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摘要：針對(duì)材料工程專業(yè)學(xué)位研究生金屬材料工程多尺度數(shù)值模擬課程內(nèi)容和特點(diǎn)，提出課程教學(xué)案例庫的建設(shè)意義、原則和方案?；诎咐x擇的真實(shí)性、典型性、客觀性、時(shí)效性和創(chuàng)新性原則，選擇了來源于科研項(xiàng)目和工程實(shí)踐的10個(gè)案例。結(jié)合“5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝”教學(xué)案例，分析了案例設(shè)計(jì)中應(yīng)包含的案例背景、主要內(nèi)容、知識(shí)拓展等組成要素。金屬材料工程多尺度數(shù)值模擬案例庫建設(shè)可為材料工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生其它課程案例庫建設(shè)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：案例庫；專業(yè)學(xué)位研究生；金屬材料工程；多尺度數(shù)值模擬

2020年9月，教育部、國家發(fā)展改革委和財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快新時(shí)代研究生教育改革發(fā)展的意見》，要求執(zhí)行與本單位辦學(xué)定位及特色相一致的專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)及授予質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，努力提高專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。案例教學(xué)是專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中的主要教學(xué)方法之一，是以實(shí)踐應(yīng)用中的典型案例為素材，經(jīng)過研究加工，通過情景模擬、現(xiàn)場體驗(yàn)、角色扮演、交流討論等手段，鍛煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)、分析、解決實(shí)際問題的能力[4，-5]。加強(qiáng)案例教學(xué)，有利于強(qiáng)化專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)，有助于推進(jìn)以培養(yǎng)實(shí)踐應(yīng)用能力為重點(diǎn)的培養(yǎng)模式創(chuàng)新。金屬材料工程多尺度數(shù)值模擬是針對(duì)材料工程專業(yè)學(xué)位研究生開設(shè)的一門專業(yè)課，重點(diǎn)培養(yǎng)利用數(shù)值模擬手段解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)，滿足企業(yè)對(duì)熟練掌握材料加工數(shù)值模擬手段的專業(yè)學(xué)位研究生的迫切需求。

一、案例庫建設(shè)意義

目前，國際先進(jìn)材料加工技術(shù)的發(fā)展更傾向于利用虛擬的“設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證”一體化環(huán)境，將真實(shí)的設(shè)計(jì)、制造、材料、驗(yàn)證、應(yīng)用乃至維修和全生命周期管理等諸多環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來，最大限度地縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。在這個(gè)過程中，數(shù)值模擬技術(shù)已成為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和材料制造技術(shù)的要素之一。數(shù)值模擬分析作為一種輔助科學(xué)研究手段和工程結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法，在材料成分的設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成形過程模擬、焊接模擬、多物理場模擬等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬具有方便快捷、節(jié)省資源、多物理場景真實(shí)再現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜工程分析及易于得到常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以得到的數(shù)據(jù)規(guī)律，是對(duì)材料工程專業(yè)學(xué)位研究生進(jìn)行工程案例實(shí)踐教學(xué)的新思路。對(duì)于大部分企業(yè)及科研院所，幾乎所有復(fù)雜零件熱加工工藝的設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)優(yōu)化均依賴于數(shù)值模擬技術(shù)。為了加強(qiáng)專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐技能，滿足企業(yè)對(duì)復(fù)雜零件熱加工數(shù)值模擬技術(shù)的需求，在專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)過程中，強(qiáng)化借助數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化的能力非常必要。高質(zhì)量的教學(xué)案例是有效開展案例教學(xué)的基礎(chǔ)和保證。合理地將數(shù)值模擬方面的工程案例應(yīng)用于金屬材料工程多尺度數(shù)值模擬課堂教學(xué)，可進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。在課堂教學(xué)中，借助工程案例的數(shù)值模擬、多媒體、情景模擬、工程優(yōu)化等先進(jìn)手段，讓學(xué)生參與交流、討論，可最大限度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，掌握更多的知識(shí)點(diǎn)，拓寬學(xué)習(xí)思路，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造力，切實(shí)保證專業(yè)學(xué)位研究生復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、案例庫建設(shè)原則

（一）真實(shí)性

案例素材來自于課題組的研究成果及合作企業(yè)一線生產(chǎn)現(xiàn)場（如山東博特精工股份有限公司、山東蒙凌工程機(jī)械股份有限公司、叢林集團(tuán)有限公司、山東光岳轉(zhuǎn)向節(jié)有限責(zé)任公司、青島海信模具有限公司、青島北海船舶重工有限責(zé)任公司等），不涉及保密或知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面問題。在案例庫中，講解與相關(guān)案例結(jié)合度較高、學(xué)生以前沒有學(xué)習(xí)過的理論知識(shí)，以案例帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)新的理論和知識(shí)，拓展學(xué)生的知識(shí)面。

（二）典型性

案例內(nèi)容涵蓋了鍛壓、鑄造、熱處理、焊接、擠壓等熱加工工藝，基本包含了所有典型常用材料熱加工方法。選擇的零件也是具有一定難度的復(fù)雜零件，如高檔數(shù)控機(jī)床用精密滾珠絲杠、高速列車用復(fù)雜鋁型材、汽車輕量化用高強(qiáng)度熱沖壓零件等。所選零件在材料加工領(lǐng)域中均具有一定的代表性，能夠讓學(xué)生體會(huì)到所學(xué)理論知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，以及對(duì)相關(guān)零件工藝設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。

（三）客觀性

所有案例以典型產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中存在問題或易出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向，以數(shù)值模擬技術(shù)為手段，基于數(shù)值模擬得到的各物理場量，結(jié)合學(xué)生以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)分析問題或缺陷的產(chǎn)生原因。借助工程案例的數(shù)值模擬、多媒體、工程優(yōu)化等先進(jìn)手段，讓學(xué)生充分交流討論，針對(duì)相應(yīng)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的問題或缺陷提出方法或設(shè)計(jì)具體的方案。

（四）時(shí)效性

所選案例均為課題組在國家重大項(xiàng)目或企業(yè)委托項(xiàng)目的資助下完成的，而且多個(gè)案例內(nèi)容屬于國家倡導(dǎo)發(fā)展的共性技術(shù)。例如，高檔機(jī)床功能部件表面處理技術(shù)、高光綠色注塑工藝及模具等，符合生產(chǎn)實(shí)際，滿足未來發(fā)展需求，案例技術(shù)能在今后較長的一段時(shí)間內(nèi)廣泛使用。

（五）創(chuàng)新性

所選案例技術(shù)和內(nèi)容均具有一定創(chuàng)新性，有一些技術(shù)屬于國際領(lǐng)先或國際先進(jìn)水平的原創(chuàng)技術(shù)，獲得了國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)或通過了國家科技部組織的專家驗(yàn)收。例如，高速列車用復(fù)雜鋁型材擠壓技術(shù)、快速熱循環(huán)高光注塑技術(shù)和模具分別獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；利用課題組研制的表面處理技術(shù)生產(chǎn)的精密絲杠和精密齒輪的總體性能指標(biāo)達(dá)到或超過了歐美、日本同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，相關(guān)技術(shù)通過了國家科技部組織“十二五”科技重大專項(xiàng)驗(yàn)收。在課堂教學(xué)過程中，選擇的所有案例均需要學(xué)生參與廣泛和深入討論，讓學(xué)生針對(duì)問題結(jié)合所學(xué)理論和知識(shí)提出問題的解決方案，給學(xué)生充分思考的空間，啟發(fā)獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的能力和興趣。

三、案例庫建設(shè)方案

（一）案例庫構(gòu)成

金屬材料工程多尺度數(shù)值模擬教學(xué)案例庫所選擇的案例涵蓋了典型零件的塑性成形、鑄造、熱處理等熱加工工藝及典型材料計(jì)算設(shè)計(jì)。主要包括以下10個(gè)案例：卡車車橋鑄造工藝（宏觀尺度）、高速列車CL-SFE10-004鋁型材擠壓工藝分析（宏觀尺度）、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝分析（宏觀尺度）、快速熱循環(huán)高光注塑工藝及模具失效分析（宏觀尺度）、5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝（微觀尺度）、汽車鏈輪感應(yīng)淬火工藝設(shè)計(jì)（微觀尺度）、高強(qiáng)度鋼加熱過程的奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)（微觀尺度）、鋼的晶粒長大及再結(jié)晶模擬（微觀尺度）、立方碳化物彈性性能的第一性原理計(jì)算（電子尺度）、TiO2電子結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算（電子尺度）、TiC/Ti復(fù)合材料摩擦磨損行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬（原子尺度）。

（二）案例構(gòu)架及特點(diǎn)

以產(chǎn)品生產(chǎn)過程中存在問題或易出現(xiàn)的關(guān)鍵問題為導(dǎo)向，以數(shù)值模擬技術(shù)為手段，通過建立相關(guān)模型，基于數(shù)值模擬得到各相關(guān)參變量、各物理場量的等值線圖、等色云圖、動(dòng)態(tài)視頻、曲線等數(shù)據(jù)資料，讓學(xué)生結(jié)合以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)分析問題或缺陷的產(chǎn)生原因，并針對(duì)相應(yīng)問題或缺陷提出解決方法。講解與相關(guān)案例結(jié)合度較高的、學(xué)生以前沒有學(xué)習(xí)過的理論知識(shí)，以案例帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)新的理論知識(shí)，拓展知識(shí)面，進(jìn)一步提高解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力。所選案例均為課題組在國家級(jí)項(xiàng)目或企業(yè)委托項(xiàng)目資助下完成的，基于計(jì)算機(jī)仿真模擬得到相應(yīng)熱加工工藝較佳的工藝參數(shù)，消除或避免問題及缺陷的產(chǎn)生，注重案例的時(shí)效性和實(shí)用性，可提高學(xué)生參與案例的積極性、主動(dòng)性。注意教學(xué)方式的多樣化，充分利用多媒體和數(shù)值模擬技術(shù)，多角度展示案例，包含學(xué)生參與設(shè)計(jì)、討論和辯論等環(huán)節(jié)，增強(qiáng)教學(xué)案例的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；诎咐?，以更直觀、更清楚、更生動(dòng)的形式展示所學(xué)理論知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，以及所學(xué)理論知識(shí)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐所起到的重要指導(dǎo)作用，讓學(xué)生在案例學(xué)習(xí)過程中體會(huì)理論與實(shí)踐的結(jié)合。

（三）案例要素設(shè)計(jì)

教學(xué)案例庫中每個(gè)案例都是相對(duì)完整的內(nèi)容，主要包括以下幾個(gè)要素：標(biāo)題、教學(xué)目的與用途、案例背景、主題內(nèi)容、知識(shí)拓展、分析與討論等。下面以案例庫中“5010型精密滾珠絲杠熱處理工藝”為例進(jìn)行介紹。

1.教學(xué)目的與用途

通過該案例教學(xué)和學(xué)習(xí)，使學(xué)生將以前學(xué)習(xí)的材料科學(xué)基礎(chǔ)、固態(tài)相變?cè)?、熱處理工藝與設(shè)備、零件失效分析等課程的部分內(nèi)容串聯(lián)在一起，以更直觀、更清楚、更生動(dòng)的形式展示所學(xué)理論知識(shí)在材料原始組織設(shè)計(jì)、熱處理工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用，以及所學(xué)理論知識(shí)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐所起到的重要指導(dǎo)作用。

2.案例背景

國產(chǎn)高速、精密滾珠絲杠的可靠性差、精度不高、發(fā)展滯后等問題，成為制約精密、高速數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》把“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”列為重大專項(xiàng)，重點(diǎn)研發(fā)精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)。發(fā)展精密、高速數(shù)控裝備離不開精密滾珠絲杠等關(guān)鍵功能部件。針對(duì)國產(chǎn)精密絲杠存在的淬火硬度梯度不合理、溝道底部淬硬層淺、淬火畸變程度過大以及裂紋等問題，課題組在國家科技重大專項(xiàng)的資助下，對(duì)精密絲杠原材料的原始組織、預(yù)先熱處理工藝、感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行了優(yōu)化，制訂了滾珠絲杠熱處理工藝規(guī)范及實(shí)施精確熱處理工藝的措施。

3.主題內(nèi)容以實(shí)物相片、金相照片、高分辨圖片等形式展現(xiàn)精密滾珠絲杠在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的淬硬層分布不均、淬火開裂、晶粒粗大、磨削開裂、疲勞失效等問題。以實(shí)物相片、金相照片、高分辨圖片、摩擦磨損形貌等形式，對(duì)比工藝優(yōu)化前國產(chǎn)絲杠與德國、日本等國家或地區(qū)所生產(chǎn)絲杠性能的區(qū)別。結(jié)合工藝模擬仿真得到的數(shù)據(jù)曲線、物理場量的等值線或等色云圖、物理場量的動(dòng)態(tài)視頻等形式，分析淬硬層分布不均、淬火開裂、晶粒粗大、磨削開裂、疲勞失效等問題產(chǎn)生的原因?；陧憫?yīng)曲面方法對(duì)絲杠感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行多參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)多匝感應(yīng)器，并進(jìn)行絲杠生產(chǎn)。測(cè)試工藝優(yōu)化后絲杠的組織、硬度、強(qiáng)度、摩擦磨損等性能，并與德國、日本和我國臺(tái)灣地區(qū)生產(chǎn)的絲杠性能進(jìn)行對(duì)比。

4.知識(shí)拓展

除了主題內(nèi)容，還包含了知識(shí)拓展部分。知識(shí)拓展部分的內(nèi)容可根課程學(xué)時(shí)、學(xué)生知識(shí)面、學(xué)生專業(yè)背景和課題方向等方面選擇講解部分或全部內(nèi)容。該案例中知識(shí)拓展包括拉格朗日有限元方法的基本理論、“電-磁-熱-機(jī)-相變”多物理場量有限元建模方法、奧氏體相變動(dòng)力學(xué)模型及模型參數(shù)的確定方法、基于MSC-Marc軟件的奧氏體化和相變用戶子程序的開發(fā)等理論性和實(shí)用性更強(qiáng)的內(nèi)容。案例中的知識(shí)拓展對(duì)于本科生和研究生其他課程的學(xué)習(xí)也有一定的幫助，如材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)是一門理論性強(qiáng)、比較抽象的課程，通過這個(gè)案例可以使學(xué)生直觀了解熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論在材料熱處理方面的應(yīng)用，學(xué)習(xí)如何確定非等溫相變Johnson-Mehl-Avrami方程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[6]，拓展在奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的知識(shí)。

作者:李輝平  賀連芳 李志超 單位:山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院