CAE在金属包装设计与制造课程教学的改革与实践

　　摘要：数值仿真技术(CAE)借助于计算机强大的计算能力，汇集了数学、力学、材料学、物理学等方向的研究成果，在工科专业的实践教学方面具有很大的应用潜力。文中以包装工程专业课程《金属包装设计与制造》为例，将大型CAE软件AnsysWorkbench引入到课程的教学环节，开发多个金属包装结构数值仿真实验。实践教学表明，仿真分析技术在《金属包装设计与制造》课程的融入充实了该课程的内容，丰富了教学手段，提高了学生的工程实践能力。

　　关键词：新工科;数值仿真技术;数值仿真实验;包装工程;金属包装

　　新工科的建设是为了应对新一轮科技革命与产业变革，适应新经济、新产业、新业态的发展，以国家战略导向为基础，为培养新型工程科技人才而提出的工程教育改革新方向。2019年，教育部发布实施一流本科专业建设的通知，一些高校组织力量对专业改造升级的路径、方案和实践方面进行了探索。包装工程专业一流本科及新工科的建设更需要一系列先进教学资源的支撑，需要从教学思想、教学理念到教学方法进行一系列的改革、探索和实践，将科技发展的新成果持续融入专业知识体系，不断丰富专业内涵，深化教学改革，提升人才培养质量[1]。

　　金属论文范例：金属材料检测中存在的问题及解决办法

　　新工科建设既涉及到专业宏观、总体、方向性的改革、探索和实践，也涉及到课程层级的教学改革[2]。《金属包装设计与制造》课程是介绍金属包装制品结构设计与制造工艺过程的一门系统应用型课程，是包装工程专业的主干课程之一，在包装高等教育体系中具有重要的作用[3]。金属包装容器是用金属薄板制造的空间薄壁腔体结构，广泛应用于食品包装、医药品包装、日用品包装、仪器仪表包装、工业品包装和军品包装。金属包装材料相比一般包装材料具有更高的强度，且方便运输，不易破损，款式多样，印刷精美，是主流的包装容器之一。

　　由于金属材料强度大，金属包装容器制备和实验对设备的投入大、危险性高，目前在包装工程的专业教学体系中，国内高校的《金属包装设计与制造》课程以理论授课为主，试验课程很少开设，影响了学生对金属包装容器设计理论的理解，需要融入更先进的教学资源和教学方法支撑理论教学[4]。

　　为促进信息化技术在教学中的应用，以解决实践教学资源不足的问题，教育部印发了开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[5]。国内外高校掀起了开发虚拟仿真教学项目的热潮，解决了部分实践教学资源不足的问题。虚拟仿真在各专业教学中的应用有待持续的建设、改革和探索[6]。

　　目前数值仿真已经成为与理论研究、实验研究并称的第三种科学研究手段。传统的包装工程专业教学体系基于理论教学加实验、课程设计、实习等实践教学环节，其已不能满足包装行业新的发展需要，需要根据包装工程专业的培养目标、包装行业的新需求和数值仿真分析技术特点，将仿真分析技术引入到包装工程专业教学体系中，优化专业培养体系，更新教学内容和课程体系。仿真分析技术具备丰富的多物理场模拟分析功能和结构优化设计功能，能够对包装工程专业教学的多个环节进行补强和增厚[7—8]。

　　1传统《金属包装设计与制造》教学中存在的问题

　　《金属包装设计与制造》课程突出容器设计与制造相结合的主体思路，注重实践性，由于金属包装容器实验开设要求比较高，目前国内高校《金属包装设计与制造》课程普遍存在以下问题。

　　1)实验课开出率难以保证。在传统的《金属包装设计与制造》课程教学体系中，教学内容主要由理论教学、实验教学构成。实验教学方面设计了金属卷边实验和冲压实验，金属卷边实验设备操作难度较大，设备维护要求比较高，该实验很少能够正常开设，2015—2016年作为演示性实验开设的2年，由实验教师做演示，学生记录实验过程、观察工艺参数对卷边结果的影响。冲压实验在操作过程中存在较高的危险性，经过安全评估不建议在本科实验室开设。

　　2)理论教学效果不够理想。金属包装容器结构及成型工艺复杂，其典型的结构有波纹、膨胀圈、环筋、圆边、穹顶等结构，成型工艺有卷边、辊筋、膨胀、冲压、拉伸、缩颈等，知识点较多，采取传统的理论教学方法，学生难以理解这些典型结构对金属包装容器性能的影响，也不能够观察到典型加工工艺的作用，效果有待提高。如有些学生不理解金属容器中的弧面结构、箍筋结构等是如何成型的，以及这些结构对提高容器强度、减少材料使用方面的作用。

　　3)工程实践性教学需要加强。金属容器设计涉及到材料、结构和实际使用过程中的载荷条件等因素，在流通过程中的载荷工况往往多种形式，有时甚至是多种载荷的耦合。如金属桶在流通过程中既要承受横向的冲击载荷，也要承受顶部的堆码载荷，在车辆运输时既有垂直堆码载荷也有横向冲击载荷。传统的实验往往只能施加1种载荷条件，多种载荷的耦合条件在一般的高校实验室很难建立。

　　2《金属包装设计与制造》数值仿真教学资源建设CAE数值仿真平台具有优异的人机交互特点，具有强大的材料模拟能力，能够形象逼真地模拟复杂的物理系统，便捷地对系统施加载荷及约束条件，利用计算机强大的计算能力进行计算、分析，分析结果能够以曲线、图表、云图、动画的方式演示，也能够借助多媒体手段进行展示[9]。大型的CAE数值仿真平台是数值分析技术与计算机、材料科学、力学及物理学等领域科研成果高度集成的结晶，目前已广泛应用于航空航天、汽车、机械、建筑工程等领域[10]。将CAE数值仿真平台强大的工程模拟及计算能力融入到包装工程专业教学，是对包装工程专业教学体系的优化和升级。

　　2.1数值仿真教学资源的形式

　　AnsysWorkbench是最有代表性的大型的数值仿真平台，利用该仿真平台，能够方便地建立复杂物理系统的虚拟仿真模型，并进行实验分析，其强大的协同仿真能力是传统的虚拟仿真实验无法比拟的。

　　数值仿真平台用于包装工程专业教学，需要结合专业及行业特点进行二次开发，建立分析及评价体系。为配合《金属包装设计与制造》理论教学，湖南工业大学的《金属包装设计与制造》专业教师基于AnsysWorkbench数值仿真平台，设计了多项金属容器数值仿真实验项目，内容涉及易拉罐、金属桶结构设计，以及金属板挤压成型、金属板材弯曲成型、金属容器抗压性能实验模拟等。

　　其中关于易拉罐穹顶结构数值仿真分析、金属桶箍筋结构数值仿真分析的具体实现方法和步骤在《包装虚拟仿真》课程中，在《金属包装设计与制造》课程中描述了数值仿真思路和分析目的。金属板挤压成型、金属板材弯曲成型、金属容器抗压性能实验模拟等数值仿真分析实验作为学生的课外拓展学习资源。通过建设线上线下课程，数值仿真教学资源以视频、PPT、电子教材、指导书等多种形式提供。《金属包装设计与制造》数值仿真教学，丰富了学生的学习渠道，拓展了学习的时间和空间，教学效果显著提升。

　　2.2数值仿真实验思路

　　《金属容器设计与制造》数值仿真实验项目的主要包括材料参数的确定、几何模型的建立、数值模型的生成、载荷及约束条件的施加、求解及分析结果提取等。

　　完成这个数值仿真分析过程，相当于对该课程进行工程实训，也是对专业课程知识的一次系统性的应用和梳理，涉及到的专业知识包括包装材料学、包装CAD、工程力学、包装虚拟仿真课程等。基于大型数值仿真平台开发的虚拟仿真实验项目不仅能够实现传统的虚拟仿真实验教学项目所需的功能，加深学生对专业理论知识的理解，更有助于学生开展探究性、创新性研究，使学生掌握了先进的工程设计和分析技术，为其毕业后迅速融入行业及企业提供助力。

　　3数值仿真分析教学案例

　　易拉罐穹底结构数值仿真实验设计的工程背景：易拉罐穹底结构主要为了保证摆放时的稳定性，穹底结构使易拉罐的加工更为复杂，很多学生并不理解穹底与平底结构对于稳定性的作用。课程组教师基于AnsysWorkbench设计了易拉罐数值仿真实验。易拉罐底部设计成穹底结构，顶部设计成平底结构，易拉罐顶盖厚度为0.38mm，罐体及罐底厚度为0.21mm。分析易拉罐承受内压能力为0.15MPa的情况下罐体底部及顶盖结构的变形情况。数值仿真实验分析过程如下。

　　1)确定材料模型。易拉罐为铝合金材料，在内部0.15MPa压力下易拉罐的变形属于小变形，用线弹性材料模型，弹性模量68GPa，泊松比为0.35。如果模拟易拉罐成型过程，要选择非线性材料模型。

　　2)选择分析单元。易拉罐为空间薄壁结构，数值仿真分析时选择SHELL181单元进行模拟。由于易拉罐的罐盖与罐身、罐底厚度不同，需要分别设置不同的厚度参数。

　　3)建立易拉罐几何模型。

　　4)划分单元。将材料属性与单元属性赋值给三维实体模型，执行单元划分，得到易拉罐的有限元模型。

　　6)施加载荷及约束。模型施加0.15MPa的内部压力。

　　7)选择分析类型进行计算。选择静力分析类型，执行计算。

　　8)分析结果提取。基于数值分析软件能够提取丰富的计算结果，包括应力、应变、变形等云图，某点或路径的应力、应变状态变化过程曲线，全部或局部模型的动态变形过程等。结果表明，在0.15MPa内部压力下，罐底中部相对于罐底边缘的变形量为0.627mm，罐底仍然保持比较好的内凹形态，保证放置时稳定性。罐盖中部相对于罐盖边缘部位的变形量为4.146mm，罐盖变形量远大于罐底，穹底结构的耐压能力远大于平底结构。

　　4结语

　　数值仿真实验的互动性提高了学生的在学习过程的参与程度，从过程到结果的展现都更加形象、生动。数值仿真分析技术引入到《金属包装设计与制造》课程教学，丰富和充实了课程的教学手段和教学内容，取得了比较好的教学效果，提高了学生的工程实践能力、创新能力。通过几年的教学实践与探索，数值仿真分析技术在我校包装工程专业的教学中初见成效。

　　近些年湖南工业大学培养了很多具备数值仿真技术专长的包装工程专业本科生或研究生，其在耐帆、美盈森、东京控股、国光电器、湘潭电机物流有限公司等物流包装龙头企业成为了技术骨干。目前，一些包装企业已提出了对掌握仿真分析技术方面毕业生的岗位需求，并对这些岗位给予了高于传统岗位的薪金待遇和发展机遇。仿真分析技术在包装工程课程教学中的融入提高了包装工程专业学生的工程实践能力和创新能力，拓宽了包装工程专业学生的就业途径，提高了包装工程专业的竞争力和就业质量。

　　参考文献：

　　[1]王志伟.《运输包装》课程的教学改革与实践[J].包装工程,2019,40(S1):1—3.

　　[2]李岩,张建新,刘举.新工科工程教育体系下特色专业课建设——以地下混凝土结构设计课程为例[J].高教学刊,2021,7(17):72—75.

　　[3]吴若梅,刘跃军,滑广军.金属包装设计与制造[M].北京:中国轻工业出版社,2021:176—182.

　　[4]滑广军,刘跃军,谢勇.ANSYS包装工程应用实例解析[M].上海:上海交通大学出版社,2017:285—290.

　　[5]李光,宋海燕,孙彬青,等.包装工程国家级虚拟仿真实验教学中心的建设与实践[J].包装工程,2019,40(S1):47—51.

　　[6]王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(5):214—219.

　　[7]滑广军,袁志庆,蒋海云.新工科背景下包装工程专业仿真分析技术教学改革与实践——以湖南工业大学为例[J].教育现代化,2018,5(23):62—65.

　　[8]王志伟,姚著.蜂窝纸板冲击压缩的试验研究和有限元分析[J].机械工程学报,2012,48(12):49—55.

　　作者：滑广军，吴若梅，蒋海云，于文喜

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