復合材料干壓成型虛擬仿真實驗的創新與實踐

李明亮，王海亮，宋 博，盧紅霞

（1.鄭州大學材料科學與工程學院 河南 鄭州 450001；2.鄭州大學關鍵金屬河南實驗室 河南 鄭州 450001)

1 虛擬仿真實驗的背景及意義

近年來，隨著多種專業認證的推動，許多高校積極推動自身發展，不斷完善培養模式，優化課程內容，加強教師隊伍建設，完善質量控制機制以及實驗條件建設，以期更好地激發學生的創造性、探索性和能動性，從而更好地滿足社會發展的需求。鄭州大學材料科學與工程專業的“綜合實驗”課程是一項實踐性極強、具有研究設計性的綜合實驗課程。“復合材料干壓成型實驗”是“綜合實驗”的重要組成部分，陶瓷/金屬復合材料是材料領域研究與應用的重點，坯體成型的質量直接影響復合材料后續的燒結工藝和材料的最終性能。在當前復合材料干壓成型的教學和實驗過程中，由于儀器設備成本高、占用空間大、實驗設備數量有限不能滿足實訓要求；實驗采用納米原料，有一定的粉塵污染，加之實驗設備零件較復雜、成型壓力大、裝模、施壓、保壓與脫模等過程均有一定的危險性；另外，坯體成型過程中的致密機理難以直觀體現，影響了學生實驗學習的效率和效果[1]。

當今信息技術飛速發展，信息技術應用遍及社會生活的方方面面。高校使用3D 建模、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，以“理、虛、實”一體化的方式，構建虛擬仿真軟件及云平臺。利用其生動、立體、逼真的表現形式，學生可隨時隨地進行復合材料干壓成型虛擬仿真實驗，最大限度地發揮虛擬資源的技術優勢，提高實驗教學效果，降低實驗教學成本和風險，開展綠色實驗教學。

2 “復合材料干壓成型虛擬仿真實驗”設計與實驗

2.1 實驗原理

干壓成型是指陶瓷、粉末冶金及復合材料生產中較常用的一種坯體成型方法，也是材料制備的重要環節之一，干壓成型質量直接影響后續的燒結工藝和材料性能。其原理如下：首先，把適量黏合劑混合到復雜的顆粒物中，然后將混合好的顆粒放入專門的壓鑄模具；隨著顆粒不斷地運動，它們之間的距離越來越近并彼此緊貼；經過精準施壓與顆粒移動，這些材料的截面和模具的截面完全吻合，而其中的空隙也被有效地排除，使得材料的密實性大大增加，并達到較好的強度[2]。影響干壓成型性能的因素除粉體性能之外，還包括壓制方式、壓制壓力和壓制時間等。

采用虛擬壓片機仿真軟件系統，可為理論課程和實踐操作提供一個橋梁，從而更好地將兩者結合，讓學生可更好地掌握復合粉體的干壓成型技術，深入研究壓力的變化，比如壓力的大小、粉體的密度、壓縮的速度與壓縮的持續時長等，掌握粉體的壓縮特性，并準確估測粉體的壓縮壓力[3]。虛擬壓片機仿真軟件系統可實時模擬粉體與模具的受力情況以及氣孔率、體積密度等性能指數并以可視化圖像呈現，學生能更為直觀地觀察到復合粉體干壓成型的變化過程。通過引入虛擬復合材料成型虛擬仿真系統，能有效解決理論教學與實驗實踐訓練難以融合的問題，學生可以通過網絡平臺進行虛擬仿真實驗預約，虛擬仿真實驗實訓和考核，提交實驗報告等。

2.2 知識點

復合粉體造粒工藝對粉體流動性的影響規律。造粒工藝是干壓成型的先行工藝，是將磨細的粉料，經過干燥、加膠黏劑（PVA、石蠟、酒精或水），制成流動性好、粒徑約為0.1—1mm 的顆粒。造粒后粉體質量直接影響成型工藝及坯體性能，實驗中要掌握膠黏劑含量、蒸餾水添加量、膠黏劑與納米粉體的混合過程以及過篩造粒等工藝因素對粉體顆粒大小及流動性的影響。

成型壓力對坯體性能的影響規律。干壓成型過程包括升壓、保壓和泄壓三個過程。在坯體的截面面積和形狀保持不變的情況下，隨著壓力的增加，坯體的結構也會變得更加緊密，但如果壓力過大，就會使樣品出現分層，從而影響成型的效果。

升壓速度對坯體性能的影響規律。如果干壓成型的壓力控制不當，就可能會導致坯體出現分層、表面緊密而內部松軟，甚至產生氣泡等缺陷。因此，壓模的下落速度應該適當放慢，避免壓力過大，以免影響坯體的完整性。

保壓時間對坯體性能的影響規律。為使坯體內壓力傳遞充分，壓坯中密度分布均勻，以及更多氣體沿縫隙排出，必須要有足夠的保壓時間。若保壓時間太短，可能會造成壓力沒能達到預期的程度，從而影響氣體的流動，產生分層和氣泡的問題。因此，正確的保壓時長是至關重要的，它可以幫助確保壓坯的質量，從而獲得良好的結果。然而，如果壓力維持的時間太久，被壓縮的物料會因為釋放壓力而反彈，導致其破碎。

脫模的過程與方法。掌握脫模的方法和脫模后坯體自模具上取出的方法，以免造成坯體損壞。

2.3 核心要素仿真設計

運用信息技術和網絡平臺進行復合材料虛擬仿真實驗，這樣就能更好地模擬真實的實驗過程，并且能夠更準確地反映出實驗的目的、原理、操作環境以及互動體驗。

壓機是此仿真實驗中最為關鍵的儀器，其結構包括手輪、絲杠、螺母、立柱、頂蓋、大油缸、大板、油池、工作空間、壓力表、手動壓把、柱塞泵、注油孔螺釘、限位螺釘、吸油閥、出油閥等，其功能實現主要表現為擰緊絲杠和注油孔螺釘后，上下按壓手動壓把，油缸內油位上升，工作空間縮小，模具受到上下擠壓的力，壓力從模具上下壓頭傳至內部粉體，并在粉體內部繼續傳播，使得顆粒與顆粒之間緊密接觸，氣孔被排出，松散的粉體被壓制成為具有一定致密度的坯體。在仿真系統中，通過3D 建模以及邏輯搭建，可將壓機在使用過程中各部分結構之間的聯動進行可視化展示，真實地還原壓機的操作過程。

2.4 實驗教學特色

實景模擬式實驗設計。本虛擬仿真實驗運用信息技術帶來新的教學理念，采用“實景模擬式”方案設計，兼顧培養學生能力、提升實踐教學效果等多元化目標[4]。利用研究式的實驗設計，使學生對復合材料成型過程中可能出現的缺陷，如分層、空隙、應力梯度與變形等問題進行預測，從而為優化復合材料結構、調整工藝參數、模具及原料選擇提供依據。本虛擬仿真教學將學生置于核心地位，加強實驗過程的可靠性研究，并采取多種措施來保障學生的安全，實現高效的實驗實踐過程，從而實現綠色教學。為此，我們特別設計了12 個學生自由操作的交互性實驗步驟，如造粒、設置壓機參數、壓片機的拆卸等。

虛實結合的教學方法。復合材料模擬仿真實驗項目通過數學模型、工藝仿真、材料工藝方案及參數設計、仿真結果分析等環節，在3D 場景下完成復合材料干壓成型虛擬實驗預習、參數設計、材料成型、數據處理以及實驗報告。這款虛擬仿真實驗軟件擁有多種功能，包括自主學習、教師指導、預習、實驗和考核，可以在多種設備上使用，還提供了在線答疑服務。

科學合理的評價體系。采用綜合過程和結果的評價體系，過程評價包括了實驗操作過程和學生討論，結果評價包括對實驗結果的分析和總結。通過這一評估體系，可以更好地培養學生的綜合素質和實驗技能，并且可以根據學生和教師的反饋，不斷完善和優化教學評估機制。

2.5 系統架構圖及簡要說明

通過B/S 架構，三維虛擬仿真實驗系統可以在網絡實驗中心管理系統平臺上運行，并且可以根據真實的實驗環境，利用Maya 和3DMax 軟件對實驗室進行三維建模，從而更好地模擬實際情況。系統采用數據層、支撐層、仿真層、應用層等四層架構實現運行。

數據層：數據層收集和存儲著實驗中的所有建模數據、虛擬組件、用戶基本信息、參數、擬合方程、結果和實驗數據等。

支撐層：支撐層是基于網絡的實驗管理平臺，可以確保實驗正常運行，同時，還可以有效地管理用戶、實驗過程、數據和報告，從而為實驗提供全面的支持。

仿真層：仿真層主要是根據真實實驗場景進行建模，還原實驗本身，并且在實驗過程中，可以通過調整參數來探究不同的影響，從而大大提高實驗的深度和廣度。

應用層：具有廣泛的拓展性，可以滿足多終端不同用戶的需要。

3 考核要求

實驗結果與結論形式包括實驗報告與心得體會兩部分。實驗報告內容包括實驗目的、原理、設備、原料，并且詳細記錄實驗過程中各個環節的操作細節以及相關的工藝參數。心得體會內容包括學生在實驗時對工藝流程的思考與感受，總結歸納出此類工藝的優缺點及影響干壓成型坯體質量的因素并深入討論。

為保證教學質量，本虛擬仿真實驗項目采取過程考核的方式，每一步操作都進行記錄賦分，并在總成績評估中占一定的比例。實驗過程中會有知識點的提醒和選擇題目，同樣作為過程考核成績的一部分。根據最終的實驗報告進一步考核學生對基礎知識、實驗操作的掌握，并對實驗結果的優劣進行評估。基于課堂知識的基礎和前沿學術的延伸，讓學生在本虛擬仿真項目中能夠進一步提升綜合能力，促使基礎課、實驗課和仿真課高度融合、前后貫通[5]。

3.1 對學生的考核要求

全面考核學生的專業理論水平、文獻閱讀與綜述能力、實驗操作技能、數據分析能力和工程實踐能力等多種技能，考核涵蓋實驗過程評定和實驗結果評定兩部分。過程評定主要考核學生的基本學習能力、資料搜集能力、參與度，以及分析能力、溝通能力、協作能力、觀察能力及創新意識等；結果評定考核學生資料分析方法的科學性與嚴密性、理論基礎掌握程度、實驗報告格式規范性、操作規范與反應能力、解決問題的能力等。并通過反饋和糾錯機制，不斷提高學生實驗實踐、工程應用及創新能力。

3.2 考核成績構成

實驗預習（20%），考核內容包括上網檢索與綜述文獻、學習虛擬仿真實驗、撰寫預習報告和完成預習效果測試；實驗過程（50%），考核內容包括工藝參數選擇、實驗操作熟練程度及實驗過程調整能力等；實驗報告（30%）,包括數據處理、結果分析討論及實驗總結等。

4 面向高校、社會的教學推廣應用與持續服務計劃

通過采用舉辦會議論壇、交流訪問等形式，與兄弟院校進行項目建設思路、經驗和成果的資源共享，建立具有通用性、集成性和實用性的虛擬仿真實驗教學項目。通過配套信息化、網絡化軟硬平臺，不斷更新軟件版本，構建跨越式共享平臺，面向社會的推廣與服務計劃在項目實施第三年啟動。在積累一定經驗、虛擬仿真實驗平臺功能比較健全之后，可向有需求的企業及個人定制提供有償服務，所得收入用于平臺系統的維護及進一步完善。

5 結語

目前，項目所建設的平臺已有能力承擔鄭州大學材料科學與工程專業學生的實驗教學任務，并可支持其他材料類專業的實踐教學，這一切均得益于該項目建立的網絡化實驗教學與實驗管理信息平臺，為學生提供了一個完善的實驗實踐環境。項目已建成較為完善的組織機構和管理體系，組建了較為穩定的教學服務團隊，依托鄭州大學材料科學與工程一流學科建設，與更多高校的合作及推廣應用前景十分廣闊。該項目后續將繼續申請河南省材料學虛擬仿真實驗中心課程群項目，將依托省級虛擬仿真實驗教學中心平臺，為全國各大院系及研究機構提供全面的技術支持，以滿足各界不斷變化的需求。