金属材料工程多尺度数值模拟课程浅析

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摘要：针对材料工程专业学位研究生金属材料工程多尺度数值模拟课程内容和特点，提出课程教学案例库的建设意义、原则和方案。基于案例选择的真实性、典型性、客观性、时效性和创新性原则，选择了来源于科研项目和工程实践的10个案例。结合“5010型精密滚珠丝杠热处理工艺”教学案例，分析了案例设计中应包含的案例背景、主要内容、知识拓展等组成要素。金属材料工程多尺度数值模拟案例库建设可为材料工程领域专业学位研究生其它课程案例库建设提供有益的参考。

关键词：案例库；专业学位研究生；金属材料工程；多尺度数值模拟

2020年9月，教育部、国家发展改革委和财政部联合印发《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》，要求执行与本单位办学定位及特色相一致的专业学位培养及授予质量标准，努力提高专业学位研究生的培养质量[1-3]。案例教学是专业学位研究生培养过程中的主要教学方法之一，是以实践应用中的典型案例为素材，经过研究加工，通过情景模拟、现场体验、角色扮演、交流讨论等手段，锻炼学生实践动手能力和发现、分析、解决实际问题的能力[4，-5]。加强案例教学，有利于强化专业学位研究生实践应用能力培养，有助于推进以培养实践应用能力为重点的培养模式创新。金属材料工程多尺度数值模拟是针对材料工程专业学位研究生开设的一门专业课，重点培养利用数值模拟手段解决复杂工程问题的实践能力及综合素质，满足企业对熟练掌握材料加工数值模拟手段的专业学位研究生的迫切需求。

一、案例库建设意义

目前，国际先进材料加工技术的发展更倾向于利用虚拟的“设计-制造-验证”一体化环境，将真实的设计、制造、材料、验证、应用乃至维修和全生命周期管理等诸多环节统一起来，最大限度地缩短新产品研发周期，降低研发成本，提高产品市场竞争力。在这个过程中，数值模拟技术已成为创新设计、数字化设计和材料制造技术的要素之一。数值模拟分析作为一种辅助科学研究手段和工程结构分析设计方法，在材料成分的设计、力学性能分析、模具结构优化、成形过程模拟、焊接模拟、多物理场模拟等领域都有广泛应用。数值模拟具有方便快捷、节省资源、多物理场景真实再现等优点，可实现常规实验无法实现的复杂工程分析及易于得到常规实验难以得到的数据规律，是对材料工程专业学位研究生进行工程案例实践教学的新思路。对于大部分企业及科研院所，几乎所有复杂零件热加工工艺的设计及工艺参数优化均依赖于数值模拟技术。为了加强专业学位研究生实践技能，满足企业对复杂零件热加工数值模拟技术的需求，在专业学位研究生的培养过程中，强化借助数值模拟技术进行工艺设计和优化的能力非常必要。高质量的教学案例是有效开展案例教学的基础和保证。合理地将数值模拟方面的工程案例应用于金属材料工程多尺度数值模拟课堂教学，可进一步提高教学质量。在课堂教学中，借助工程案例的数值模拟、多媒体、情景模拟、工程优化等先进手段，让学生参与交流、讨论，可最大限度提高学生的学习兴趣，掌握更多的知识点，拓宽学习思路，激发学习主动性和创造力，切实保证专业学位研究生复合型、应用型人才培养目标的实现。

二、案例库建设原则

（一）真实性

案例素材来自于课题组的研究成果及合作企业一线生产现场（如山东博特精工股份有限公司、山东蒙凌工程机械股份有限公司、丛林集团有限公司、山东光岳转向节有限责任公司、青岛海信模具有限公司、青岛北海船舶重工有限责任公司等），不涉及保密或知识产权方面问题。在案例库中，讲解与相关案例结合度较高、学生以前没有学习过的理论知识，以案例带动学生学习新的理论和知识，拓展学生的知识面。

（二）典型性

案例内容涵盖了锻压、铸造、热处理、焊接、挤压等热加工工艺，基本包含了所有典型常用材料热加工方法。选择的零件也是具有一定难度的复杂零件，如高档数控机床用精密滚珠丝杠、高速列车用复杂铝型材、汽车轻量化用高强度热冲压零件等。所选零件在材料加工领域中均具有一定的代表性，能够让学生体会到所学理论知识在生产实践中的应用，以及对相关零件工艺设计的指导作用。

（三）客观性

所有案例以典型产品在生产过程中存在问题或易出现的问题为导向，以数值模拟技术为手段，基于数值模拟得到的各物理场量，结合学生以前学习的理论知识分析问题或缺陷的产生原因。借助工程案例的数值模拟、多媒体、工程优化等先进手段，让学生充分交流讨论，针对相应产品在生产过程中的问题或缺陷提出方法或设计具体的方案。

（四）时效性

所选案例均为课题组在国家重大项目或企业委托项目的资助下完成的，而且多个案例内容属于国家倡导发展的共性技术。例如，高档机床功能部件表面处理技术、高光绿色注塑工艺及模具等，符合生产实际，满足未来发展需求，案例技术能在今后较长的一段时间内广泛使用。

（五）创新性

所选案例技术和内容均具有一定创新性，有一些技术属于国际领先或国际先进水平的原创技术，获得了国家科技进步奖或通过了国家科技部组织的专家验收。例如，高速列车用复杂铝型材挤压技术、快速热循环高光注塑技术和模具分别获得了国家科技进步二等奖；利用课题组研制的表面处理技术生产的精密丝杠和精密齿轮的总体性能指标达到或超过了欧美、日本同类产品的先进水平，相关技术通过了国家科技部组织“十二五”科技重大专项验收。在课堂教学过程中，选择的所有案例均需要学生参与广泛和深入讨论，让学生针对问题结合所学理论和知识提出问题的解决方案，给学生充分思考的空间，启发独立解决复杂工程问题的能力和兴趣。

三、案例库建设方案

（一）案例库构成

金属材料工程多尺度数值模拟教学案例库所选择的案例涵盖了典型零件的塑性成形、铸造、热处理等热加工工艺及典型材料计算设计。主要包括以下10个案例：卡车车桥铸造工艺（宏观尺度）、高速列车CL-SFE10-004铝型材挤压工艺分析（宏观尺度）、汽车转向节锻造工艺分析（宏观尺度）、快速热循环高光注塑工艺及模具失效分析（宏观尺度）、5010型精密滚珠丝杠热处理工艺（微观尺度）、汽车链轮感应淬火工艺设计（微观尺度）、高强度钢加热过程的奥氏体化相变动力学（微观尺度）、钢的晶粒长大及再结晶模拟（微观尺度）、立方碳化物弹性性能的第一性原理计算（电子尺度）、TiO2电子结构的第一性原理计算（电子尺度）、TiC/Ti复合材料摩擦磨损行为的分子动力学模拟（原子尺度）。

（二）案例构架及特点

以产品生产过程中存在问题或易出现的关键问题为导向，以数值模拟技术为手段，通过建立相关模型，基于数值模拟得到各相关参变量、各物理场量的等值线图、等色云图、动态视频、曲线等数据资料，让学生结合以前学习的理论知识分析问题或缺陷的产生原因，并针对相应问题或缺陷提出解决方法。讲解与相关案例结合度较高的、学生以前没有学习过的理论知识，以案例带动学生学习新的理论知识，拓展知识面，进一步提高解决复杂实际问题的能力。所选案例均为课题组在国家级项目或企业委托项目资助下完成的，基于计算机仿真模拟得到相应热加工工艺较佳的工艺参数，消除或避免问题及缺陷的产生，注重案例的时效性和实用性，可提高学生参与案例的积极性、主动性。注意教学方式的多样化，充分利用多媒体和数值模拟技术，多角度展示案例，包含学生参与设计、讨论和辩论等环节，增强教学案例的趣味性，提高学生的学习兴趣。基于案例，以更直观、更清楚、更生动的形式展示所学理论知识在生产实践中的应用，以及所学理论知识对生产实践所起到的重要指导作用，让学生在案例学习过程中体会理论与实践的结合。

（三）案例要素设计

教学案例库中每个案例都是相对完整的内容，主要包括以下几个要素：标题、教学目的与用途、案例背景、主题内容、知识拓展、分析与讨论等。下面以案例库中“5010型精密滚珠丝杠热处理工艺”为例进行介绍。

1.教学目的与用途

通过该案例教学和学习，使学生将以前学习的材料科学基础、固态相变原理、热处理工艺与设备、零件失效分析等课程的部分内容串联在一起，以更直观、更清楚、更生动的形式展示所学理论知识在材料原始组织设计、热处理工艺参数设计及优化、感应器结构设计及优化中的应用，以及所学理论知识对生产实践所起到的重要指导作用。

2.案例背景

国产高速、精密滚珠丝杠的可靠性差、精度不高、发展滞后等问题，成为制约精密、高速数控机床发展的瓶颈。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把“高档数控机床与基础制造装备”列为重大专项，重点研发精密、高速数控装备和数控系统。发展精密、高速数控装备离不开精密滚珠丝杠等关键功能部件。针对国产精密丝杠存在的淬火硬度梯度不合理、沟道底部淬硬层浅、淬火畸变程度过大以及裂纹等问题，课题组在国家科技重大专项的资助下，对精密丝杠原材料的原始组织、预先热处理工艺、感应淬火工艺进行了优化，制订了滚珠丝杠热处理工艺规范及实施精确热处理工艺的措施。

3.主题内容以实物相片、金相照片、高分辨图片等形式展现精密滚珠丝杠在生产过程中出现的淬硬层分布不均、淬火开裂、晶粒粗大、磨削开裂、疲劳失效等问题。以实物相片、金相照片、高分辨图片、摩擦磨损形貌等形式，对比工艺优化前国产丝杠与德国、日本等国家或地区所生产丝杠性能的区别。结合工艺模拟仿真得到的数据曲线、物理场量的等值线或等色云图、物理场量的动态视频等形式，分析淬硬层分布不均、淬火开裂、晶粒粗大、磨削开裂、疲劳失效等问题产生的原因。基于响应曲面方法对丝杠感应淬火工艺进行多参数的优化，设计多匝感应器，并进行丝杠生产。测试工艺优化后丝杠的组织、硬度、强度、摩擦磨损等性能，并与德国、日本和我国台湾地区生产的丝杠性能进行对比。

4.知识拓展

除了主题内容，还包含了知识拓展部分。知识拓展部分的内容可根课程学时、学生知识面、学生专业背景和课题方向等方面选择讲解部分或全部内容。该案例中知识拓展包括拉格朗日有限元方法的基本理论、“电-磁-热-机-相变”多物理场量有限元建模方法、奥氏体相变动力学模型及模型参数的确定方法、基于MSC-Marc软件的奥氏体化和相变用户子程序的开发等理论性和实用性更强的内容。案例中的知识拓展对于本科生和研究生其他课程的学习也有一定的帮助，如材料热力学和动力学是一门理论性强、比较抽象的课程，通过这个案例可以使学生直观了解热力学和动力学理论在材料热处理方面的应用，学习如何确定非等温相变Johnson-Mehl-Avrami方程的动力学参数[6]，拓展在奥氏体化相变动力学和热力学方面的知识。

作者:李辉平  贺连芳 李志超 单位:山东科技大学 材料科学与工程学院