数值仿真范文

导语：如何才能写好一篇数值仿真，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：近场声全息；统计最优；重建精度；频率

1 概述

自Williams等提出近场声全息（nearfield acoustic holography， NAH）方法以来，经过三十多年的发展，该方法已广泛应用于汽车、船舶和航空等多个行业中[1，2，3]。其中，统计最优近场声全息（statistically optimized nearfield acoustic holography， SONAH）作为一种典型的局部NAH方法，避免了传统的如基于空间Fourier变换的NAH方法等要求全息测量面大小至少大于整个噪声源[4]。可以使用比声源面积小的阵列进行测量，因而对于结构较大的声源可大大地减少测量工作量。

影响SONAH方法声场重建精度的原因有很多，主要有重建频率、测量面大小及间距、重建距离和信噪比等[1，4]。文章主要针对频率变化对SONAH方法的重建精度进行了仿真分析，研究了频率对重建精度影响。

2 统计最优近场声全息基本原理

声场中任意一点的声压可以表示为全息面N测量点上复声压的线性叠加，设全息面H位于平面z=zH处，共有N个测量点，则可得

3 数值仿真

目标声源为球心分别位于直角坐标系（0，0，0.15）和（0，0，-0.15）两个相同脉动球源组成。脉动球的半径为0.05m，表面振速为1m/s。全息测量面位于z=0.25m处，测量间隔为0.05m，全息面大小为1m 1m，重建面位于z=0.25m处。空气中声传播速度为343m/s，密度取1.29kg/m3。

为了能够更直观的显示SONAH的重建效果，在重建频率为1000Hz时，对目标声源声场进行了可视化重建。其中，目标声源在重建面上的理论值如图1所示，图2为采用SONAH方法时的重建结果。从图1和图2的对比容易看出，SONAH方法可有效的重建出目标声源声场，只有在全息测量面边缘附近误差较大，而对于重建面的主要关心区域，即重建面中间部分，重建效果良好。

为进一步研究重建频率对重建精度的影响，在100Hz～3000Hz范围内对SONAH方法进行了数值仿真研究。计算了其总体相对误差，总体相对误差定义为：

从总体上看，随着频率的增大，总体相对误差呈现逐渐升高的趋势。在100Hz～300Hz范围内，相对误差最小，不超过3%；在400Hz～2500Hz范围内，总体相对误差大多在5%处上下波动，且波动较小。但当频率超过2500Hz后，总体相对误差具有明显上升的趋势；当重建频率到达3000Hz时，总体相对误差已长升高到15.7%，重建精度明显恶化。以上可以看出，SONAH方法比较适用于在中低频率进行重建。

4 结束语

通过仿真验证了SONAH方法能够有效的重建目标声源的声场。重建频率对重建结果有着重大的影响，总的来看，在低频段范围内的重建精度较高；而在中高频段，尤其是超过2500Hz后，重建精度明显恶化。因而，在实际应用中，应尽量选择中低频段内进行重建，以保证重建精度。

参考文献

[1]Maynard J D，Williams E G，Lee Y. Near field acoustic holography： I. theory of generalized holography and the development of NAH [J].Journal of the Acoustical Society of America，1985，78（4）：1395-1413.

[2]何元安，郑四发，李兵，等. 基于平面声全息的全空间场变换：水下大面积平面发射声基阵的近场声全息实验[J].声学学报，2003，18

（1）：45-51.

[3]李运志，高志鹰，汪建文，等.基于SONAH的水平轴风力机风轮噪声源识别[J].工程热物理学报，2014，35（7）：1334-1337.

[4]Steiner R， Hald， J. Near-field acoustical holography without the errors and limitations caused by the use of spatial DFT[J]. International Journal of Acoustics and Vibration[J]. 2001，6（2）：83-89.

篇2

关键词：地下水运移 数值仿真 分析对比

本文以乌鞘岭公路隧道的实体工程为依托，对涌水现象多发的F4断层带的隧道掘进施工过程中，地下水的渗流仿真与计算进行简易对比探讨。

一、数值模型的建立

ADINA软件提供两种求解渗流问题的方法，一种是利用多孔介质材料来分析渗流问题。另一种方法是利用渗流方程与温度方程相同的原理，用温度场的求解方法（seepage材料），采用热传导单元来求解渗流问题得到渗流速度和浸润面的形状，本文是采用第二种方法来模拟地下水运移。

隧道正常开挖轮廓边界尺寸为12.38×10.35m2，本次数值模拟选取隧道右洞断层带，隧道埋深80～90m，选取断层带里程300米范围内进行模拟。由地表水位观测得知，该地区地下水位在地表下5m左右，隧道与地下水位之间的垂直距离约75～80m。建立模型时，竖向从地下水位面开始向下延伸150m，水平向从隧道中心向两边分别延伸80m。该里程围岩类别为Ⅵ级，围岩密度取2200 kg/m3，渗透系数取5.6x10-4 m/s。初始水头压力大小选了150m（1.5MPa），设置为直角三角形不均匀荷载，两边对称设置（见图一，图二）

图一 隧道开挖前ADINA模型 图二 隧道开挖后ADINA模型

2模拟计算分析与结果

图三 隧道开挖前、后总水头等值线云图

云图中看到开挖前从1.40 MPa递减至0.20 MPa，开挖后从1.30 MPa递减至0.10 MPa。开挖前后，水头压力变化的总体趋势不明显，开挖后水头压力整体减少了0.10 MPa。距开挖区较远的位置，水头变化较小。开挖周边区域，由于隧道开挖，致使地下水从已完成的开挖面流失，水头压力明显降低。在水压力作用下，地下水从两侧涌向隧道临空面，主要汇集于两侧拱腰，流速为0.075～0.1m/s，一些地下水自上而下向洞顶渗漏，水量较小，流速在0.05m/s左右。取平均流速0.075m/s，裂隙率为5%，根据公式：Q=vA，估算涌水量为6480m3/d。

二、解析法涌水量估算

采用解析法，即古德曼经验公式法： 来计算断层带的最大涌水，其中渗透系数为5.6x10-4 m/s，通过简易提水试验得到，含水层厚度取75m，洞身横断面换算成等价圆直径为10.35m，求得最大涌水量为6566 m3/d，这与数值模拟结果略为相同。

三、结语

通过对比，我们发现adina软件数值模拟结果与解析法估算涌水量较为接近。模拟结果显示，隧道易发涌水部位在两侧、顶部三个方向，其中两侧水量较大，流速为0.25～0.4m/d，隧道右线正洞正常涌水量预测值为3504.05 m3/d，最大涌水量预测值为5034.59m3/d，在断层破碎带最大涌水量明显增大，峰值达6566m3/d。

在富水地带的隧道开挖过程中，短时间内，结合隧道富水段勘察资料和现场实际统计，利用adina数值仿真，可较为准确的预测涌水和突泥不良地质灾害发生，有利于我们采取恰当措施，确保隧道安全施工。

参考文献：

[1]毛正君、杨晓华、王晓钟.2012.乌鞘岭地区高速公路沿线地质灾害发育特征及防治措施[J].水土保持研究.19（1）202～205

[2]刘丹等.2005.秦岭特长隧道涌水量的预测研究[J].煤天地质与勘探.第33卷第1期.西安

篇3

【关键词】盾构隧道；管片开裂；原因；数值仿真

中图分类号：U455文献标识码： A

一、前言

目前，盾构隧道管片依然存在开裂的情况，针对开裂的原因，一定要深入的分析，只有弄清楚了开裂的原因，才能够确保盾构隧道管片开裂问题得到解决，提高盾构隧道管片的有效性。

二、盾构隧道管片开裂概述

在盾构施工中，盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。在盾构施工中，常常会遇到盾构管片结构上浮、隧道轴线偏移和管片错台等问题[1]。此类问题除了会影响隧道走向、净空外，还会引起管片破裂并破坏管片结构，从而给隧道的防水带来隐患。地铁成型隧道管片的上浮和错台以及由其引起的管片破裂一直是困扰盾构隧道施工的技术难题。

三、盾构管片开裂的一般性原因

1、盾构机千斤顶总推力较大：作用于管片上的力是造成管片开裂的最基本因素其中盾构推进过程中总推力过大是致使管片开裂的最直接原因。当总推力过大时，对于养护不好并且配筋小的管片则有可能开裂。

2、管片环面不平整：造成管片环面不平整主要有:管片制作精度误差管片纠偏时贴片不平整；盾构机推进时各区的千斤顶推力大小不等管片之间的环缝压缩量不一致等原因。因管片环面不平整盾构机千斤项作用于管片上将产生较大的劈裂力矩造成管片开裂。

3、千斤顶撑靴损坏或重心偏位：盾构机通过千斤顶作用于管片上向前掘进.在千斤顶与管片接触处设置撑靴以减少管片压力，撑靴损坏后管片局部压力增大造成管片损坏或出现裂缝。在盾构掘进过程中已拼装的管片中心线与盾构机本身的中心线重合为理想状态但在实际施工中两条轴线存在偏差千斤顶的中心没有作用在管片环的中心上，造成管片偏心受压。

4、盾构机姿态控制与线路曲线段不匹配：管片是在盾构机尾部内进行拼装，拼装完成后隧道管片空隙为5cm，盾构机在曲线段掘进时盾构机的姿态变化与管片的姿态变化不一致，盾尾密封刷挤压管片造成开裂。

5、管理不严格

掘进参数控制不当，千斤顶的选择未能兼顾管片走向，技术交底工作未能落实。管片拼装管理不严格，造成错台、管片接触不平顺。拼装前管片检查不充分，管片上存在污物。

四、工程概况

某市盾构地铁在进行巡检时，发现既有线(本文称左线)长达95m区间的多节管片1点钟位置内侧表面出现了不同程度的裂纹，且伴随地下水渗漏。统计表明裂缝隔片出现(图1，图2)，绝大多数沿着隧道轴线方向发展，且多为通长，最大宽度达1．5mm，多处深达100mm，并有个别贯通裂缝。而此时距其6m外的右线刚竣工不久。管片受损段工程地质沿隧道纵向剖面如图3所示。

图1裂缝现场照片

五、开裂原因及数值分析

影响隧道管片产生裂缝的原因很多，本地铁管片的裂缝是在地铁运营后发现的，无法准确确定管片是在施工还是在使用期间开裂的。本文重点从开裂段的地质原因、管片接头刚度、右线施工时对左线管片受力等方面分析其开裂原因，并对部分原因进行数值仿真分析。

图3开裂区间地质断面

1、管片受损段地质特点

的影响

分析管片开裂区域的左线地质剖面图(图4)可以发现，与其他区域相比，受损段地质条件较差，洞身范围为＜5H-2＞花岗岩硬塑土，风化剧烈，遇水易软化，洞底围岩为＜6H＞花岗岩全风化带。管片上方分布有＜5H-1＞、＜4-1＞、＜3-2＞、＜2-2＞等砂质粘土，地层比较软弱。各层地质分层的土性和厚度分别为:＜1＞人工杂填土，厚0．4～2．2m；＜2-1＞淤泥质粉质粘土，厚2．6～4．6m；＜3-2＞陆相冲洪积砂层，厚1．3～5．9m；＜4-1＞冲-洪积土层，厚3．4～4．0m；＜5H-1＞花岗岩残积土，厚8．6～15．2m；＜5H-2＞花岗岩残积土，厚7．0～18．0m；＜6H＞花岗岩全风化层，厚5．0～8．0m。

图4受损管片相邻段地质剖面

受损段隧道地面为某小区1～3号楼。建筑物的基础为15～20m深的锤击贯入桩，地面环境复杂。从地质图可以发现，开裂段隧道顶部1m以上就是＜5H-1＞(花岗岩残积土)土层，花岗岩残积土遇水容易软化，相关研究也表明扰动后强度参数降低明显。地面建筑物、施工时候土层的扰动可能会引起管片受力状态的变化。

2、塌落拱高度增加的影响

根据上一节可知，和其他段隧道区域的地质条件相比，开裂段的地质条件发生了变化。隧道洞身及洞顶主要为＜5H-1＞、＜5H-2＞砾质粘性土，该类土层透水性较强，天然状态下具有较好的力学性质，但遇水后极易软化，强度急剧降低，尤其在具有临空面的浸水条件下，花岗岩残积土会因软化崩解而坍塌。同时隧道上方靠近地面分布有较大范围的＜4-1＞冲-洪积土层，地层的特点决定了其对盾构掘进产生的扰动十分敏感。分析设计资料可知，盾构机在通过该段时，地面的某小区1～3楼发生了沉降，截止2008年4月地面最大沉降已经达129．6mm，地面沉降可能已经引起隧道顶岩土体的扰动，应力发生了重分布，并可能使得拱顶塌落拱高度增加。塌落拱高度增加会使得隧道管片竖向荷载和水平荷载增加，随着塌落拱高度的增加，当管片内力超过其开裂荷载时，管片就会在拉应力最大位置出现裂缝。松弛土压力的计算方法―般采用太沙基(Terzaghi)公式，换算土压力计算高度h0的计算公式为:

式中，B1为根据太沙基公式计算的隧道拱顶松弛

宽度的一半；K0为水平土压力与垂直土压力之比；φ为土的内摩擦角；p0为上覆荷载；γ为土的重度。根据公式(1)可知，如果土体强度降低，隧道管片顶部土压力增大，使得管片内力也增大。

2．3管片接头刚度的影响

开裂区间管片是错缝安装，开裂发生在1662～1724环管片上，所有裂缝均出现在偶数环上(隔环产生)的连接块上，如图2所示。裂缝两端对应管片的封顶块接头，封顶块接头处的刚度小于管片的弯曲刚度，封顶块所承受的弯矩比毗邻的管片所受的小。如果开裂区域的隧道围压出现局部增加，由于连接块刚度比封顶块接缝处的刚度大，所以连接块分担的荷载多些。

用ANSYS软件，通过荷载-结构法建立了管片接头实体模型，模型中管片纵缝和管片环缝均采用等效刚度的弹簧单元建立联系，对模拟螺栓的单元施加初始应变，以模拟施工中对螺栓施加的300N・m预紧扭矩，地基反力也采用弹簧单元。建立的管片接头实体模型见图5和图6。

图5、6错缝拼装模型

考虑管片接头刚度效应和错缝拼装的既有隧道整体变形如图7，可见在一定围压作用下，管片在11点钟方向连接块的变形比封顶块的大，进一步说明外荷载增加时，连接块会承担更多的荷载，如果超过其开裂荷载就会产生裂缝。

图7整体管片11点钟位置的位移放大

六、结论

隧道管片在使用过程中的开裂主要原因是管片围压发生改变，而引起该段管片围压改变的可能原因有:管片受损段的地质特点；土体扰动引起隧道拱顶塌落拱高度增加；管片背后注浆密实程度；管片开裂位置的结构受力特点以及右线施工期间对左线岩土体的扰动。原有应力及相邻线路盾构施工引起的附加应力的综合结果见表1，可见1点处管片内侧的综合拉应力最大，达2．72MPa，已超出C50混凝土的抗拉强度标准值2．65MPa。再加上后期线路施工产生的如图15的效应，以及开裂段花岗岩全风化＜6H＞软弱下卧层较厚(图4)，这些因素作用在一起就直接导致裂缝隔片出现于连接块上1点附近。

表1管片综合内力计算结果

计算分析发现，后施工隧道所产生的塌落拱拱脚作用在临近的既有隧道斜上方；后线单施工步引起既有线目标片最大内侧环向拉应力产生于靠近后施工线路的右上1点钟位置，而11点钟位置(即背向后施工线路一侧)所受影响较小。当地下空间允许时，建议适当加大两条线路的水平距离，使之相隔1．5倍隧道直径以上，以避开对方的塌落拱拱脚。同时先施工的隧道应重点对靠近后施工线路一侧的斜上方土体进行加固以应对未来的附加应力及相应的变位。错缝形式可改纵向的两片一循环为多片一循环，以减小相邻片之间错缝角度，减轻相邻管片在顶部的刚度不连续性，改善受力状态。

七、结束语

综上所述，盾构隧道管片开裂的原因多种多样，因此，一定要考虑到原因的复杂性，针对本文分析的一些主要原因，今后要做好相关的预防和应对措施，确保盾构隧道管片的有效性。

【参考文献】

[1]徐军.盾构管片开裂原因分析及应对措旋[J].交通标准化，2009.12

篇4

关键词:岩石力学 教学 数值仿真技术

中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0184-02

岩石力学是高等学校土木工程、水利工程、工程力学、采矿工程等诸多专业的必修课,是一门与生产实际紧密结合的课程。地下洞室是岩体工程中建造最多的地下构筑物,如公路和铁路隧道、地下厂房等。如何解决在建造地下洞室时所遇到的各种岩体力学问题,包括岩体的二次应力分布、围岩压力的计算等问题,将直接影响地下洞室的设计与施工工作[1]。

地下开挖之前,岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。洞室开挖后,洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑,破坏了原来的受力平衡状态,而向洞内空间胀松变形,其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系,引起应力、应变和能量的调整,以达到新的平衡,形成新的应力状态。我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用,称为围岩应力重分布作用或称为围岩二次应力状态。围岩的二次应力分布呈弹性与弹塑性两种分布形式,《岩石力学》按照由易到难的顺序对该问题进行了讲解。通过近几学期的教学情况看,此部分内容涉及大量的弹塑性力学知识及公式推导,大多学生感觉枯燥乏味,导致该部分内容教学效果欠佳。下面以“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”为例,分析数值仿真技术在《岩石力学》教学当中的应用。

1 数值仿真的实现

1.1 数值方法的选用[2]

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。尤其在分析小变形等弹性力学问题时具有其他软件无法具有的优势,针对“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”分析,采用ANSYS软件是合适的。

1.2 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数为λ=1时

计算模型的尺寸为14m×14m,中间开挖一半径为1m的洞室。边界条件:固定左侧水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移,同时在模型右侧与上端施加1MPa的压力。采用平面应变问题进行分析。

(图1、图2)分别给出了计算后洞壁周围围岩的二次应力分布情况,与《岩石力学》教材中圆形洞室的二次应力分布状态比较后发现,二者图形分布一致。切向应力随着r的增大而减小,径向应力却随之而增大。当距离洞壁四倍的半径左右位置时,径向应力与切向应力都趋向于围岩的初始应力1MPa,也就是说,洞室的开挖在此种工况下对围岩的影响范围在四倍的半径范围之内。这一些结论与《岩石力学》教材中的内容是完全一致的。由于划分网格等问题的影响使得洞壁周边的径向应力没有为零,同时洞壁边缘的切向应力也不像理论分析的那样为2MPa。但是比较数值模拟结果与理论分析结果会发现,二者的差别不大,能够满足工程计算的精度要求。

1.3 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数不等于1时

通过1.2节的分析可以发现,采用ANSYS软件对以上问题的分析是准确可靠的。所以,应用ANSYS可以分析当侧压力系数不等于1的情况。模型同1.2节,水平方向的荷载改为0.5MPa即侧压力系数为λ=0.5,计算结果如(图3、图4)。从洞壁径向与切向应力分布图可以看出,此情况下的应力分布比侧压力系数为1的情况要复杂的多。即便如此,教师可以比较清晰的对图中应力分布的特点进行分析与讲解。学生也可以从繁琐的计算公式中解放出来,对洞壁周边围岩的二次应力情况有比较深刻的感性认识。

2 结语

大多的《岩石力学》教材中还对椭圆孔以及其他不规则空洞问题的二次应力分布问题进行了讲解,与以上分析的两种情况相比更加复杂,计算公式更加的冗长。有了数值模拟方法,我们可以很容易的获得在不同工况下不同形状洞室的二次应力分布情况。在授课的过程中,还可以给学生讲解有关有限元分析的原理,以及ANSYS软件的具体操作,使得学生在学好《岩石力学》大纲规定相关内容的同时,开阔了他们的视野,提高了学习《岩石力学》课程的兴趣与积极性。同时,为以后学生进入更高层次阶段的学习打下良好的基础。

参考文献

篇5

关键词:计算机辅助工程;ANSYS参数化设计语言;模块开发;齿轮

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)25-7233-02

Development and Application of Gear Simulation System Based on APDL

TAN Li-fang

(Chenzhou Technician College, Chenzhou 423000, China)

Abstract: CAD/CAE is one of the most important computer engineering application techniques. In this paper, by using the secondary development language: APDL (ANSYS Parametric Design Language), the columnar gear simulation system is developed successfully. The system operating interface is simple, and the establishment of the gear parametric model, meshing, finite element intensity calculation and post-processing can be finished very conveniently through clicking the button on the interface. This special module could be used by engineers and technicians to perform computer aided design and finite element analysis of the series columnar gears with same structures but similar size quickly and easily, and this simulation system has a good practical application value.

Key words: Computer Aided Engineering; ANSYS Parametric Design Language; Module Development; Gear

计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助工程(CAE)是现代机械、电子、航空等领域非常重要的技术手段。传统的齿轮接触强度计算公式均以Hertz公式为依据,其结果会与实际有较大的出入,相比而言,利用有限元法对工业中关键的零部件齿轮的啮合状态进行数值仿真,不但可消除理论计算中的某些限制条件,还可以及早发现设计缺陷,并能保证其工作性能的可靠性,提高企业的生产效率。本文利用APDL语言编程,开发一个齿轮运动副参数化设计及有限元分析的专用模块,方便工程技术人员快捷地完成齿轮传动系列产品的参数化建模和有限元计算,为产品开发提供重要的技术保障。

1 CAE技术及APDL语言

随着科学技术的进步,CAE技术在工程中的应用取得了迅猛的发展,目前已经涌现了许多的大型有限元分析软件,诸如ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, MARC, ADINA等。本文主要选取ANSYS作为分析软件,它融结构,流体,电场,磁场,声场分析于一体。ANSYS按功能作用可以分为若干个处理器,主要包括前处理器 (Preprocessing)、求解器(Solution)、后处理(General postprocessing)。

ANSYS参数化设计语言(APDL)是一门可用来完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的语言,即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定,是完成优化设计和自适应网格划分的最主要的基础。APDL允许复杂的数据输入,使用户对任何设计或分析属性都有控制权,如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位置和网格密度等。APDL扩展了传统有限元分析的范围,并扩展了更高级的运算,包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等。APDL具有下列功能,对这些功能用户可以根据需要进行组合使用或单独使用,创建一个高度完善的分析方案。

・标量参数 ・数组参数 ・表达式和函数 ・分支和循环

・重复功能和缩写 ・宏 ・用户程序

2 齿轮数值仿真系统的开发

2.1 齿轮参数赋值对话框的创建

首先输入以下命令,创建齿顶高系数和间隙系数两个参数的输入对话框。

*ASK,ha,Input coefficient of hight with teeth,1! 输入齿顶高系数ha

*ASK,c,Input coefficient of clearance with teeth,0.25! 间隙系数c

编写下列宏文件,创建多参数输入对话框。

MULTIPRO,'start',5

*cset,1,3,z1,'The number teeth of smaller gear',28 !输入主动轮齿数z1

*cset,4,6,z2,'The number teeth of larger gear',36!输入从动轮齿数z2

*cset,7,9,m,'The module of larger end(mm)',5 !输入齿轮模数m

*cset,10,12,alf,'The pressure angle(deg)',25 !输入压力角alf

*cset,13,15,b,'The width of gear tooth(mm)',40 !输入齿宽b

MULTIPRO,'end'

运行该宏后,弹出图3所示对话框。在文本框中分别输入所需参数值,然后单击OK按钮,便完成了建模前的参数设置。

2.2 有限元分析宏程序文件的编写

有限元分析主要包括齿轮模型建立及网格划分、载荷施加及求解、结果查询等过程,本文分别通过建立GEAR_MODAL.MAC,GEAR_SOLVE.MAC,PLOT_STRESS.MAC三个宏程序文件来实现齿轮啮合传动的应力计算。限于篇幅,在此只列出部分程序代码供学习参考。

pi=3.14159265358979

angle1=alf*pi/180r1=m*z1/2!分度圆半径

RB1=r1*cos(angle1) !基圆半径

RA1=m*(z1+2*ha)/2!齿顶圆半径

RF1=m*(z1-2*ha-2*c)/2!齿根圆半径

r2=m*z2/2

RB2=r2*cos(angle1)

RA2=m*(z2+2*ha)/2

RF2=m*(z2-2*ha-2*c)/2

angle2=180/z1!镜像旋转角

angle3=(pi/2/z1+tan(angle1)-angle1)*180/pi

angle4=(pi/2/z1+tan(angle1)-angle1)*180/pi angle22=180/z2

angle23=(pi/2/z2+tan(angle1)-angle1)*180/pi

angle24=(pi/2/z2+tan(angle1)-angle1)*180/pi

/prep7

csys,4!激活工作坐标系

wprot,-angle3,0,0 !初始偏转角度

K,1,0,0

*do,t,0,1,0.01

*SET,x,rb1*(cos(t)+t*sin(t)) !渐开线方程

*SET,y,rb1*(sin(t)-t*cos(t))

k,,x,y,0!开始生成关键点

*enddo

flst,3,101,3!连点成线

*do,t,2,102

fitem,3,t

*enddo

bsplin,,p51x!生成样条曲线

KDELE, 3, 101, 1!删多余点

NUMCMP, KP

wprot,angle4,0,0

LSYMM,Y,1, , , ,0,0

circle,1,ra1!画齿顶圆

circle,1,rf1!画齿根圆

circle,1,r1/2

K,10001,ra1*cos(pi/z1),ra1*sin(pi/z1),0,

K,10002,ra1*cos(pi/z1),-ra1*sin(pi/z1),0,

3 仿真系统的工程应用

为了验证所开发的齿轮分析专用模块的正确性,任意选取工程中的一对啮合齿轮对其进行强度计算,各参数如下:齿顶高系数和间隙系数取标准值,z1=20,z2=40,m=10,alf=30°,b=50。进入ANSYS操作环境后,依次点击所开发的模块中的按钮(如图4所示),系统可以自动完成建立齿轮模型、划分网格、施加边界条件和载荷、求解计算及结果查询等一系列工作,考虑其啮合状态,在有限元计算时各取5个齿,计算结果分别见图5~图8。

4 结束语

本文利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编程,开发了圆柱齿轮数值模拟仿真专用系统。该模块将齿轮设计过程中的所有关系式融入所编写的应用程序中,在程序的控制下,顺序执行这些关系式,通过与用户交互的方式来完成齿轮的建模和有限元分析。

宏程序全部基于赋初值对话框中所给定的齿轮变量参数,用户只要按实际要求输入齿轮的齿数、模数、压力角等结构几何参数,便马上可以完成齿轮啮合的有限元计算过程,得到齿轮工作情况下的应力和变形分布规律,无需工程技术人员具备较高的绘图能力、数学和力学相关知识,能有效地推广CAE技术在企业的应用。

参考文献:

[1] 祝效华, 余志祥. ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

[2] 匡建新, 汪新衡. 基于工程应用的直齿圆锥齿轮啮合面的数学建模术[J]. 设计与研究, 2006, 9(7): 33-36.

[3] John A, Faydor L. Computerized integrated approach for design and stress analysis of spiral bevel gears[J]. Comput Method Appl Mech Engrg, 2002, 191:1057-1095.

篇6

【关键词】二阶运动；动力学建模；数值仿真

随着全球环境问题日益严重和能源的不断枯竭，提高发动机的性能，研发新型高效率低能耗的发动机已经成为必然趋势。而作为发动机中主要的动力机构，曲轴连杆活塞系统在整机中占有极其重要的地位，其动力学学性能直接影响到了发动机工作的可靠性和耐久性。所以对于某一型号新型发动机，对其核心部件曲轴连杆系统做动力学分析就显得极其重要了，本文就针对某一新型发动机，对其特殊的曲轴连杆活塞系统，做动力学建模并进行数值模拟，从而得到其动力学参数。

1系统动力学建模

1.1活塞受力分析[2][3]

活塞受力分析，为活塞侧向油膜支撑力，为活塞侧向摩擦力，其方向由活塞的速度方向决定，为连杆小头给活塞销的力，点为活塞的质心，其中活塞的质量为，活塞销的质量为。为活塞绕活塞销中心转动的转动惯量，而为活塞绕活塞质心转动的转动惯量。 为油膜压力转矩，为油膜主阻力力矩。

方向力平衡方程：

方向力平衡方程：

活塞力矩平衡方程：

对曲轴、连杆、活塞分别进行运动学、受力分析以后，通过彼此之间的几何关系约束，作用力反作用力关系，可以消去中间量，将活塞的往复运动、连杆运动、曲轴运动均用曲轴处的表示，然后结合活塞的二阶运动，从而得到整体系统动力学。

1.2 活塞缸套系统流体动压建模

Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型[4]，经吴承伟教授改进，含有接触因子、压力流量因子和剪切流量因子的普通雷诺方程适用于本文模型，经过必要的简化和假设，结果具体模型，可以得到活塞-缸套系统的平均流量模型雷诺方程简化为：

该方程中，所有粗糙度和接触变形对动压的影响都归结于四个因素：，，，。，，分别为两个方向的压力流量因子以及剪切流量因子，是表面粗糙度纹向参数γ和膜厚比的函数，为接触因子，为膜厚比的函数，与粗糙度纹向参数无关。为活塞的半径；θ为活塞周向角度；为油膜的厚度，可以通过活塞的二阶运动参数来表示；为缸套轴向方向；η为油的粘度；为平均流体压力；为时间；为活塞的轴向速度；为活塞的横向速度。

1.3 曲轴主轴承系统流体动压建模

上式为适合于动载径向轴承的雷诺定律，其中为油膜的厚度，可以通过曲轴的径向运动参数来表示，为油膜压力，为轴承的半径， 为曲轴主轴颈的半径，为曲轴周向角，为剂的密度，η为剂的粘度，为曲轴的转动速度。

油膜反力在和方向的分量为：

其中，在曲柄连杆机构的动力学模型中，所以曲轴-主轴承系统动力学与曲柄连杆机构动力学相互耦合，互相影响。

在建立曲轴活塞连杆系统动力学模型、活塞缸套流体动压模型、曲轴主轴承流体动压模型之后，系统整体模型就建立完毕。

2 数值模拟

求解方法确定。

求解雷诺方程，运用有限差分法进行差分，然后用SOR超松弛迭代法进行迭代求解，可以求得油膜压力的分布，然后在活塞表面对压力分布进行积分，得到油膜对活塞的侧向压力和摩擦阻力。

根据所建立的曲轴连杆活塞动力学模型、活塞缸套流体动压模型、曲轴主轴承流体动压模型，结合具体的发动机模型，按照所确定的算法和求解流程，进行编程求解，得到活塞二阶运动以及活塞、曲轴受的油膜力。

3 计算结果分析

3.1活塞二阶运动结果分析

通过对模型的编程求解，可以得到六组活塞的二阶运动规律及六组活塞所受的油膜侧向力以及摩擦阻力的变化情况，由于活塞的二阶运动主要受到燃爆力和惯性力的综合作用，所以六组活塞的二阶运动及受力情况变化规律基本类似，相差一定的相位角，而计算结果也说明这个趋势，所以此处重点分析其中一组活塞的二阶运动与所受油膜侧向力、摩擦阻力的变化规律。

可以看出，在发动机的工作循环过程中，活塞不仅要在缸套内做往复运动，而且要做横向的微小平动和偏摆，即大部分的时候，或者并不处于缸套的中心位置，而是处于两侧比较靠近活塞缸壁的位置，由图6可以知道，在一个周期内，活塞要经过四次换向，在70°左右的时候，活塞靠近缸套的右壁，且偏摆角为正，活塞裙部上端更接近于缸壁，在300°左右的时候，活塞靠近缸套的左壁，且偏摆角为负，所以活塞裙部的上端更接近与缸壁，在345°左右的时候，活塞的横向位移和偏摆量均达到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短时间内快速大幅度的变向，因为此刻活塞正处于315°―495°做功冲程，活塞快速从缸套左侧接近缸套的右壁，活塞的二阶运动在此刻达到最大，横向位移的最大值为0.05mm。在570°左右的时候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲线变化可以知道，活塞在整个运行过程中，更接近于右壁。

4 结束语

本文对曲轴、六组连杆活塞、主轴承、缸套整体系统进行了动力学建模，并进行数值模拟，求解得到活塞二阶运动的规律，得到对实际设计有指导意义的结果。在以后的研究中，作者将使用动力学仿真软件adams对系统进行仿真，与数值模拟结果进行比较，验证修正模型，在后续分析中，模型将加入温度的影响因素，并考虑活塞环的影响，使模型更接近与真实情况。

【参考文献】

[1]刘延柱.高等动力学[M].北京：高等教育出版社，2000.

篇7

1 引言

复合材料自动铺丝成型技术（Automated Fiber Placement）综合了自动铺带（ALT）和纤维缠绕（FW）的优点，适应了复杂曲面多变的要求，为复杂曲面成型制造提供了一种极佳的方法，属于国际前沿技术，在航空、航天领域有着广泛的应用。美国全球鹰无人机的发动机整流罩（图1（a）所示）与X-47B舰载无人机的蛇形进气道（图1（c）所示）都采用了AFP成型技术。

下面将剖析环形复杂曲面铺丝时的模具形变机理，并通过有限元法加以分析。

2 AFP成型时环形曲面模具形变的来源及其影响

2.1 AFP成型时环形曲面模具形变的来源

（a）所示的是S形进气道成型模具，（b）所示的是蛇形进气成型模具。那么对它们进行AFP成型时，旋转轴放置在AFP系统的回转支架上，由AFP伺服电机驱动并进行AFP成型操作。根据AFP成型时的形变来源不同，模具形变分为三类；静态形变、动态形变和载荷形变。

AFP成型时大多使用钢模，即使采用空心结构，重量仍然较大。模具在自身重力作用下的形变，称为静态形变；环形类曲面进行回转铺丝成型时，模具在离心力的作用下发生的形变，称为动态形变，例如，由于严重的不对称性，同样铺放参数条件下，图2所示的蛇形进气道模具动态形变将会比S形进气道模具大很多；由于AFP成型不可避免需要铺丝头的滚压作用，滚压力带来的模具变形，称为载荷形变。

2.2 三种形变的影响

AFP成型的产品形变由成型和固化两个阶段决定，控制成型时的形变是基础，是本研究的重点，在此需要分析其对最终产品形变的影响。固化产生的形变则与铺丝的路径有关，属于另外一种形变类型，在此不做分析。

（1）静态形变的影响。由于AFP成型之后，复合材料要与模具一起放置在热压罐成型。因此，模具静态形变的影响一直会伴随着产品的整个成型、固化过程，不会解除。为了控制产品制造的误差，模具制造和模具静态形变都需要分取公差的一部分。

（2）动态形变的影响。由于动态形变是在模具回转时产生的，当AFP成型完成之后，理论上可以消失。但实际上，如果动态形变太大时，则可能破坏原有的连接状态，仍需要加以控制。

（3）载荷形变的影响。尽管载荷形变影响有限，但由于它会影响到材料的均匀性，也需要加以控制。

总之，上述三种形变都需要加以控制。为了提前知道理想条件下控制的效果，采用ANSYS对控制效果进行FEM分析，很有必要。

3 蛇形管道形变仿真分析

为了更好地控制AFP成型形变，需要通过仿真来预测，以便采取反制措施。

3.1 静态形变与载荷形变的仿真

将图2（b）所示的蛇形进气的成型模具输入ANSYS Workbench系统。选择合理的单元划分精度（0.5mm），采用的单元类型为Solid 186，对其进行单元网格划分。再选择在ANSYS Workbench的simulation模块中，打开相关的对话框，按表1填入属性值。在模具两端加以支撑约束，整个模具受到体分布的重力作用。在上述条件下对蛇形进气的成型模具进行FEM分析，得出静态的竖向形变云图如图3（a）所示。

3.2 动态形变的仿真

在静态分析之后，将模型的密度改为0值，其余不变。设定其旋转角速度为15r/min。选择旋转中心，对该模具的转动时的动态形变进行有限元分析，得到动态竖向形变云图如图3（b）所示。

3.3 载荷形变的仿真

载荷形变分析，材料密度设为0值，加载大小为25公斤，加载范围约为50mm×120mm范围（中部、均布）。得出相应的竖向形变云图如图3（c）所示。

4 仿真结果总结及形变控制策略

通过上面的有限元分析，总结如下：

（1）静态形变最大，为主要形变来源，需要加以严格控制；

（2）动态形变在较低转速时，可控制在理想范围内；

（3）正常的滚压力带来的载荷形变非常有限，可以忽略。

根据上面总结，相应的控制策略为：

（1）在模具设计、制造和安装时，尽可能考虑模具的静态刚度；

（2）对于转轴非对称性较大的环形曲面，AFP成型时的转速，应适度加以控制。

5 结论

通过FEM分析，环形复杂曲面自动铺丝成型时的形变，有三种来源。本研究通过FEM确定了它们的大小顺序，分清它们主次关系，并提出了相应的控制策略。

参考文献

[1]卢敏.圆筒件的铺丝路径生成算法[J].航空学报，2011，32（1）：181-186.

[2]周D，安鲁陵，周来水.复合材料自动铺丝路径生成技术研究[J].航空精密制造技术，2006，42（2）：39-41.

篇8

关键词：船舶动力装置系统；仿真应用；数据库技术

引言

本文在对Visual C++6.0，Matlab以及SQL Server2000数据库间接口的分析，提出了借助以上三者混合编程下的船舶动力装置系统仿真数据管理平台。在这个平台内，把各个动力装置系统的参数预先储存在数据表中，仿真时在船舶动力装置系统的模型中实现动态仿真。本文在数据库服务器内存入相关结果数据，而且有关数据库客户端的计算机就可以接受该数据服务，并利用通信协议来促进数据传输，为分布形式的可视仿真打下良好基础。

一、船舶动力装置系统仿真模型的构建

本文在建模和仿真中以13000 DWT散货船作为原始，对于建模仿真的设计，首先就是对各个部件的数学模型予以建立，然和对设备模型进行组合，并有机结合全部设备模型，进而对动力装置系统的整体动态性进行研究。

1、增压柴油机准稳态模型

该涡轮形成的扭转可以用如下公式表示：

在上式中，涡轮流量用Gt来表示，Ke指的是涡轮内部气体绝热数值，气体常数则用Re表示。那么增压转速的表达式则为：

在四冲程的柴油机中，扫气流量和吸气流量是进气阀流过的空气量的组成部分。其中，扫气量在计算上比较复杂。不过，一旦得到扫气系数Φs的话，就可以通过Gi=ΦsGij来计算得到；对于柴油机的转速nd而言，可以用如下公式计算：

在上式中，柴油机轴承到离合器半A轴的转动惯量用Id表示，Qms则是摩擦力扭矩，螺旋桨的负荷矩则用Mp表示。

2、减速齿轮模型

可以用nd=npi来表示螺旋桨与柴油机之间的转速关系，二者之间的扭转关系则可以用Qe=Qp/i来表示。其中，螺旋桨的转速为np，螺旋桨上的扭矩则为Qp。

3、组装后的仿真模型

对于上述数学模型，在Simulink或者Matlab中构建各个相对的模块，然后有机组合这些模块，最后就可以完成动力装置系统仿真模型的构建。

二、软件之间的接口

1、数据库访问技术

Visual C++6.0提供了ODBC、DAO、RDO等多种数据库开发工具，以上工具中，ODBC无论是在关系数据连接上还是在开放性都相对最优。除了本机驱动程序外，多数据库还包含针对数据库ODBC的驱动程序。

2、数据库和Matlab的连接

对于数据库和Matlab之间的连接，一般应借助于ODBC或者JDBC Bridge。它可以作为Matlab的组成部分而被自动设置，C语言可以把JDBC进行ODBC APIS的转换，并且传送到指定数据库的驱动程序中。如图1所示，为其实现过程。在Matlab针对数据库的操作中，必须先取得了数据库的句柄，其次才能进行相应的函数操作。

3、Matlab/Simulink和Visual C++6.0的接口操作方案

Matlab引擎作为一组函数，用户通过该组函数能够在应用程序中控制Matlab，也就是将Matlab视为一个计算引擎来运用。对于Visual C++6.0来说，为了连接Matlab，可以借助于engOpen（），engOutputBuffer（），engEvalString（），engPutVariable（）等函数来实现二者的连接。另外，Simulink能够用框图形式来表现模型，而且可以对各个模块参数任意修改，并支持借助于Matlab指令形式构建的Simulink模型，在此基础上运行Simulink模型，设定相应的系统参数。还可以在对Simulink模型进行操作过程中应用Matlab/Simulink和Visual C++6.0的接口。

三、动力装置系统仿真数据库管理平台的开发

1、数据库和数据源配置

对于SQL Server 2000数据库，开始“Enterprise Mangager”，并建立名称是“fangzhen”的数据库，数据库内的参数包含冲程、额定转速、气缸直径、汽缸数、中冷器效能系数、活塞形成、喷油量、柴油机轴系转动量、涡轮转子转动量、齿轮减速比例、船体质量、螺旋桨直径等等，在数据表simulink中储存以上数据。应用Windows内的开始按钮并进入到管理工具中，选取并进入到ODBC数据源管理内，数据源选择为SQL Server 2000数据库，在经过SQL Server验证之后，选取“fangzhen”数据库设置成默认数据库，对“测试数据源”进行点击，并显示出测试成功即可。

2、应用Visual C ++来建立用户界面

借助于MFC向导来构建vinsitdatabase的应用程序，以sinmulink来当做数据源，在主对话框界面内加载“开启引擎”、“参数读取”、“仿真运行”、“结果入库”等按钮，并关闭引擎。成员函数则需要对应OnGetParanmeter（）、OnStartEngine（）、OnInsertData、OnRunSimulink（）等，并在编译之后运行。

3、功能的实现

在程序运行后，对“开启程序”、“参数读取”、“仿真运行”、等依次点击，这样该动力装置系统模型就可以在参数读取的基础上实施仿真运算。仿真过程中，转速指令在前10秒内从500r/min增加到600r/min，仿真时间则在10min左右。之后对“结果入库”电机，把各个仿真结果全部保存到数据库表中。

结论

综上所述，在数据管理平台的构建和应用上，本文不仅实现船舶动力装置系统仿真参数由数据库传输到Simulink模型的过程中，还在SQL Server 2000数据库服务器中保存了以上仿真结果。结果表明，本次设计的数据管理平台可以醋精模型通用性的提高，达到向不同计算机上传输仿真结果的目的，基本上实现了公共虚拟平台的应用需要。

参考文献

篇9

关键词：复杂适应性系统；基于智能体建模；经济仿真；Swarm

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2012）10-0-03

一、引言

自二十世纪五十年代博弈论学科基础和理论体系建立伊始，博弈论就被广泛应用于社会、经济领域，并逐渐成为研究社会、经济主体行为与利益关系的有力工具。在博弈理论发展的同时，另一项加速人类历史发展进程的技术诞生了，那就是计算机科学。随着计算机技术的快速发展，计算机的体积越来越小，运算速度越来越快，功能越来越强，在计算机环境模拟经济系统运行的可能性大大增加。约翰·霍兰于1994年提出了著名的复杂适应性系统理论（Complex Adaptive System，简称CAS），为人们研究经济系统提供了一种重要的思路与方法，该理论同时成为目前经济系统仿真研究的理论基础。在具备了理论基础与技术基础之后，计算机环境下的虚拟经济系统仿真方法成为一种全新的研究手段。以霍兰提出的CAS理论为基础的，基于智能体建模的系统仿真方法成为博弈论研究的有力扩展，用以验证博弈理论的正确性，研究经济系统的演化过程，并推演新的结论。现在，经济仿真方法作为实验经济学的一种研究手段，广泛应用于经济、金融各领域的研究，对于经济系统演化、经济主体特征和政策模拟等领域的研究做出了突出贡献。

二、国外经济仿真研究综述

基于智能体建模的经济仿真方法是随着计算机技术的发展而产生的一种较为前沿的经济理论研究手段。由于国外计算机技术、系统科学等基础理论发展较为成熟，因此对于经济仿真的应用研究成果非常丰富。

美国的ASPEN模型可以说是经济仿真方法应用最早、成就最大的经济系统仿真模型。ASPEN模型是美国Sandia国家实验室开发的基于微观经济主体的经济仿真模型，主体自学习与自适应特性的引入使得该模型对经济系统的模拟更加接近于真实情况。ASPEN模型作为一个政策模拟平台，对美国的财政、金融领域政策的制定提供了重要的参考。

Strader、Lin和Shaw（1998）①对分散式装配供应链的订单执行情况进行了仿真研究，对经济仿真方法在供应链管理领域的应用进行了尝试。Bruun和Luna（1999）②利用开放性的Swarm仿真平台建立了一个用以模拟宏观经济系统运行的仿真模型，并通过该模型对经济的内生增长理论进行了仿真研究。Sapienza（2000）③建立了人工劳动力市场，模拟了不同类型的劳动力在市场中的流动，将经济仿真方法引入到了人力资源研究领域。Corazza（2000）④利用随机非线性动力学系统研究了垄断市场中供给方造假问题，对特定市场结构中的经济主体行为特征进行了研究。Tout和Stender（2001）⑤建立了一个具有适应性的经济仿真模型，研究指出了霍兰提出的遗传算法仿真模型的某些限制，及该模型与博弈论、控制论和进化论之间关系的缺陷，探讨了仿真模型在不同研究领域的适用性问题。Luna和Perrone（2001）⑥在综合了一系列学者在Swarm仿真平台的研究成果基础上，系统地阐述了基于智能体的经济金融仿真模型在Swarm仿真平台上的应用，为Swarm仿真平台的推广和发展奠定了基础。Francesco Luna 和Benedikt Stefannson（2001）⑦编著了一部系统全面的在Swarm仿真平台上进行经济仿真研究的专著，该著作系统论述了基于智能体建模和面向对象设计在经济仿真中的运用，同时也较为详尽地在技术层面上探讨了Swarm仿真平台的应用，并综合了各个领域的Swarm仿真研究成果，成为日后经济仿真研究的重要参考。LeBaron（2002）⑧建立了人工股票市场，将基于智能体的建模运用到了股票市场投资者行为的研究领域，使经济仿真方法的应用逐渐从宏观系统演化层面深入到微观经济主体行为研究层面。Foster（2005）⑨对经济系统的复杂性进行了深层次的探讨，研究指出，对于经济现象的研究不能过于简单，要从系统的整体性和复杂性深入分析经济现象的实质和内在联系。Jeffrey（2006）⑩指出目前的经济仿真研究中的经济变量大都具有排外性，如果要引入某些非经济类变量，通常要以效用函数的方式，基于此种情形，Jeffrey建立了一个用以引入非经济类变量的模型框架，扩展了经济仿真模型中对于非经济类要素变量的应用范围。

三、国内经济仿真研究综述

篇10

【Abstract】The teaching statute and problems in materials preparation technology for metallurgical engineering are analyzed. The key measures in the reform of teaching contents and methods are introduced. Based on the virtual simulation， the modes in teaching and practice are innovated to meet the development of new engineering course.

【Key words】Metallic metallurgical engineering； Teaching reform； Virtual simulation； Innovation

全面深化教育改革向素质教育推进、发展，逐渐形成了以就业为导向、以学生为中心、以创新能力为本位的教学理念[1]。而教学理念和教学模式的新颖程度是目前众多具有服务地方区域经济发展特色的高等工科院校在专业课教学过程中需要加以重视的核心问题，亟待探索解决传统、单一教学模式和方法的新举措。因此，针对金属冶金工程方向材料制备技术的性质、特点与重要地位，分析课程教学的现状及存在的问题，结合我校新建立的虚拟仿真平台，提出能够切实改革教学内容、教学方法和手段的关键措施。

1 教学与实习现状及存在的问题

材料制备技术是金属冶金工程方向的一门专业基础课，是使学生掌握基础理论与专业技能，培养专门技术人才和创新型人才。该课程集理论、操作和应用于一体，涉及材料制备原理、设备及工艺等方面[2]。目前主要是单一课堂讲授为主的静态教学，学生处于被动接受状态，创新思维和能力得不到训练、提高。

材料制备技术所涉及的加工工艺流程繁杂，充斥着诸如难闻气味的污染物、高危化学品等因素[3]。在工厂实习环节中为了学生安全考虑，原有的知识应用与实践纯粹变成了走马观花式的观摩过程，学生只能看到整个工艺的简单流程，无法近距离接触到一些实际现象，也无法体会涉及的科学问题，制约了学生实践能力和创新思维的提高。目前的教学方法与实习模式已不适应新形势下的要求，改革与创新势在必行。

2 教学改革的关键措施

2.1 改革课程内容的侧重点

材料制备技术既涉及了物理和化学的知识，又涵盖了冶金、铸造、塑性变形、热处理等材料科学知识，对授课教师的有效教学和学生的高效消化、吸收非常不利[2]。对于我校这类具有服务地方区域经济发展特色的高等工科院校而言，应该结合广西有色金属资源冶炼、加工和产业化的区域优势，课程改革要侧重于有色金属材料制备理论、方法和技术方面，突出铝合金、镁合金以及铝基复合材料的冶炼、铸造和深加工内容。课程内容核心要紧密围绕在区内具有行业特色的南南铝等大型企业的产业化应用周围，应切实结合厂实际应用的工艺技术，讲授一些新知识，解决一些新问题，达到促进行业长远发展的目的。

2.2 改革教学方法

材料制备技术应适当去理论化，突出实践性，追求主动性，开拓独立思考的空间，形成以提高学生创新能力为本位的教学理念与方法。将3D动画等多媒体技术融入传统的授课方法中，交叉运用案例式、互动式、讨论式等教学模式，着重解决教学重点、难点[3-4]。充分利用先进的计算机仿真技术，实现“互联网+材料制备技术”。针对相对复杂的铸造、塑性加工和热处理，通过建模仿真模拟金属构件的微观组织演变规律，实现对组织、宏观尺寸、工艺参数的优化，让学生对课程知识加以深入理解、运用。

2.3 加强交流合作

为了突出学生的应用与实践能力和创新思维，要形成以加强科研、学术交流改革教学的新思路。带领学生参与有色金属材料冶炼、铸造、变形加工或热处理等方面的科研项目，与授课教师或研究生交流合作，对涉及的知识运用加以深化。在实践中对项目的知识内容进行提炼，申报“大学生创新创业训练计划项目”，对团队合作、科学问题提炼、项目撰写和答辩过程具有更深刻认识，激发对材料制备技术的学术热情[2]。

3 虚拟仿真型创新实习模式

虚拟仿真型实习模式是指充分利用信息化的技术优势，以三维立体造型和数值编程建模模拟实际加工工序，结合现有实验室条件达到数值模拟+实验验证的实习目的。该模式应该贯穿在材料制备技术中，指导学生主动使用Python编程语言、MatLab编程软件、ProE三维造型软件，在Procast、Deform等虚拟仿真平台上进行二次开发，完成课程中涉及的加工工艺，善于发掘、分析和解决问题。

在虚拟仿真后的实验验证环节，以我校金属冶金材料加工专业为例，集成了铝、镁等有色金属冶炼、铸造、轧制、退火处理等实习环节所需的各类设备。在课程实习过程，让6名学生为一组，对设备、工艺路线和工艺参数确定等完全交给学生自主完成。确立了大致的实习实验方案：以5系Al-Mg铝合金为例，经730℃冶炼后，在620℃浇铸板坯，待冷至室温后截取铸坯试样、均匀化和轧制试样，铸态板坯厚为10.3mm，425℃均匀化，保温1h，425℃热轧，热轧7道次试样厚为6.5mm，冷轧一道次厚为6mm，轧制速度为17r/min，然后截取样品，分别在350℃和180℃进行退火处理，保温1h。

通过学生虚拟仿真+自主型实习，对退火后的样品进行再结晶和回复的探究，体现了学生对专业知识的运用。结合铸坯、均匀化及退火微观组织结果，逆向探究设备选型和工艺参数的设?是否合理。