新工科背景下包装工程专业仿真分析技术教学改(3)
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【摘要】(三) 设计仿真分析教学案例 推动专业教师将研究成果及时转化为教学内容,建设满足包装行业发展需要的课程和教材资源,是新工科背景下培养高素质
(三) 设计仿真分析教学案例
推动专业教师将研究成果及时转化为教学内容,建设满足包装行业发展需要的课程和教材资源,是新工科背景下培养高素质包装工程技术人才的关键。湖南工业大学组织包装与材料工程学院专业教师,对包装工程仿真分析技术及经典案例进行系统总结和梳理。在多年教学及仿真分析软件使用经验的基础上,结合包装工程课程体系及物流运输包装设计课程群,作者设计并整理了ANSYS软件在包装工程应用的20个典型实例[11]。书中案例涉及包装行业用到的薄壁结构、梁结构、桁架结构、实体结构、弹簧质量单元结构、包装容器、缓冲包装系统结构、物流运输包装器具等结构的分析,涉及到纸质材料、塑料材料、木制材料、金属材料等等,详细地介绍了包装工程典型结构及产品的有限元建模、分析及后处理步骤。部分案例给出解析解与仿真结果进行对比分析,使学习者能够快速入门的同时,还能够深入地理解仿真分析技术与包装设计理论知识及实验测试技术的关系。部分案例是对包装行业中存在的共性问题的解析,一部分案例是对包装工程专业课程重要知识点的补充和佐证。该书可以作为本、专科院校包装工程专业、物流工程专业高年级学生或研究生学习使用,也可以作为包装行业企业或研究机构中产品开发人员、设计技术人员参考用书。目前该教材已在湖南工业大学2015包装工程专业教学中使用,提高了学生的对专业学习的兴趣。
(四) 仿真分析技术人才培养效果
包装行业对掌握仿真分析技术的人才有旺盛的需求。湖南工业大学把握包装行业的新需求,通过近几年的包装工程仿真分析技术的教学,取得了显著的成果。据统计,近些年,我校培养的有仿真分析技术专长的包装工程专业大学生或研究生在耐帆、美盈森、东京控股、国光电器等包装龙头企业工作。有些学生在高新制造企业或研究机构工作,这些工作岗位以前是不对包装工程专业开放的。这些学生将仿真分析技术作为研究和创新手段,取得了丰硕的成果[12-14],迅速成长为企业技术骨干。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,并对这些岗位给与了高于传统岗位的薪金待遇与发展机遇。对应该说,仿真分析技术在包装工程专业教学工作中的介入,增强了包装工程专业学生的工程实践能力及创新能力,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。
五 结论
1)传统的包装工程专业教学体系是基于理论教学加实验、课程设计、实习等实践教学环节,已不能满足包装行业新的发展需要,因此需要根据包装工程专业的培养目标、包装行业的新需求以及仿真分析技术特点,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。
2)仿真分析技术具备丰富的多物理场模拟分析功能及结构优化设计功能,能够对包装工程专业教学的多个环节进行补强,高校需要基于工程实践及本校包装工程专业教学资源进行建设,合理设置仿真分析技术教学内容。
3)仿真分析技术的引入,丰富和充实了包装工程专业教学手段与教学内容,增强了包装工程专业学生的工程实践能力、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就业质量。
一 前言在传统的工科教育模式下,企业对人才的需求与高校大学生的培养质量之间存在巨大的鸿沟。新工科的一个重要作用就是打破高校单向培养模式的局限性,凝聚社会优质教育资源,寻求多方协同育人模式,以培养具有创新实践能力的应用型人才。2017年4月8日,教育部组织60余所高校在天津大学召开新工科建设研讨会,提出了新工科的建设目标:2020年探索形成新工科建设模式,主动适应新技术、新产业、新经济发展;到2030年,形成中国特色、世界一流工程教育体系,有力支撑国家创新发展;到2050年,形成领跑全球工程教育的中国模式,建成工程教育强国,成为世界工程创新中心和人才高地。中共中央、国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》,提出到2020年进入创新型国家行列、2030年跻身创新型国家前列、到2050年建成世界科技创新强国。新工科的建设需要一系列先进的研究手段及先进工程技术方法做支撑,近年来仿真分析技术在许多行业的新产品开发与设计中的作用越来越突出。2015年教育部批准了100个国家级虚拟仿真实验教学中心。地方政府也认识到了仿真分析技术在高校教学中的作用,2016年湖南省有28个省级虚拟仿真实验教学中心立项。仿真分析技术已成为国内高校机械、土木、汽车等相关专业本科必修课程。包装工程专业目标是培养掌握包装工程基础理论,擅长现代包装设计与包装技术应用的人才。仿真分析技术在包装行业的应用近些年已得到了行业专家的重视。如王志伟、卢福德等对典型包装材料的性能进行了仿真分析[1,2]。本文作者对LS-DYNA软件的DTM分析模块的跌落仿真分析精度进行了研究[3]。孟令伟等将计算机仿真软件作为物流运输包装课程教学中的一个模块,提高了包装工程专业学生的计算机软件应用能力和创新能力[4]。于志彬提出以计算机虚拟技术和网络为基础的运输包装教学模式[5]。据2016年12月2日统计,从1993年开始,在国内包装行业权威期刊《包装工程》发表的论文中,以有限元为主要分析手段的研究论文增速迅猛(如图1)。这说明有限元分析技术已成为包装行业研究与开发的重要技术手段之一。同时,国内包装行业龙头企业对包装制品的仿真优化设计、包装系统的仿真分析技术提出了迫切需求。当前,传统的包装工程专业教学体系已不能满足包装行业对创新型人才的需求[6]-[10]。由于有限元分析技术在包装行业的应用尚处于起步阶段,相关教学资源的整合还不够系统,因此急需包装技术院校整合师资力量进行建设。图1 《包装工程》有限元相关论文数量趋势图二 传统包装工程教学中存在的问题在传统的教学体系中,包装工程专业的教学方法主要由理论教学、实验与课程设计构成,仿真分析教学内容很少涉及,总体教学效果不够理想。主要存在以下问题:实验课开出率不能保证。受实验条件的制约,以往的教学体系常出现实验无法开出的问题,难以实现专业教学目标。如《包装容器结构设计与制造》的金属包装容器部分,由于缺乏相应的实验装置,金属桶及金属罐的成型工艺实验模块一直没有开设,许多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。理论教学效果不够理想。对于工科专业学生,《动力学》都是比较难的课程。《包装动力学》涉及到产品、易损件及衬垫系统的多自由度动力学模型,如果考虑到运输车辆,则模型还要复杂。多自由度模型的响应受到阻尼、质量、弹簧刚度的影响,这部分对应的内容理论性强,消耗学时多,单纯讲解动力学理论,学生不容易理解和消化,教学效果不够理想。包装设计体系不够完善。包装制品涉及到塑料、纸、金属、木材、陶瓷、玻璃等材料,为了提高材料的使用效率,这些包装材料还要进一步加工成复杂的阵列式薄壁结构(如蜂窝结构或瓦楞结构等)、腔型结构(如瓶、罐等)及框架结构(如框架木箱)。这些材料及结构的性能、承载及破损机理差别很大,目前包装设计理论还不够成熟,包装设计体系不够完善。包装设计教学单纯采取理论设计及实验的方法,制约了学生设计能力的发挥。包装工程属于小专业,有限元技术应用的时间比较短,师资力量不够集中,教材方面的建设比较缺乏,目前包装工程专业还没有专用的教材出版。目前机械类、力学类、土木工程专业已将有限元分析技术作为必修课程,用于专业教学的教材及工具书也比较丰富。三 仿真分析技术的需求分析(一) 包装行业需求无论新工科还是传统学科,其最终目的都是服务于产业发展。为了充分了解包装行业对包装学科的新需求,本文作者赴湖南工业大学东莞包装实习基地龙头企业,如美盈森集团股份有限公司、深圳东莞汇林包装有限公司、广州番禺美特包装有限公司、深圳冠为印务有限公司等进行了调研,同时对湖南省本地有代表性的包装企业如长沙华望科技股份有限公司、湖南荣昌包装有限公司进行了调研。调研结果表明,这些企业对纸质、塑料及金属包装容器的结构优化、包装件的跌落仿真试验、蜂窝材料的减量化设计、缓冲衬垫的优化设计方面存在困难,目前包装行业掌握包装设计基础知识与有限元分析技术的人才短缺。这些包装龙头企业急需掌握有限元分析技术的包装专业技术人才进行支撑。(二) 包装材料性能分析需求包装材料涉及纸质材料、塑料、玻璃、陶瓷、金属、复合材料、木材、黏合剂、油墨等材料,这些材料的性能各异,有些近似线性,有些属于非线性材料。为了提高材料使用效率,这些材料常常加工成薄膜、板材、梁、柱或复杂的空间结构(如蜂窝纸板、瓦楞纸板等)等型材,这些材料的承载机理及失效形式差别很大。另外,包装材料性能的检测受到试样制备、测试仪器精度、试验环境条件等多种因素的影响,往往会导致错误的实验结果,影响对材料性能的正确评价及合理应用。因此,无论是理论分析方法,还是实验测试技术,对包装材料性能的正确表征都有很大的局限性,采取仿真分析技术,能够丰富对包装材料性能分析的手段,有助于揭示包装材料承载机理。(三) 包装结构创新设计需求为了满足对产品的保护要求,包装材料往往加工成罐、瓶、桶、袋、框、箱、衬垫等形状更为复杂的包装容器,以承受流通环境中的振动、冲击、堆码压力、温湿度及霉菌、生化气体等作用。产品的最终作用是用于消费,消费者最先接触到的并不是产品本身,而是包装容器,包装容器结构除了对产品的保护作用,还要考虑到使用者的消费体验因素,因此包装容器常常需要设计一些工艺结构用于美化产品,这使得包装容器的结构及承受的外部作用更加复杂。对于包装工程专业的在校学生,工程实践的经验比较欠缺,同时高校的实验条件总是有限的,多物理场的载荷作用以及复杂的包装结构,使得包装工程专业学生对所设计的包装容器制品的性能缺乏评价及优化手段,影响了学生设计能力的发挥。仿真分析技术具备丰富的多物理场模拟分析功能及复杂结构优化设计功能,能够对复杂结构的包装容器性能进行多物理场的耦合及解耦分析,丰富包装工程专业学生的创新设计能力。四 仿真分析技术的建设措施与成效(一) 修订教学方案将包装行业和包装设计技术的最新发展,以及包装行业对人才培养的最新要求引入教学过程中,更新教学内容和课程体系。物流运输包装课程群涵盖包装容器设计、包装动力学、包装材料学、运输包装设计、包装测试技术、包装系统设计等包装工程专业的主干课程。该课程群的教学效果,对包装工程专业学生的培养质量具有重大影响。湖南工业大学基于包装工程专业教学目标,组织课程群专业教师,根据物流运输包装课程群的理论教学内容及实践教学资源配置,对物流运输包装课程群中各门课程对仿真分析技术的需求进行整理,修订了物流包装课程群核心课程教学大纲,增加了《包装容器结构设计与制造B试验》课程,作为《包装容器结构设计与制造》、《物流运输包装技术》、《包装系统设计》、《包装测试技术》、《包装材料学》等课程的实践教学环节,增加包装材料性能模拟计算、缓冲包装系统跌落仿真分析、塑料包装容器及金属包装容器结构优化设计等仿真教学模块的内容。(二) 建立仿真实验室仿真教学需要借助仿真软件、计算机及教学场地进行。湖南工业大学组织专业教师对目前国际上主流的仿真分析软件进行了论证,最后购买了安世亚太公司的仿真分析软件ANSYS及专业包装容器结构设计软件ArtiosCAD,并配置了专用服务器,建立了包装工程仿真分析实验室,供本科仿真教学及研究生学习使用。包装工程仿真分析实验室能够进行包装材料性能仿真、包装容器结构优化设计、多物理场分析、包装件跌落分析、振动及冲击响应分析、物流过程仿真等功能。包装工程仿真分析实验室的建立,增强了高校对包装企业的技术服务能力,丰富了包装工程专业的教学手段,充实了专业教学资源,提高了包装工程专业学生的工程实践能力。(三) 设计仿真分析教学案例推动专业教师将研究成果及时转化为教学内容,建设满足包装行业发展需要的课程和教材资源,是新工科背景下培养高素质包装工程技术人才的关键。湖南工业大学组织包装与材料工程学院专业教师,对包装工程仿真分析技术及经典案例进行系统总结和梳理。在多年教学及仿真分析软件使用经验的基础上,结合包装工程课程体系及物流运输包装设计课程群,作者设计并整理了ANSYS软件在包装工程应用的20个典型实例[11]。书中案例涉及包装行业用到的薄壁结构、梁结构、桁架结构、实体结构、弹簧质量单元结构、包装容器、缓冲包装系统结构、物流运输包装器具等结构的分析,涉及到纸质材料、塑料材料、木制材料、金属材料等等,详细地介绍了包装工程典型结构及产品的有限元建模、分析及后处理步骤。部分案例给出解析解与仿真结果进行对比分析,使学习者能够快速入门的同时,还能够深入地理解仿真分析技术与包装设计理论知识及实验测试技术的关系。部分案例是对包装行业中存在的共性问题的解析,一部分案例是对包装工程专业课程重要知识点的补充和佐证。该书可以作为本、专科院校包装工程专业、物流工程专业高年级学生或研究生学习使用,也可以作为包装行业企业或研究机构中产品开发人员、设计技术人员参考用书。目前该教材已在湖南工业大学2015包装工程专业教学中使用,提高了学生的对专业学习的兴趣。(四) 仿真分析技术人才培养效果包装行业对掌握仿真分析技术的人才有旺盛的需求。湖南工业大学把握包装行业的新需求,通过近几年的包装工程仿真分析技术的教学,取得了显著的成果。据统计,近些年,我校培养的有仿真分析技术专长的包装工程专业大学生或研究生在耐帆、美盈森、东京控股、国光电器等包装龙头企业工作。有些学生在高新制造企业或研究机构工作,这些工作岗位以前是不对包装工程专业开放的。这些学生将仿真分析技术作为研究和创新手段,取得了丰硕的成果[12-14],迅速成长为企业技术骨干。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,并对这些岗位给与了高于传统岗位的薪金待遇与发展机遇。对应该说,仿真分析技术在包装工程专业教学工作中的介入,增强了包装工程专业学生的工程实践能力及创新能力,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。五 结论1)传统的包装工程专业教学体系是基于理论教学加实验、课程设计、实习等实践教学环节,已不能满足包装行业新的发展需要,因此需要根据包装工程专业的培养目标、包装行业的新需求以及仿真分析技术特点,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。2)仿真分析技术具备丰富的多物理场模拟分析功能及结构优化设计功能,能够对包装工程专业教学的多个环节进行补强,高校需要基于工程实践及本校包装工程专业教学资源进行建设,合理设置仿真分析技术教学内容。3)仿真分析技术的引入,丰富和充实了包装工程专业教学手段与教学内容,增强了包装工程专业学生的工程实践能力、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就业质量。参考文献[1] 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,(12):49-55.[2] 卢富德,高德. 植物纤维餐具碗在运输包装环境抗冲击行为有限元分析[J]. 振动与冲击,2015,(06):137-139+167.[3] 滑广军,费伟民,谢勇. 缓冲包装跌落仿真误差分析[J]. 包装工程,2016,(13):54-59.[4] 孟令伟,刘伟,胡亚光,等. 虚拟仿真技术在包装工程专业课程教学中的应用与实践——以“物流运输包装设计”课程为例[J]. 农产品加工,2015,24:76-78.[5] 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文章来源:《包装工程》 网址: http://www.bzgczzs.cn/qikandaodu/2021/0118/424.html