重力铸造充型凝固过程虚拟仿真实验教学研究
冯力，安国升，周兰，潘苇，董妮雅
（兰州理工大学 材料科学与工程学院，甘肃 兰州）
摘 要： 铸造工艺过程往往伴随高温、液态金属飞溅，具有较大危险性，并且其实践操作具有“睁眼造型，闭眼浇注”的限制。这些特征导致学生对浇注充型、铸件凝固过程缺少直观认识，开展虚拟仿真实验教学成为材料成型及控制专业铸造方向专业教育的必然要求。重力铸造充型凝固过程虚拟仿真实验教学通过虚拟现实技术，实现铸造充型、凝固过程的直观观察，浇注系统对充型过程影响的测试、冒口系统对凝固过程影响的测试。通过开展虚拟仿真实验教学使材料成型及控制工程专业铸造方向的学生，观察铸造过程、了解铸件内部变化、学习工艺原理、掌握关键技术，对培养“新工科”卓越人才目标的实现具有重要意义。
关键词： 充型；凝固；虚拟仿真；实验教学
传统的实验教学多以验证性实验为主，过分强调以教师为中心的教学模式，从实验内容至实验结果均有教师拟定，学生处于被动学习的位置，因而大大制约了对学生工程创新能力的培养[1]。虚拟仿真实验教学是实验教学改革和教育信息化发展相结合的创新产物和目标。[2]随着我国高校实验教学示范中心建设工作的深入进行，虚拟仿真实验中心的建设为实验教学示范中心建设工作引入了新的内容。2013年起，教育部又开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，虚拟仿真实验教学中心建设工作中优质实验教学资源的共享及其辐射效果占有重要的地位，既要具备能体现自身学科优势和专业特色的虚拟仿真实验教学资源，同时还要建设便捷高效的虚拟仿真实验教学资源开放共享机制。[3-5]虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容，[6-8]而加速信息化教学建设是很多高校“十三五”规划的重要建设内容之一。
“新工科建设需要加强研究和实践”，[9]这对于材料成型及控制工程专业人才培养提出了新的要求。传统的重力铸造工艺过程往往伴随高温、飞溅，具有较大危险性，很难用现场实验直观描述其工艺过程，客观上制约了专业教学水平和教学质量的提高，导致学生对浇注充型、铸件凝固过程缺少感性认识，已成为材料成型及控制工程专业铸造方向本科教学实验的瓶颈之一。针对以上实验教学需求，建立“重力铸造充型凝固虚拟仿真实验”教学体系，主要包括：铸造充型、凝固过程的直观观察、浇注系统对充型过程影响的测试、冒口系统对凝固过程影响的测试。体系的建立使材料成型及控制工程专业学生，能够通过虚拟现实技术观察铸造过程、了解内部变化、学习工艺原理、掌握关键技术，实现培养“新工科”卓越人才的目标。
一 重力铸造充型凝固虚拟仿真实验的介绍
铸造过程复杂，其工艺过程被形象地描述为“睁眼造型，闭眼浇注”，很难用现场实验直观描述其工艺过程，学生对铸造工艺的深入认识存在很大的困难。材料成型及控制专业铸造方向的本科教学和人才培养需要加强学生对铸造生产过程特性的直观认识，限于铸件生产具有高温、铸件在模具内部成形的特征，铸造方向的学生想直观的观察铸件充型与凝固过程存在诸多困难，在学校实验室所能开展的传统实验项目也很有限。重力铸造充型凝固虚拟仿真实验使用铸造CAE软件Experto-ViewCast，可以实现铸造过程中液态金属充型、高温液态金属凝固的可视化，软件可以迅速展示不同工艺条件下铸件的充型凝固过程。所设计的实验项目由系列实验：浇注系统对充型影响的观察、冒口系统对铸件凝固影响的观察、铸造工艺设计优化组成，实验步骤涵盖铸造工艺设计对铸件质量影响的主要内容。实验的实施过程如图1所示。
危机引发革命，科技危机引发科学革命、技术革命，进而引发产业革命。这里的科技危机引发科技革命，显然与以往的库恩所说的科学危机引发科学革命并不相同，但是从根本上看又有相通之处：都是不同层面的生存危机引发的变革图存。新科技革命、新产业革命与社会大转型构成智业革命，人类继农业社会、工业社会之后进入智业社会，[1]201-245农业社会缺乏知识，工业社会利用知识，智业社会控制知识。
通过此虚拟实验教学，可以实现：（1）铸造过程铸型内部以及浇注过程可视化；（2）节约试验成本；（3）缩短实验时间；（4）避免实验危险；（5）综合学生所学知识，对浇注过程出现问题进行分析，提出解决方法，获得无缺陷铸件；在实验过程中培养学生解决工程实际问题的能力。
图1 重力铸造充型凝固过程仿真实验流程示意图
图2 重力铸造充型过程仿真实验结果示意图
二 重力铸造充型凝固虚拟仿真实验教学应用
（3）铸造CAE技术基础理论：铸造CAE技术是采用有限分析技术（有限差分方法、有限元方法），进行铸造充型过程、凝固过程模拟，在计算机中“试生产”铸件，为制定合理的铸造工艺提供高效的指导。铸造CAE技术涉及铸造成形理论、计算机图形技术、多媒体技术、可视化技术、传热学、流体力学、弹塑性力学等多种学科。通过铸造CAE技术可以实现温度场、流动场、应力应变场、微观组织结构等物理场的模拟，从而实现铸造过程的可视化、以及铸造工艺设计的指导。
（1）浇注系统对重力铸造充型的影响，实验中需要考虑的因素包括：1）内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则和补缩方法；2）在规定时间内充满型腔；3）提供必要的充型压力头，保证铸件轮廓、棱角清晰；4）使金属液流动平稳，避免严重紊流，防止卷入，吸收气体和金属过度氧化；5）具有良好的阻渣能力；6）金属液进入型腔时线速速不可过高；7）保证型内金属液面有足够的上升速度，以免形成夹砂、结渣、皱皮、冷隔等缺陷。
项目区主要建设工程内容：香乐和宁固片对输水渠道采用混凝土梯形防渗；新庄片区新建提水泵站1处，并采用管道输水；新营更新机井1眼，采用高效节水的滴管灌溉。主要工程包括：新建输水防渗渠42 210 m，铺设PVC塑料输水管道4 330 m，更新配套水泵3台，渠系建筑物848处。新增节水灌溉面积466.67 hm2。
本虚拟实验教学包括三个主要知识点：
（2）冒口系统对重力铸造凝固的影响，实验中需要考虑的因素包括：1）凝固实际应大于或等于铸件（或补缩部分）的凝固时间；2）有足够的金属液补充铸件的，收缩；3）与铸件被补缩部位之间必须挫折补缩通道，见图3。
图3 冒口对铸件凝固影响的模拟仿真实验结果示意图
重力铸造充型凝固虚拟仿真实验教学采用“探究式”教学，即老师引领、学生以2人小组“探究各个关键参数对铸件质量的控制规律”。其中1人的角色是观察分析员，另1人的角色是操纵员。因实验操作步骤较多，为同时培养学生的观察思考和总结能力，老师在示范过程中只强调关键步骤和注意事项。2人小组实验模拟铸件充型与凝固过程，确保每一个操作步骤的可靠执行。考虑到学生在实验操作上的不确定性，让观察分析员学生分析观察操作员学生不正确操作情况下了解错误发生原因，观察错误操作的后果，能分析原因并且提出解决方法，优化铸造工艺。
三 总结
通过铸造充型凝固虚拟仿真实验教学可以让学生熟悉铸件凝固与充型过程，加深对所学专业理论知识的理解；让学生充分熟悉液态金属充满型腔的过程，直观的观察浇注系统对充型过程的影响；让学生充分熟悉液态金属在型腔中的凝固过程，直接了解冒口系统和浇注系统对金属凝固即铸件成形过程的影响。还可以让学生结合所学的铸造工艺设计和铸件凝固理论等专业知识，思考浇冒口系统设计与铸件成形质量的内在联系，并在课程设计、毕业论文或大学生创新设计项目中，充分运用这些知识来解决问题。
收集2012年8月至2014年6月于武威市中医院就诊的120例患者，患者年龄18～83岁，平均（32.40±4.20）岁。经病理检查证实，其中卵巢癌34例、良性卵巢肿瘤44例、子宫肌瘤20例、子宫腺肌症12例、盆腔炎10例。对照组为正常人60例，年龄 21～70岁，平均（37.80±21.50）岁。
本实验依托兰州理工大学重力铸造充型凝固虚拟仿真实验教学平台，已经形成了一套完整的实验教学内容和操作规程。因为实验具有一定的专业性，该实验目前主要采用校园网登录，提供不同校区、不同学院、不同专业的学生共同使用。另外，重力铸造充型凝固虚拟仿真实验教学平台还在开发校外用户登录浏览和申请远程虚拟仿真实验功能，即将向远程用户开放进行该仿真实验。
参考文献
[1] 贺霞. 电力系统继电保护原理虚拟仿真实验教学研究[J]．教育现代化，2018， 5（51）：242-243.
[2] 林珊，陈翠霞，罗小林，等. 材料现代分析技术虚拟仿真实验教学思考[J]．化学工程与装备，2018，10：280-283.
[3] 曹红松，刘闯，张会锁，等. 兵器工程虚拟仿真实验教学体系的构建[J]．实验技术与管理，2018，35（10）：102-105.
[4] 贠冰，孙建林，熊小涛，等. 材料虚拟仿真实验中心建设及共享的思考与实践[J]．实验技术与管理，2018，35（10）：197-199.
[5] 孙荣霞，王硕南，张雷，等. 光伏电池板发电控制虚拟仿真实验教学研究 [J]. 教育现代化，2018，5（41）：161-162
[6] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等. 国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理[J]．实验技术与管理，2018，35（11）：225-228.
[7] 郭雅楠，王掩刚，牟蕾，等. 航空动力系统虚拟仿真实验教学体系建设的探索与实践[J]．高教学刊，2019，03：121-123.
[8] 战宇，李英梅，刘军，等. 力学与多物理场虚拟仿真实验室建设的探讨[J]．高教学刊，2018，20：185-187.
[9] 张珂，郑宾国，崔节虎，等. 基于OBE模式的环境工程虚拟仿真实验中心建设探索[J]．实验技术与管理，2019，36（01）：270-273.
本文引用格式： 冯力，等.重力铸造充型凝固过程虚拟仿真实验教学研究[J]. 教育现代化，2019，6(44)：128-130.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.44.047
作者简介： 冯力，男，四川梁平人，兰州理工大学材料科学与工程学院，副教授。
标签：充型论文; 凝固论文; 虚拟仿真论文; 实验教学论文; 兰州理工大学材料科学与工程学院论文;