲杠生產。測試工藝優化后絲杠的組織、硬度、強度、摩擦磨損等性能，并與德國、日本和我國臺灣地區生產的絲杠性能進行對比。

4.知識拓展

除了主題內容，還包含了知識拓展部分。知識拓展部分的內容可根課程學時、學生知識面、學生專業背景和課題方向等方面選擇講解部分或全部內容。該案例中知識拓展包括拉格朗日有限元方法的基本理論、“電-磁-熱-機-相變”多物理場量有限元建模方法、奧氏體相變動力學模型及模型參數的確定方法、基于MSC-Marc軟件的奧氏體化和相變用戶子程序的開發等理論性和實用性更強的內容。案例中的知識拓展對于本科生和研究生其他課程的學習也有一定的幫助，如材料熱力學和動力學是一門理論性強、比較抽象的課程，通過這個案例可以使學生直觀了解熱力學和動力學理論在材料熱處理方面的應用，學習如何確定非等溫相變Johnson-Mehl-Avrami方程的動力學參數[6]，拓展在奧氏體化相變動力學和熱力學方面的知識。

作者:李輝平  賀連芳 李志超 單位:山東科技大學 材料科學與工程學院