Deform—3D在金属塑性成形原理教学中的应用研究

程亮　孙凌燕　陈逸

摘 要：针对《金属塑性成形原理》内容抽象、理论较多，现有的教学设计无法弥合抽象理论知识与工程实际应用间的“割裂”这一课程特点，本文提出了基于有限元模拟软件Deform-3D强大的建模和后处理功能，以其在抽象概念的形象化、塑性加工过程的演示等方面的应用为要点，通过实例介绍了该软件在课程设计中的重要作用。

关键词：Deform-3D；金属塑性成形原理；课程设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.198

0 引言

《金属塑性成形原理》是材料成型及控制工程专业的一门重要的专业基础课，不仅涵盖了材料成形中广泛应用的基本原理，而且与实际工程问题密切相关。通过该课程的学习，学生需掌握金属塑性变形的原理和变形规律，为后续的专业核心课程——《冲压成形工艺与模具设计》、《锻造成形工艺与模具设计》等的学习打下基础，也为制订合理的塑性成形工艺奠定理论基础。

该课程内容抽象，概念与专业术语较多，涉及大量的数学推导及应力分析，需要学生具备良好的《高等数学》、《线性代数》和《材料力学》基础，教学难度倍增，即使在教学中使用案例法、演示法等教学方法，学生仍然反映教学内容枯燥，学得吃力。这一方面与受教育群体所发生的变化有关，95后大学生作为一个特殊群体，在学习特征方面呈现出不同于前代90后的特点，理论学习能力较弱；另一方面现有的教学设计仍然无法弥合课程中抽象理论知识与工程实际应用间的“割裂”。

1 教学思路

作为一门承前启后的专业基础课，《金属塑性成形原理》的重要性可见一斑，如何有效地组织课堂教学，帮助打着网络时代烙印95后学生高效地利用课堂时间和课外碎片时间进行学习，成为教学设计过程中必须要考虑的问题。为此，笔者提出采用有限元仿真技术作为教学的辅助手段，借助有限元仿真软件强大的后处理和动画功能，帮助学生直观地感受和追踪坯料在塑性加工过程中的应力应变分布的演化规律。将理论知识形象化，通过相对直观的方式构建理论与工程实际之间的桥梁，引导学生自主探究性学习，加深对塑性成形理论的理解，从而达到提高教学效果的目的。

目前，商用的有限元模拟仿真软件很多，针对金属塑性加工的软件也不少，Deform-3D是其中的佼佼者。该软件是美国SFTC公司（Scientific Forming Technology Co.）开发的，可以模拟金属塑性变形过程中坯料的应力场、应变场、温度场等多物理场的演变过程[1]。该软件在模具设计、工艺优化等方面有重要应用，进而达到缩短新产品开发周期、降低生产成本的目的。本文结合金属塑性成形原理课程的特点和教学需要，设计了不同的Deform-3D的应用案例。

2 教学案例设计

2.1 抽象物理、力学概念的形象化

《金属塑性成形原理》的主要任务之一在于，使学生初步掌握金属塑性变形的物理、力学基础，具备分析金属的塑性变形行为以及外部条件对塑性和流动应力影响的初步能力，以便在塑性加工工艺设计过程中使金属材料获得最优的塑性状态、最高的变形效率和优质的性能[2]。但这部分理論知识过于抽象，学生在学习时难以理解。例如，为什么屈服强度可从拉伸或压缩曲线上直接获得，为什么要建立屈服准则；再比如，如何将应力状态与工程实际相结合，等等。

为此，笔者利用Deform-3D强大的建模工程，将应力状态形象化为实际的成形工程。在讲授时，针对三种典型应力状态，即单轴变形、平面应变和球应力状态，建立了相应的塑性变形模型，如图1所示。学生借助三维模型可直观地看出，单轴变形时坯料的流动最为自由，且单位面积的平均锻压力即为材料的屈服强度。而在平面变形时，材料的流动在一个方向上的受限，因此在这种应力状态下变形难度提高，需要更大的变形力，单位面积的平均锻压力显著高于单轴变形。而对于球应力状态，显然无论施加多大的锻压力，坯料均无法发生塑性变形。借助这一实例，能够提高学生对应力状态的理解，启发学生思考应力状态对载荷的影响，并且使学生意识到屈服准则的现实意义。

2.2 塑性加工过程的演示

《金属塑性成形原理》课程能力培养的目标在于培养学生将所学理论知识应用于具体的塑性成形工艺中，确定变形体中的应力、应变分布和所需要的变形力和功，为选择成形设备的吨位和设计模具提供依据。这需要学生对塑性成形工艺具备一定的工程实践经验，否则无法理解塑性加工时坯料如何变形，更不要说领会变形过程中坯料内部的应力应变分布特征及其随外部条件的变化规律。而现实情况是，在课程开设时，学生尚未完成的实习实践，无法将所学理论知识与工程实际相联系。

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笔者在讲授这部分内容时，借助Deform-3D强大的后处理，将塑性成形过程中材料的流动通过动画的方式形象直观地展示出来。例如，圆柱镦粗作为最典型、最简单的一种加工方式几乎贯穿整个课程。为了让学生理解镦粗过程中坯料的形状演变和应力应变分布，笔者利用

Deform-3D建立的简单的1/2镦粗模型，并采用动画+截图的方式进行展示。如图2所示，随着压下量的提高，学生可直观地感受坯料具体的变形特征，并能够从应变云图上理解三个典型变形区（端部变形死区、中心大变形区、鼓肚）的形成过程。除此之外，有限元模型还可以辅助进行应力分析，使主应力法、滑移线法的讲授更为简介直观、易于接受。

3 结论

利用Deform-3D有限元软件强大的模拟仿真功能，可以构建塑性变形理论与工程实际之间的桥梁，使复杂抽象的理论变得直观形象、便于理解；同时能够弥补实验法、演示法等教学方法不能直观体现塑性力学理论的缺陷。此外，从认识论的角度，软件中的三维动画功能能够提高学生学习的积极性，从而提高学习效率。笔者采用Deform-3D进行辅助教学以来，学生显著提高了学习兴趣、加深了对塑性成形原理的理解和掌握。

参考文献：

[1]张莉，李升军.Deform在金属塑性成形中的应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]李尧.金属塑性成形原理[M].北京：机械工业出版社，2013.

项目信息：江苏理工学院教学改革与研究项目（11610511714）

作者简介：程亮（1988-），男，山东乐陵人，工学博士，讲师，研究方向：金属塑形成形方面。