一、课程基本概况
课程名称：《CAD/CAE/CAM综合实践》 课程负责人：苗青
学分学时： 2学分，40学时 所属学院： 材料学院
教学对象：材料成型及控制工程专业大三本科生 课程类别：专业必修课
二、课程思政典型案例
案例名称: 国之重器智能制造，材料成型仿真先行
1.课程章节及名称：第4章第1节 锻造成型中的CAE应用
2.教学目标
知识目标
1)了解锻造成型的常用CAE软件和分析结果。
2)熟悉Simufact Forming（SF）软件的基本功能和使用命令。
3)掌握Simufact Forming软件圆环镦粗仿真分析的上机操作。
能力目标
1)能够基于锻造成型的具体问题选用SF中的对应模块。
2)能够运用Simufact Forming软件进行圆环镦粗仿真分析。
育人目标
1)引领青年学生“爱国立志”：涵养青年学生的爱国情怀，树立“科技报国”的远大志向。
2)激励青年学生“争为工匠”：培养青年学生的专注品质，传承、发扬并践行“工匠精神”。
3)带动青年学生“创新智造”，激发青年学生的创新意识，承接“智能制造”的时代使命。
3.教学思想
本课程的授课对象是“材控”专业大三年级的学生，已经学习过专业基础课《材料成型工艺》，对于铸造、锻造等传统的材料成型工艺具有学习基础，但是却很少涉及到传统成型工艺用于先进机器零件成型的应用案例，很多学生还将铸造、锻造等成型工艺狭义化理解成“苦活、脏活、累活”缺乏从事传统成型的信心和决心。
以往计算机类课程的教学模式是“重软件，轻专业”“重训练、轻实践”，学生习惯于对软件命令的机械式记忆和重复式训练，很少从成型工艺的角度出发来处理软件运用问题，而且也缺乏对“中国高端制造”“智能制造”的学习和解读，无法基于“材控”专业找到自身特长与国家、区域发展需求的结合点，找不到青春绽放的舞台。
锻造成型是支撑国民经济高端领域核心零部件生产的重要成型工艺，但是传统的锻造成型由于高度依赖工人的操作经验，所以一直存在材料利用率低，生产效率低等不足之处。CAE软件用于设计与制造之间的仿真环节，对工业赋能效力强，能够提高复杂锻造工艺的适应性，利于生产有难度的锻造产品。
基于以上学情分析，本次课的课程思政教学设计以高端轴承零件的CAE优化环形锻造为内容，运用“问题牵引式”工程实例教学法，将实际工程案例中的技术问题分解为小问题并进行牵引式贯穿，串联式介绍“锻造成型——制造国之重器的关键工艺”和“CAE仿真——助力材料成型的先进方法”2个专题，其中融入“数智创新”“高端制造”等育人元素，引领青年学生承接“智能制造”的时代使命。
4.课程思政教学实施
1) 课前准备
课前给学生布置预习任务和要求，提前一周在智慧树教学平台上上传“国之重器智能制造，材料成型仿真先行”专题的背景资料。
2) 背景引入
国产歼-20（15吨级）与美国F-22尺寸和采用材料都非常接近，但歼-20的空机重量比美国F-22的空机重量（19~19.6吨）降低了近三分之一，这主要依赖于歼-20锻造结构件重量的减重，由此引出中国高端制造——航空锻造，进一步引出“智能制造，仿真先行”。
3）互动过程
本节段教学围绕“一种工艺、一个领域、一个零件”而进行课堂教学组织，挑选一种传统而又现代的成型工艺——锻造成型，具有代表性的中国高端制造领域——航空领域进行“锻造成型——制造国之重器的关键工艺”的专题讲座，选取广泛应用于国民生产各部们的重要零件——轴承，结合“问题牵引式”工程实例教学法开展Simufact Forming的环轧成型的仿真操作演示，以“CAE仿真——助力材料成型的先进方法”的案例内容为基础，精准融入“创新、智造”的育人元素，引领青年学生开启“创新智造”，激发青年学生的创新意识，承接“智能制造”的时代使命。
4）案例简介
锻造成型——制造国之重器的关键工艺。
锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局 部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状的零件（或毛坯）并改善其组织和性能的加工方法。金属材料经过锻造加工后 ，形状、尺寸稳定性好，组织均匀，纤维组织合理，具有较高的 综合力学性能。航空制造中，锻造经常用于制造关键结构件，主要是将钛合金、高温合金和高强钢等金属材料粗加工成毛坯件。航空零件的强度、刚度、疲劳性能等力学性能在这一工序中基本得以固化。
图1位于航空制造产业链中游的锻造成型
航空锻造属于高端制造业，支撑飞机和航空发动机升级迭代。环形件在航空发动机中应用广泛，环形锻件是航空发动机上的主要承力部件，主要包括各部位机匣、封严环、支承环、风扇法兰环、固定环、燃烧室喷管外壁环件、涡轮导向环、整流环等，其性能、质量和成本是决定飞机和发动机的性能、可靠性、寿命和经济性的重要因素之一。
在锻造成型中每个环境参数的处理均有严格要求，实际生产中环境较为复杂，难以同时精准控制多个因素，导致锻造行业在制造过程中需要靠经验，影响锻件产品质量一致性。大型复杂环锻件由于服役条件苛刻且性能要求较高，存在产品工艺设计周期较长、变形质量不稳定、生产效率低等问题，运用现代CAE技术能够选择环境参数，加载工艺条件、环境因素开展锻造成型的仿真，优化工艺参数，可针对痛点提升生产效率及生产规范性，同时提高材料利用率。
CAE仿真——助力材料成型的先进方法。
轴承是机械工业的基础零部件，被广泛应用于汽车、工程机械、家电、电机等领域。轴承的质量和性能直接影响着机械产品的运行效率和寿命。然而，中国的轴承制造业却面临着一个尴尬的现实：我国只是轴承生产大国，却不是轴承制造强国。每年，中国都要进口大量的高端轴承，以满足国内市场的需求。
锻造是保证轴承使用可靠性和寿命的重要环节，原材料经过锻造后，形成轴承套圈毛坯。与此同时，原材料的组织结构变得更加致密、流线性变好，从而可以提高轴承可靠性和使用寿命。此外，锻造工艺的好坏还会直接影响到原材料的利用率，从而对生产成本产生影响。
图2 锻造成型CAE仿真分析举例
CAE技术可以模拟锻造成型过程中的局部大位移、大转动，以及复杂的接触算法，可以进行多种锻造工艺的模拟。通过仿真分析，能够了解金属塑性成形全过程，包括金属成形过程中各阶段材料填充模具的情况、材料变形趋势、材料内部的应力、应变等。
环径高达8000mm的轴承是我国众多风机厂风机的核心部件，基于Simufact Forming（SF）软件的专业环轧功能，对轴承内外圈试制工艺仿真，控制加工质量，提高轴承产品的稳定性。引领学生运用CAE辅助国之重器的锻造成型，助力高端中国制造。
5）教学方法
教师专题讲座：教师围绕讲解“航空锻造”进行专题介绍，介绍锻造成型在航空飞机、航空发动机关键零件生产中的应用情况。
问题牵引式教学：依据Simufact Forming软件的功能模块，将Simufact Forming辅助环形锻件仿真优化成型的工程实例拆解为具有工艺相关性的小问题，并以工艺成型顺序为主线来开展问题牵引式教学，构建了一个面向真实生产案例的有机软件学习模式，培养和锻炼了学生对复杂工程问题的分析和解决能力。
图3 学生分享航天锻件设计及仿真软件CATIA
学生观点表达：引领学生思考如何运用CAE仿真破解锻造产品高价值和低生产效率及低成品率之间的矛盾。敢于走到台前的学生可以选择将学习体会制作PPT，并进行课堂汇报和展示；全班同学均可通过雨课堂的个人投票功能将学习收获反馈给教师，征得学生同意后，学生观点会被展示在教室屏幕上。
