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材料成型及控制工程專業是教育部1998年進行高等學校本科專業調整時設立的一個本科專業，該專業涵蓋鑄造、鍛造、沖壓、焊接、塑料等材料成形技術領域。重慶西永電子工業園和重慶兩江新區魚嘴汽車城的建立，不僅大大推動了重慶汽車產業的發展，還將推動電子信息產業技術的蓬勃發展。目前汽車和摩托車產業為重慶市的第一支柱產業，而汽車、摩托車90%左右的零部件由材料成型及控制工程專業技術直接制造。電子信息產業的電子封裝材料、筆記本外殼、電子產品附件等也大部分與材料成型及控制工程專業材料成形技術密切相關，將需要大批該專業的技術人才。重慶理工大學的“模具設計與制造專業”始建于1990年，1999年根據教育部的要求更名為“材料成型及控制工程專業”，2002年材料成型與控制工程專業成為學校的品牌專業，2004年材料加工學科被評為重慶市重點學科，2005年成為學校的品牌專業，2007年成為重慶市特色專業，2009年被評為國家級特色專業。經過20多年的發展，本專業已在材料精密成形技術上形成了自己的優勢和特色，并在模塊化教學方面取得了較好的效果。本文以重慶理工大學國家級特色專業材料成型與控制工程專業計算機輔助工程（cae）模塊化教學為例，對金屬液態成形工藝CAE、金屬塑性成形CAE、焊接成形CAE和注塑成形CAE模塊化教學改革進行了探索。

一、CAE模塊化教學改革的意義

模具在飛機、汽車、摩托車、工程機械、機床、兵器、儀器儀表、輕工、日用五金等制造業中起著極其重要的作用。模具是實現這些行業的鈑金件、壓鑄件、鑄件、鍛件、注塑件等生產的重要工藝設備。目前一個國家的模具技術發展水平已成為其制造水平的重要標志。從上世紀80年代以來，我國模具行業取得迅猛發展。目前，中國的模具工業制造總量已經位于全球第三，僅次于美國和日本，然而并非模具制造強國，許多高端模具（如高端轎車覆蓋件模具）等依然靠進口解決。模具制造技術水平地域差距比較明顯，沿海的技術水平和自動化水平比內地高，如與內地相比，廣東東莞和江蘇昆山的模具制造水平和設計水平以及自動化程度相對高一些。

傳統的模具開發和制造過程中，主要是根據經驗的積累和不斷反復的試模和返修，直到做出合格產品。通過這種依靠經驗和不斷反復試模和修模的模具生產周期長、人工成本高、生產效率低下。目前，許多企業側重于采用UG、Pro/E、Catia、Solidedge、Solidworks等三維CAD/CAM軟件進行模具輔助設計和制造（如重慶長安汽車集團公司普遍采用UG和Catia三維造型軟件進行模具設計與制造），對CAE二次開發的要求不高，有些企業甚至根本沒有進行CAE二次開發。隨著計算機技術的迅速發展和數學模型的不斷更新和完善，作為材料成形工藝分析和模具設計的輔助工具的CAE技術越來越受到企業和研究人員的重視。在模具制造之前通過采用CAE數值模擬仿真技術將材料成型過程中的動態變化和可能產生的缺陷顯示出來，然后再進行優化獲得最佳工藝方案和工藝參數，從而可以提高模具設計水平、縮短模具制造周期、進而降低模具生產成本。盡管模具CAE技術在國外已經普遍使用，然而我國還缺乏熟練應用模具CAE技術的專業人才。作為培養模具設計與制造高級人才高校的材料成型及控制工程專業應與時俱進、大力開展模具CAE技術課程的教學，探索模具CAE創新人才的培養，以滿足社會對創新模具人才不斷增加的需要。

二、CAE模塊化教學改革的安排

金屬材料成形工藝過程復雜，生產周期長，影響因素多，質量難以控制。進入20世紀80年代以來，隨著計算機模擬技術水平的迅速發展和新的數學模型和各種判據的不斷建立，使得模擬計算結果不斷接近于實際結果，從而使解決這些長期阻礙鑄造、鍛造、沖壓和注塑等生產發展的問題成為現實。液態成形是將液化的金屬或合金在重力或其它力的作用下注入鑄型的型腔中，待其冷卻凝固后獲得與型腔形狀相似的鑄件的一種成形方法，這種方法通常又稱為鑄造（Foundry）。它是一個質量不變的過程，其基本過程是熔煉（Melting）、澆注（Pouring）和凝固（Solidification）。傳統的鑄件生產只能對鑄件的形成過程進行粗糙的基于經驗和一般理論基礎上的控制，只能做定性分析和需要反復試制才能確定工藝。要精確地分析溫度場、流場、濃度場和應力場等的計算，只能通過計算機采用金屬液態成形CAE進行數值模擬。目前，常用的液態成形CAE鑄造模擬分析軟件主要有美國ESI公司的Procast、美國的Flow-3D、德國的MAGMA、韓國的Anycasting、日本的Stefan、華中科大開發的華鑄CAE等軟件。由于重慶渝江壓鑄集團有限公司和重慶長安汽車集團有限公司主要采用Anycasting鑄造模擬分析軟件進行CAE分析，結合我校材料成型控制工程專業鑄造方向的需要，購買了Anycasting鑄造模擬分析軟件。在鑄造CAE課程的教學過程中，重點講授與重慶實際生產中應用比較多的砂型鑄造、壓鑄和重力鑄造數值模擬分析模塊，而對熔模鑄造、離心鑄造和陶瓷型鑄造等模塊的數值模擬僅作簡單介紹。與此同時，結合摩托車端蓋進行壓鑄CAE成形案例分析。

金屬塑性成形是金屬與合金在外力作用下產生塑性變形的過程。金屬塑性成形主要包括鍛造、沖壓和擠壓變形等。金屬塑性成形加工過程中外加載荷、加載速度、約束條件、加載方式、溫度場、接觸摩擦條件、幾何形狀和組織形貌等的變化相當復雜，難以進行精確的預測。在過去相當長的一段時間內，金屬塑性成形完全依靠經驗。21世紀信息時代的到來，通過采用計算機進行數值模擬技術可以回答經驗設計無法回答的問題，了解金屬塑性變形的全過程，如金屬成形過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢、材料內部的應力、應變等。這對塑性成形工藝設計、模具設計、壓力機的選擇以及成形質量的控制等具有重大的現實意義。我們根據材料成型及控制工程專業鍛造和沖壓方向的設置分別購買了Deform3D體積成形數值模擬分析軟件，Dynaform板料成形數值模擬分析軟件和板料網格分析系統軟件。在Deform數值模擬CAE成形模塊教學過程中，重點講授模鍛成形和擠壓成形，并結合重慶建設工業集團有限公司和重慶五九所的產品進行CAE分析對比。在板料成形數值模擬分析CAE模塊教學過程中，重點介紹汽車覆蓋件的拉深成形數值模擬，并以重慶大江集團的覆蓋件為實例進行分析。針對科研助手和研究生，我們再開設板料網格分析系統軟件的教學，從而使分析與研究更加深入。

焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法，其實質是用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結合與擴散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來。焊接方法主要有三大類：熔化焊、壓力焊及釬焊等。由于焊接具有冶金溫度高、反應劇烈、焊接熔池小、冷卻速度快、各種冶金反應難以達到平衡狀態、焊接熱影響區各點的受熱溫度不同、焊縫中化學成分不均勻等特點，因此控制影響焊接質量的因素很多，難以控制，需要通過采用焊接過程CAE計算機輔助設計才能實現焊接過程的全面控制。目前我校杜長華教授在電子焊料產學研方面的研究具有相當的優勢和特色，并獲得了中國專利優秀獎。目前我校沒有購買專用的數值模擬分析軟件，焊接成形CAE模塊的教學主要采用大型通用有限元分析軟件Ansys或者Abaqus進行電子束等焊接模擬的教學與科研，尚有待進一步發展。隨著機械、電子、家電、日用五金等工業產品塑料化趨勢的不斷增強，以及塑料、橡膠制品的廣泛應用與發展，對塑料、橡膠制品的成形技術的發展與其模具在數量、品質、精度和復雜程度等方面都提出了更高的要求。電子信息產業在不久的將來將成為重慶第一支柱產業，塑料產品將越來越多，將需要更多的技術人員。注塑成形是指將原材料加熱融化后由高壓射入模腔，經冷卻固化后，得到具有一定形狀和尺寸的成形品的方法。注塑成型主要包括合模、注射、保壓、冷卻、開模、制品取出6個階段，影響因素復雜。我校材料成型及控制工程專業在2006年開設了高分子材料科學及技術方向，目前已將該方向單獨成立了一個專業以適應重慶市經濟技術發展的需要。注塑成形CAE模塊教學過程中，重點介紹汽車內飾件的CAE模擬仿真。如黃虹教授通過Molflow模擬分析軟件對汽車保險杠橫梁的注塑件進行了數值模擬，并以此對學生進行案例教學與分析，效果良好。

三、CAE模塊化教學師資隊伍的培養

高水平的師資隊伍是材料成型及控制工程專業CAE模塊化教學成功最重要的保證，因此引進和培養創新型的模塊化教學的師資隊伍尤其重要。為此，該專業主要采取了以下措施：

（1）根據專業發展需要，發揮年輕博士的數值模擬學習與分析能力較強的優勢，引進年輕的優秀博士。如通過本專業在近年來分別從重慶大學引進了從事板料沖壓成形CAE數值模擬的李小平博士、從中國科學院金屬研究所引進了從事鑄造成形CAE數值模擬分析的周志明博士、從哈爾濱工業大學引進了焊接成形的許惠斌博士、從四川大學引進了從事注塑成形的李又兵博士等。

（2）青年教師進修制。如分別送培從事Deform數值模擬分析CAE的胡建軍和從事擠壓成形CAE的胡紅軍到重慶大學攻讀博士。

（3）以科研項目為紐帶，科研產品案例化。將教師的科研項目及CAE數值模擬分析結果做成案例，用于課堂教學，既提高了學生的學習興趣，又培養了學生理論聯系實際、分析問題和解決問題的能力。

（4）實行企業優秀CAE工程師聘任制。如本專業定期聘請長安集團模具公司的資深模具工程師錢云忠高級工程師給學生講汽車覆蓋件沖壓成形CAE的數值模擬分析和長安發動機研究所的卿輝斌副所長講授發動機壓鑄成形Anycasting數值模擬分析，讓學生能分享到企業的最新技術和相關的專業知識，并有利于培養學生解決實際問題能力和提高創新能力。

四、結語

CAE數值模擬技術是人類社會科技進步的一種標志，是現代企業先進設計必備的方法之一。以現代計算機分析為手段的材料成型及控制工程專業CAE數值模擬技術的應用，有利于發揮設計人員的創造性、縮短模具設計周期和減少材料成形缺陷，從而提高產品的質量和設計、大大提高了生產效率。作為培養創新人才的材料成型及控制工程專業的教師，應該大力加強材料成形CAE技術相關課程的教學改革，不斷提高教學水平和教學效果，充分激發學生學習的主動性和積極性，培養具有較強科學探索精神和創新設計意識的適應時展需要的高級人才。