本文摘要：摘要：數值仿真技術(CAE)借助于計算機強大的計算能力，匯集了數學、力學、材料學、物理學等方向的研究成果，在工科專業的實踐教學方面具有很大的應用潛力。文中以包裝工程專業課程《金屬包裝設計與制造》為例，將大型CAE軟件AnsysWorkbench引入到課程的教學環節，開發
摘要：數值仿真技術(CAE)借助于計算機強大的計算能力，匯集了數學、力學、材料學、物理學等方向的研究成果，在工科專業的實踐教學方面具有很大的應用潛力。文中以包裝工程專業課程《金屬包裝設計與制造》為例，將大型CAE軟件AnsysWorkbench引入到課程的教學環節，開發多個金屬包裝結構數值仿真實驗。實踐教學表明，仿真分析技術在《金屬包裝設計與制造》課程的融入充實了該課程的內容，豐富了教學手段，提高了學生的工程實踐能力。
關鍵詞：新工科;數值仿真技術;數值仿真實驗;包裝工程;金屬包裝
新工科的建設是為了應對新一輪科技革命與產業變革，適應新經濟、新產業、新業態的發展，以國家戰略導向為基礎，為培養新型工程科技人才而提出的工程教育改革新方向。2019年，教育部發布實施一流本科專業建設的通知，一些高校組織力量對專業改造升級的路徑、方案和實踐方面進行了探索。包裝工程專業一流本科及新工科的建設更需要一系列先進教學資源的支撐，需要從教學思想、教學理念到教學方法進行一系列的改革、探索和實踐，將科技發展的新成果持續融入專業知識體系，不斷豐富專業內涵，深化教學改革，提升人才培養質量[1]。
金屬論文范例：金屬材料檢測中存在的問題及解決辦法
新工科建設既涉及到專業宏觀、總體、方向性的改革、探索和實踐，也涉及到課程層級的教學改革[2]�！督饘侔b設計與制造》課程是介紹金屬包裝制品結構設計與制造工藝過程的一門系統應用型課程，是包裝工程專業的主干課程之一，在包裝高等教育體系中具有重要的作用[3]。金屬包裝容器是用金屬薄板制造的空間薄壁腔體結構，廣泛應用于食品包裝、醫藥品包裝、日用品包裝、儀器儀表包裝、工業品包裝和軍品包裝。金屬包裝材料相比一般包裝材料具有更高的強度，且方便運輸，不易破損，款式多樣，印刷精美，是主流的包裝容器之一。
由于金屬材料強度大，金屬包裝容器制備和實驗對設備的投入大、危險性高，目前在包裝工程的專業教學體系中，國內高校的《金屬包裝設計與制造》課程以理論授課為主，試驗課程很少開設，影響了學生對金屬包裝容器設計理論的理解，需要融入更先進的教學資源和教學方法支撐理論教學[4]。
為促進信息化技術在教學中的應用，以解決實踐教學資源不足的問題，教育部印發了開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[5]。國內外高校掀起了開發虛擬仿真教學項目的熱潮，解決了部分實踐教學資源不足的問題。虛擬仿真在各專業教學中的應用有待持續的建設、改革和探索[6]。
目前數值仿真已經成為與理論研究、實驗研究并稱的第三種科學研究手段。傳統的包裝工程專業教學體系基于理論教學加實驗、課程設計、實習等實踐教學環節，其已不能滿足包裝行業新的發展需要，需要根據包裝工程專業的培養目標、包裝行業的新需求和數值仿真分析技術特點，將仿真分析技術引入到包裝工程專業教學體系中，優化專業培養體系，更新教學內容和課程體系。仿真分析技術具備豐富的多物理場模擬分析功能和結構優化設計功能，能夠對包裝工程專業教學的多個環節進行補強和增厚[7—8]。
1傳統《金屬包裝設計與制造》教學中存在的問題
《金屬包裝設計與制造》課程突出容器設計與制造相結合的主體思路，注重實踐性，由于金屬包裝容器實驗開設要求比較高，目前國內高�！督饘侔b設計與制造》課程普遍存在以下問題。
1)實驗課開出率難以保證。在傳統的《金屬包裝設計與制造》課程教學體系中，教學內容主要由理論教學、實驗教學構成。實驗教學方面設計了金屬卷邊實驗和沖壓實驗，金屬卷邊實驗設備操作難度較大，設備維護要求比較高，該實驗很少能夠正常開設，2015—2016年作為演示性實驗開設的2年，由實驗教師做演示，學生記錄實驗過程、觀察工藝參數對卷邊結果的影響。沖壓實驗在操作過程中存在較高的危險性，經過安全評估不建議在本科實驗室開設。
2)理論教學效果不夠理想。金屬包裝容器結構及成型工藝復雜，其典型的結構有波紋、膨脹圈、環筋、圓邊、穹頂等結構，成型工藝有卷邊、輥筋、膨脹、沖壓、拉伸、縮頸等，知識點較多，采取傳統的理論教學方法，學生難以理解這些典型結構對金屬包裝容器性能的影響，也不能夠觀察到典型加工工藝的作用，效果有待提高。如有些學生不理解金屬容器中的弧面結構、箍筋結構等是如何成型的，以及這些結構對提高容器強度、減少材料使用方面的作用。
3)工程實踐性教學需要加強。金屬容器設計涉及到材料、結構和實際使用過程中的載荷條件等因素，在流通過程中的載荷工況往往多種形式，有時甚至是多種載荷的耦合。如金屬桶在流通過程中既要承受橫向的沖擊載荷，也要承受頂部的堆碼載荷，在車輛運輸時既有垂直堆碼載荷也有橫向沖擊載荷。傳統的實驗往往只能施加1種載荷條件，多種載荷的耦合條件在一般的高校實驗室很難建立。
2《金屬包裝設計與制造》數值仿真教學資源建設CAE數值仿真平臺具有優異的人機交互特點，具有強大的材料模擬能力，能夠形象逼真地模擬復雜的物理系統，便捷地對系統施加載荷及約束條件，利用計算機強大的計算能力進行計算、分析，分析結果能夠以曲線、圖表、云圖、動畫的方式演示，也能夠借助多媒體手段進行展示[9]。大型的CAE數值仿真平臺是數值分析技術與計算機、材料科學、力學及物理學等領域科研成果高度集成的結晶，目前已廣泛應用于航空航天、汽車、機械、建筑工程等領域[10]。將CAE數值仿真平臺強大的工程模擬及計算能力融入到包裝工程專業教學，是對包裝工程專業教學體系的優化和升級。
2.1數值仿真教學資源的形式
AnsysWorkbench是最有代表性的大型的數值仿真平臺，利用該仿真平臺，能夠方便地建立復雜物理系統的虛擬仿真模型，并進行實驗分析，其強大的協同仿真能力是傳統的虛擬仿真實驗無法比擬的。
數值仿真平臺用于包裝工程專業教學，需要結合專業及行業特點進行二次開發，建立分析及評價體系。為配合《金屬包裝設計與制造》理論教學，湖南工業大學的《金屬包裝設計與制造》專業教師基于AnsysWorkbench數值仿真平臺，設計了多項金屬容器數值仿真實驗項目，內容涉及易拉罐、金屬桶結構設計，以及金屬板擠壓成型、金屬板材彎曲成型、金屬容器抗壓性能實驗模擬等。
其中關于易拉罐穹頂結構數值仿真分析、金屬桶箍筋結構數值仿真分析的具體實現方法和步驟在《包裝虛擬仿真》課程中，在《金屬包裝設計與制造》課程中描述了數值仿真思路和分析目的。金屬板擠壓成型、金屬板材彎曲成型、金屬容器抗壓性能實驗模擬等數值仿真分析實驗作為學生的課外拓展學習資源。通過建設線上線下課程，數值仿真教學資源以視頻、PPT、電子教材、指導書等多種形式提供�！督饘侔b設計與制造》數值仿真教學，豐富了學生的學習渠道，拓展了學習的時間和空間，教學效果顯著提升。
2.2數值仿真實驗思路
《金屬容器設計與制造》數值仿真實驗項目的主要包括材料參數的確定、幾何模型的建立、數值模型的生成、載荷及約束條件的施加、求解及分析結果提取等。
完成這個數值仿真分析過程，相當于對該課程進行工程實訓，也是對專業課程知識的一次系統性的應用和梳理，涉及到的專業知識包括包裝材料學、包裝CAD、工程力學、包裝虛擬仿真課程等�；诖笮蛿抵捣抡嫫脚_開發的虛擬仿真實驗項目不僅能夠實現傳統的虛擬仿真實驗教學項目所需的功能，加深學生對專業理論知識的理解，更有助于學生開展探究性、創新性研究，使學生掌握了先進的工程設計和分析技術，為其畢業后迅速融入行業及企業提供助力。
3數值仿真分析教學案例
易拉罐穹底結構數值仿真實驗設計的工程背景：易拉罐穹底結構主要為了保證擺放時的穩定性，穹底結構使易拉罐的加工更為復雜，很多學生并不理解穹底與平底結構對于穩定性的作用。課程組教師基于AnsysWorkbench設計了易拉罐數值仿真實驗。易拉罐底部設計成穹底結構，頂部設計成平底結構，易拉罐頂蓋厚度為0.38mm，罐體及罐底厚度為0.21mm。分析易拉罐承受內壓能力為0.15MPa的情況下罐體底部及頂蓋結構的變形情況。數值仿真實驗分析過程如下。
1)確定材料模型。易拉罐為鋁合金材料，在內部0.15MPa壓力下易拉罐的變形屬于小變形，用線彈性材料模型，彈性模量68GPa，泊松比為0.35。如果模擬易拉罐成型過程，要選擇非線性材料模型。
2)選擇分析單元。易拉罐為空間薄壁結構，數值仿真分析時選擇SHELL181單元進行模擬。由于易拉罐的罐蓋與罐身、罐底厚度不同，需要分別設置不同的厚度參數。
3)建立易拉罐幾何模型。
4)劃分單元。將材料屬性與單元屬性賦值給三維實體模型，執行單元劃分，得到易拉罐的有限元模型。
6)施加載荷及約束。模型施加0.15MPa的內部壓力。
7)選擇分析類型進行計算。選擇靜力分析類型，執行計算。
8)分析結果提取�；跀抵捣治鲕浖軌蛱崛∝S富的計算結果，包括應力、應變、變形等云圖，某點或路徑的應力、應變狀態變化過程曲線，全部或局部模型的動態變形過程等。結果表明，在0.15MPa內部壓力下，罐底中部相對于罐底邊緣的變形量為0.627mm，罐底仍然保持比較好的內凹形態，保證放置時穩定性。罐蓋中部相對于罐蓋邊緣部位的變形量為4.146mm，罐蓋變形量遠大于罐底，穹底結構的耐壓能力遠大于平底結構。
4結語
數值仿真實驗的互動性提高了學生的在學習過程的參與程度，從過程到結果的展現都更加形象、生動。數值仿真分析技術引入到《金屬包裝設計與制造》課程教學，豐富和充實了課程的教學手段和教學內容，取得了比較好的教學效果，提高了學生的工程實踐能力、創新能力。通過幾年的教學實踐與探索，數值仿真分析技術在我校包裝工程專業的教學中初見成效。
近些年湖南工業大學培養了很多具備數值仿真技術專長的包裝工程專業本科生或研究生，其在耐帆、美盈森、東京控股、國光電器、湘潭電機物流有限公司等物流包裝龍頭企業成為了技術骨干。目前，一些包裝企業已提出了對掌握仿真分析技術方面畢業生的崗位需求，并對這些崗位給予了高于傳統崗位的薪金待遇和發展機遇。仿真分析技術在包裝工程課程教學中的融入提高了包裝工程專業學生的工程實踐能力和創新能力，拓寬了包裝工程專業學生的就業途徑，提高了包裝工程專業的競爭力和就業質量。
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[8]王志偉,姚著.蜂窩紙板沖擊壓縮的試驗研究和有限元分析[J].機械工程學報,2012,48(12):49—55.
作者：滑廣軍，吳若梅，蔣海云，于文喜
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