《金属凝固过程数值模拟》课程的教改探讨.doc

《金属凝固过程数值模拟》课程的教改探讨 　　摘 要： 随着社会发展和科技进步，利用计算机进行数值模拟分析已成为材料成型领域研究的新方法。针对当前形势和发展趋势，国内高校将《金属凝固过程数值模拟》这门课作为材料成型专业的一门公共课程。但是，大多数学校该课程教学仍停留在教师“一言堂”或“灌输式”的教学模式下。基于此，在进一步明确本课程教学内容和方法、课程作用及解决问题的前提下，从理论教学和实践教学两大方面提出新的教学思路和方法，对提高课程教学质量有较好的参考价值。 　　关键词： 凝固模拟 教改 实践 　　1.引言 　　材料成型及控制工程专业是教育部1998年新增的专业，它以材料科学为基础，有机结合铸、锻、焊等加工工艺和计算机应用等相关基础学科。材料成型专业作为综合反映一个国家制造技术水平的专业，是促进机械、冶金、汽车、新材料、电器、电子、航天、航空等国民经济发展离不开领域的支柱专业，其培养的人才是社会未来发展不可估量的力量。随着人类社会发展和科学技术进步，对材料成型领域产品的精密性、质量、可靠性、经济和环保等要求越来越高。近年来，计算机技术飞速发展，打破传统材料成型专业单纯依靠反复实验和理论知识解决生产应用过程中的实际问题的僵局，利用计算机科学中的辅助模拟仿真计算功能俨然成为材料成型研究的第三种重要方法。通过该方法可以在研发过程中对新产品的成型工艺进行仿真模拟、分析计算，避免试制或实际生产过程中出现的问题，为根本上解决产品缺陷问题提供有力依据，从而大大缩短研发周期、降低成本、提高产品质量等，是材料科学研究的前沿领域及热点方向。 　　面对这种形势和发展趋势，所有高等学校都将《金属凝固过程数值模拟》这门课程作为材料成型专业的一门公共课程。遗憾的是，长久以来本课程一直处于教师“一言堂”或者“灌输式”的教学模式下，使得学生的课程兴趣下降，严重影响教学效果。在国家倡导新一轮课程改革浪潮的背景下，我认为更重要的是培养学生获取知识的自觉性，提高学生的创新思维和动手能力。针对当前行业发展和社会需求，从多个方面开展研究和探索，争取为《金属凝固过程数值模拟》课程的教改提供可行性方案。 　　2.《金属凝固过程数值模拟》课的内容和作用 　　2.1教学内容和方法 　　金属凝固过程数值模拟主要是研究金属材料由液态到固态的相变过程，通过建立正确的数学模型，采用恰当的数值计算方法借助计算机解决这些模型，研究金属在浇注和凝固过程中的热量传递、质量和动量变化等现象，从而得到反映凝固过程规律或具有实践指导意义的结果。具体研究对象是：如果说把液态金属的成型过程称之为一个体系的话，那么这个体系包括三个部分：铸件、铸型和处在的环境和两个界面：内界面和外界面。上述体系只能称为简单体系或简化体系，实际生产中的体系会更复杂，也就是复杂（精确）体系：在铸件和铸型之间还存在诸如气隙之类的中间层。以各组元之间的热交换规律分析为例：对于简单体系而言，只要分析金属铸件内部、金属与铸型之间、铸型内部、铸型与大气之间的热交换就可以；对于复杂体系而言，还要分析金属与气隙、气隙内部和气隙与铸型间的热交换，一方面给模拟分析增加了相当大的难度，另一方面分析计算量是成倍增长的，计算机的模拟运算时间会翻倍增加。 　　通常习惯将金属材料凝固过程模拟分成以下两类：第一，宏观模拟：（1）流动充型场；（2）温度场；（3）浓度场；（4）应力和应变场；（5）宏观缺陷预测。第二，微观模拟：根据上述四个宏观物理场的计算结果，结合相变规律预测微观组织形貌及其形核和长大的动态过程，进而预测材料性能。其研究方法包括三种：一是编程和计算机运算实现：（1）模拟对象分析；（2）数学建模；（3）时间和空间的离散化；（4）数值计算方法（有限差分法、有限元法、边界元法）；（5）线性方程组的求解；（6）图形化后处理。二是借助商业化的通用工具软件实现，如ANSYSYS，有二次开发接口，较简单。主要工作是确定模拟问题的种类和确定单值性条件，重点是CAD建模和网格剖分。三是借助专业化的工具软件实现，如ProCast，无二次开发接口，适合工程技术人员进行菜单式操作。 　　当然，凝固过程是一个非常复杂的过程，除了金属液流动充型动态过程外，还包括金属与铸型材料的相互作用、铸件的形状特点及金属冷却、凝固时其成分、体积变化等一系列伴生现象。我们利用计算机进行模拟的宗旨是获得高质量的铸件产品。最理想的状态是把上述所有伴随凝固过程而产生实际现象全部纳入一个统一的模型中，这样模拟出的结果更接近实际，也更准确。遗憾的是目前计算机和科技水平还做不到。 　　2.2课程作用及解决问题 　　2.2.1预知金属流动与充型过程 　　流动充型场模拟可以预测充型过程中的冷隔、浇不足和卷气倾向，对设计最佳的内浇口、排气口和浇注温度、浇注过程具有指导意义。