本文摘要：摘要：數(shù)值仿真技術(shù)(CAE)借助于計算機強大的計算能力，匯集了數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等方向的研究成果，在工科專業(yè)的實踐教學(xué)方面具有很大的應(yīng)用潛力。文中以包裝工程專業(yè)課程《金屬包裝設(shè)計與制造》為例，將大型CAE軟件AnsysWorkbench引入到課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，開發(fā)
摘要：數(shù)值仿真技術(shù)(CAE)借助于計算機強大的計算能力，匯集了數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等方向的研究成果，在工科專業(yè)的實踐教學(xué)方面具有很大的應(yīng)用潛力。文中以包裝工程專業(yè)課程《金屬包裝設(shè)計與制造》為例，將大型CAE軟件AnsysWorkbench引入到課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，開發(fā)多個金屬包裝結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真實驗。實踐教學(xué)表明，仿真分析技術(shù)在《金屬包裝設(shè)計與制造》課程的融入充實了該課程的內(nèi)容，豐富了教學(xué)手段，提高了學(xué)生的工程實踐能力。
關(guān)鍵詞：新工科;數(shù)值仿真技術(shù);數(shù)值仿真實驗;包裝工程;金屬包裝
新工科的建設(shè)是為了應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，適應(yīng)新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展，以國家戰(zhàn)略導(dǎo)向為基礎(chǔ)，為培養(yǎng)新型工程科技人才而提出的工程教育改革新方向。2019年，教育部發(fā)布實施一流本科專業(yè)建設(shè)的通知，一些高校組織力量對專業(yè)改造升級的路徑、方案和實踐方面進(jìn)行了探索。包裝工程專業(yè)一流本科及新工科的建設(shè)更需要一系列先進(jìn)教學(xué)資源的支撐，需要從教學(xué)思想、教學(xué)理念到教學(xué)方法進(jìn)行一系列的改革、探索和實踐，將科技發(fā)展的新成果持續(xù)融入專業(yè)知識體系，不斷豐富專業(yè)內(nèi)涵，深化教學(xué)改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[1]。
金屬論文范例：金屬材料檢測中存在的問題及解決辦法
新工科建設(shè)既涉及到專業(yè)宏觀、總體、方向性的改革、探索和實踐，也涉及到課程層級的教學(xué)改革[2]�！督饘侔b設(shè)計與制造》課程是介紹金屬包裝制品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝過程的一門系統(tǒng)應(yīng)用型課程，是包裝工程專業(yè)的主干課程之一，在包裝高等教育體系中具有重要的作用[3]。金屬包裝容器是用金屬薄板制造的空間薄壁腔體結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于食品包裝、醫(yī)藥品包裝、日用品包裝、儀器儀表包裝、工業(yè)品包裝和軍品包裝。金屬包裝材料相比一般包裝材料具有更高的強度，且方便運輸，不易破損，款式多樣，印刷精美，是主流的包裝容器之一。
由于金屬材料強度大，金屬包裝容器制備和實驗對設(shè)備的投入大、危險性高，目前在包裝工程的專業(yè)教學(xué)體系中，國內(nèi)高校的《金屬包裝設(shè)計與制造》課程以理論授課為主，試驗課程很少開設(shè)，影響了學(xué)生對金屬包裝容器設(shè)計理論的理解，需要融入更先進(jìn)的教學(xué)資源和教學(xué)方法支撐理論教學(xué)[4]。
為促進(jìn)信息化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，以解決實踐教學(xué)資源不足的問題，教育部印發(fā)了開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知[5]。國內(nèi)外高校掀起了開發(fā)虛擬仿真教學(xué)項目的熱潮，解決了部分實踐教學(xué)資源不足的問題。虛擬仿真在各專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用有待持續(xù)的建設(shè)、改革和探索[6]。
目前數(shù)值仿真已經(jīng)成為與理論研究、實驗研究并稱的第三種科學(xué)研究手段。傳統(tǒng)的包裝工程專業(yè)教學(xué)體系基于理論教學(xué)加實驗、課程設(shè)計、實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其已不能滿足包裝行業(yè)新的發(fā)展需要，需要根據(jù)包裝工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、包裝行業(yè)的新需求和數(shù)值仿真分析技術(shù)特點，將仿真分析技術(shù)引入到包裝工程專業(yè)教學(xué)體系中，優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)體系，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系。仿真分析技術(shù)具備豐富的多物理場模擬分析功能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計功能，能夠?qū)Πb工程專業(yè)教學(xué)的多個環(huán)節(jié)進(jìn)行補強和增厚[7—8]。
1傳統(tǒng)《金屬包裝設(shè)計與制造》教學(xué)中存在的問題
《金屬包裝設(shè)計與制造》課程突出容器設(shè)計與制造相結(jié)合的主體思路，注重實踐性，由于金屬包裝容器實驗開設(shè)要求比較高，目前國內(nèi)高�！督饘侔b設(shè)計與制造》課程普遍存在以下問題。
1)實驗課開出率難以保證。在傳統(tǒng)的《金屬包裝設(shè)計與制造》課程教學(xué)體系中，教學(xué)內(nèi)容主要由理論教學(xué)、實驗教學(xué)構(gòu)成。實驗教學(xué)方面設(shè)計了金屬卷邊實驗和沖壓實驗，金屬卷邊實驗設(shè)備操作難度較大，設(shè)備維護(hù)要求比較高，該實驗很少能夠正常開設(shè)，2015—2016年作為演示性實驗開設(shè)的2年，由實驗教師做演示，學(xué)生記錄實驗過程、觀察工藝參數(shù)對卷邊結(jié)果的影響。沖壓實驗在操作過程中存在較高的危險性，經(jīng)過安全評估不建議在本科實驗室開設(shè)。
2)理論教學(xué)效果不夠理想。金屬包裝容器結(jié)構(gòu)及成型工藝復(fù)雜，其典型的結(jié)構(gòu)有波紋、膨脹圈、環(huán)筋、圓邊、穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，成型工藝有卷邊、輥筋、膨脹、沖壓、拉伸、縮頸等，知識點較多，采取傳統(tǒng)的理論教學(xué)方法，學(xué)生難以理解這些典型結(jié)構(gòu)對金屬包裝容器性能的影響，也不能夠觀察到典型加工工藝的作用，效果有待提高。如有些學(xué)生不理解金屬容器中的弧面結(jié)構(gòu)、箍筋結(jié)構(gòu)等是如何成型的，以及這些結(jié)構(gòu)對提高容器強度、減少材料使用方面的作用。
3)工程實踐性教學(xué)需要加強。金屬容器設(shè)計涉及到材料、結(jié)構(gòu)和實際使用過程中的載荷條件等因素，在流通過程中的載荷工況往往多種形式，有時甚至是多種載荷的耦合。如金屬桶在流通過程中既要承受橫向的沖擊載荷，也要承受頂部的堆碼載荷，在車輛運輸時既有垂直堆碼載荷也有橫向沖擊載荷。傳統(tǒng)的實驗往往只能施加1種載荷條件，多種載荷的耦合條件在一般的高校實驗室很難建立。
2《金屬包裝設(shè)計與制造》數(shù)值仿真教學(xué)資源建設(shè)CAE數(shù)值仿真平臺具有優(yōu)異的人機交互特點，具有強大的材料模擬能力，能夠形象逼真地模擬復(fù)雜的物理系統(tǒng)，便捷地對系統(tǒng)施加載荷及約束條件，利用計算機強大的計算能力進(jìn)行計算、分析，分析結(jié)果能夠以曲線、圖表、云圖、動畫的方式演示，也能夠借助多媒體手段進(jìn)行展示[9]。大型的CAE數(shù)值仿真平臺是數(shù)值分析技術(shù)與計算機、材料科學(xué)、力學(xué)及物理學(xué)等領(lǐng)域科研成果高度集成的結(jié)晶，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機械、建筑工程等領(lǐng)域[10]。將CAE數(shù)值仿真平臺強大的工程模擬及計算能力融入到包裝工程專業(yè)教學(xué)，是對包裝工程專業(yè)教學(xué)體系的優(yōu)化和升級。
2.1數(shù)值仿真教學(xué)資源的形式
AnsysWorkbench是最有代表性的大型的數(shù)值仿真平臺，利用該仿真平臺，能夠方便地建立復(fù)雜物理系統(tǒng)的虛擬仿真模型，并進(jìn)行實驗分析，其強大的協(xié)同仿真能力是傳統(tǒng)的虛擬仿真實驗無法比擬的。
數(shù)值仿真平臺用于包裝工程專業(yè)教學(xué)，需要結(jié)合專業(yè)及行業(yè)特點進(jìn)行二次開發(fā)，建立分析及評價體系。為配合《金屬包裝設(shè)計與制造》理論教學(xué)，湖南工業(yè)大學(xué)的《金屬包裝設(shè)計與制造》專業(yè)教師基于AnsysWorkbench數(shù)值仿真平臺，設(shè)計了多項金屬容器數(shù)值仿真實驗項目，內(nèi)容涉及易拉罐、金屬桶結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及金屬板擠壓成型、金屬板材彎曲成型、金屬容器抗壓性能實驗?zāi)M等。
其中關(guān)于易拉罐穹頂結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析、金屬桶箍筋結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析的具體實現(xiàn)方法和步驟在《包裝虛擬仿真》課程中，在《金屬包裝設(shè)計與制造》課程中描述了數(shù)值仿真思路和分析目的。金屬板擠壓成型、金屬板材彎曲成型、金屬容器抗壓性能實驗?zāi)M等數(shù)值仿真分析實驗作為學(xué)生的課外拓展學(xué)習(xí)資源。通過建設(shè)線上線下課程，數(shù)值仿真教學(xué)資源以視頻、PPT、電子教材、指導(dǎo)書等多種形式提供�！督饘侔b設(shè)計與制造》數(shù)值仿真教學(xué)，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道，拓展了學(xué)習(xí)的時間和空間，教學(xué)效果顯著提升。
2.2數(shù)值仿真實驗思路
《金屬容器設(shè)計與制造》數(shù)值仿真實驗項目的主要包括材料參數(shù)的確定、幾何模型的建立、數(shù)值模型的生成、載荷及約束條件的施加、求解及分析結(jié)果提取等。
完成這個數(shù)值仿真分析過程，相當(dāng)于對該課程進(jìn)行工程實訓(xùn)，也是對專業(yè)課程知識的一次系統(tǒng)性的應(yīng)用和梳理，涉及到的專業(yè)知識包括包裝材料學(xué)、包裝CAD、工程力學(xué)、包裝虛擬仿真課程等�；诖笮蛿�(shù)值仿真平臺開發(fā)的虛擬仿真實驗項目不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)項目所需的功能，加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解，更有助于學(xué)生開展探究性、創(chuàng)新性研究，使學(xué)生掌握了先進(jìn)的工程設(shè)計和分析技術(shù)，為其畢業(yè)后迅速融入行業(yè)及企業(yè)提供助力。
3數(shù)值仿真分析教學(xué)案例
易拉罐穹底結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真實驗設(shè)計的工程背景：易拉罐穹底結(jié)構(gòu)主要為了保證擺放時的穩(wěn)定性，穹底結(jié)構(gòu)使易拉罐的加工更為復(fù)雜，很多學(xué)生并不理解穹底與平底結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)定性的作用。課程組教師基于AnsysWorkbench設(shè)計了易拉罐數(shù)值仿真實驗。易拉罐底部設(shè)計成穹底結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)計成平底結(jié)構(gòu)，易拉罐頂蓋厚度為0.38mm，罐體及罐底厚度為0.21mm。分析易拉罐承受內(nèi)壓能力為0.15MPa的情況下罐體底部及頂蓋結(jié)構(gòu)的變形情況。數(shù)值仿真實驗分析過程如下。
1)確定材料模型。易拉罐為鋁合金材料，在內(nèi)部0.15MPa壓力下易拉罐的變形屬于小變形，用線彈性材料模型，彈性模量68GPa，泊松比為0.35。如果模擬易拉罐成型過程，要選擇非線性材料模型。
2)選擇分析單元。易拉罐為空間薄壁結(jié)構(gòu)，數(shù)值仿真分析時選擇SHELL181單元進(jìn)行模擬。由于易拉罐的罐蓋與罐身、罐底厚度不同，需要分別設(shè)置不同的厚度參數(shù)。
3)建立易拉罐幾何模型。
4)劃分單元。將材料屬性與單元屬性賦值給三維實體模型，執(zhí)行單元劃分，得到易拉罐的有限元模型。
6)施加載荷及約束。模型施加0.15MPa的內(nèi)部壓力。
7)選擇分析類型進(jìn)行計算。選擇靜力分析類型，執(zhí)行計算。
8)分析結(jié)果提取�；跀�(shù)值分析軟件能夠提取豐富的計算結(jié)果，包括應(yīng)力、應(yīng)變、變形等云圖，某點或路徑的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)變化過程曲線，全部或局部模型的動態(tài)變形過程等。結(jié)果表明，在0.15MPa內(nèi)部壓力下，罐底中部相對于罐底邊緣的變形量為0.627mm，罐底仍然保持比較好的內(nèi)凹形態(tài)，保證放置時穩(wěn)定性。罐蓋中部相對于罐蓋邊緣部位的變形量為4.146mm，罐蓋變形量遠(yuǎn)大于罐底，穹底結(jié)構(gòu)的耐壓能力遠(yuǎn)大于平底結(jié)構(gòu)。
4結(jié)語
數(shù)值仿真實驗的互動性提高了學(xué)生的在學(xué)習(xí)過程的參與程度，從過程到結(jié)果的展現(xiàn)都更加形象、生動。數(shù)值仿真分析技術(shù)引入到《金屬包裝設(shè)計與制造》課程教學(xué)，豐富和充實了課程的教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容，取得了比較好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力。通過幾年的教學(xué)實踐與探索，數(shù)值仿真分析技術(shù)在我校包裝工程專業(yè)的教學(xué)中初見成效。
近些年湖南工業(yè)大學(xué)培養(yǎng)了很多具備數(shù)值仿真技術(shù)專長的包裝工程專業(yè)本科生或研究生，其在耐帆、美盈森、東京控股、國光電器、湘潭電機物流有限公司等物流包裝龍頭企業(yè)成為了技術(shù)骨干。目前，一些包裝企業(yè)已提出了對掌握仿真分析技術(shù)方面畢業(yè)生的崗位需求，并對這些崗位給予了高于傳統(tǒng)崗位的薪金待遇和發(fā)展機遇。仿真分析技術(shù)在包裝工程課程教學(xué)中的融入提高了包裝工程專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，拓寬了包裝工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)途徑，提高了包裝工程專業(yè)的競爭力和就業(yè)質(zhì)量。
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作者：滑廣軍，吳若梅，蔣海云，于文喜
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