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应力空间与屈服条件的概念,Traresca和Mises的屈服条件。
屈服条件的基本概念。
屈服条件的应用。
第七章:
塑性应力应变关系(4学时)
广义虎克定律,全量理论及基本方程组,增量理论及基本方程组。
全量理论和增量理论。
塑性应力应变关系的建立。
第八章:
金属塑性成形问题的简化求解方法(4学时)
功平衡法,上限法,主应力法。
简化求解过程中平衡方程的建立。
简化求解方法的应用。
第九章:
金属材料体积成形问题力学分析(4学时)
圆柱体镦粗、金属挤压拔变形、金属拉拔变形过程的力学分析。
平衡方程的建立。
第十章:
金属材料板料成形问题力学分析(4学时)
板料弯曲与拉深过程的力学分析。
问题的简化与平衡方程的建立。
基本要求
总的要求:
通过本课程的学习,掌握金属塑性变形的物理基础、力学基础、塑性成形问题的工程解法、塑性成形件的质量分析、有限元技术基本概念等方面的知识,并掌握运用Matlab编程解决塑性力学计算问题的方法,具备解决工程应用问题的能力。
各部分要求:
绪论
通过本章的学习,了解金属塑性成形在机械制造业中的应用以及存在的问题,了解常用的金属塑性成形的方法,熟悉金属塑性成形理论的发展历史。
金属塑性变形的物理基础
通过本章的学习,了解金属塑性变形的微观机理,重点是掌握塑性变形对金属组织性能的影响。
金属的塑性
通过本章学习,掌握金属塑性指标的基本概念,学会金属板料主要塑性指标的测试方法,学掌握影响金属塑性的主要因素以及提高金属塑性的主要途径。
应力分析
通过本章的学习,了解应力的基本概念,掌握一点的应力状态的张量表示法以及平衡微分方程,重点是掌握平面应力状态和轴对称应力状态。
应变分析
通过本章的学习,了解应变的基本概念,掌握点的应变张量以及应变的几何方程,重点是掌握平面应变状态。
屈服准则
通过本章的学习,重点掌握Tresca屈服准则和Mises屈服准则及其应用。
塑性应力应变关系
通过本章的学习,了解掌握塑性变形时应力应变关系的特点,掌握增量理论和全量理论及其应用条件,重点是增量理论。
主应力法及其应用
通过本章的学习,掌握主应力法的基本理论及其应用条件,能够运用主应力法求解一些简单的金属塑性成形问题。
滑移线理论简介
通过本章的学习,要求掌握滑移线的概念和性质,掌握沿滑移线表示的应力方程和速度方程。
上限法及其应用
通过本章的学习,掌握虚功原理和上限法的本质,能够按简单的速度场计算成形载荷。
第十一章:
有限元法
通过本章的学习,了解有限元法的基本思想及其基本方法。
金属塑性成形原理》教学大纲
课程名称:
金属塑性成形原理
学时:
48学时(其中实验6学时)
一、课程性质、目的和任务
性质:
本课程为飞行器制造工程专业的专业基础课。
目的:
1.认识金属塑性变形的物理基础;
2.掌握影响金属性能的主要因素及原理,掌握金属塑性性能主要指标的测试方法及意义;
3.掌握金属塑性力学的基础知识;
4.掌握塑性成形的基本解法(包括解析和数值解)。
任务:
本课程的任务是从工程应用的角度使学生掌握金属变形的微观机理、金属塑性指标、变形体力学的基本方程及解析解法和数值解法。
重点是变形体力学的应力平衡方程、变形几何方程以及金属材料的本构关系以及变形体力学的基本解法。
学生能够应用所学的基本理论分析金属的基本成形工艺方法。
二、课程要求的先修课
高等数学、金属材料学、材料力学。
三、课程实验
1.金属板材基本性能测试实验
2.材料成形性能测试实验
3.板材包申格效应弯曲实验
4.筒形件拉伸力实验
5.拉弯成形摩擦系数测量实验
6.Matlab编程训练
四、课程教材及参考书
1.教材:
汪大年主编,高等教育出版社出版,《金属塑性成形原理》。
2.参考书:
翟平主编,西北工业大学出版社出版,《钣金成形原理与工艺》。
3.参考书:
马泽恩编,西北工业大学出版社出版,《计算机辅助塑性成形》。
五、课程主要内容及学时分配
1.绪论(1学时)
1.1基本概念
1.2金属塑性成形方法
1.3金属成形理论的发展
1.4课程的任务
通过本章的学习,了解金属塑性成形在机械制造业中的应用以及存在的问题,了解常用的金属属性成形的方法,熟悉金属塑性成形理论的发展历史。
2.金属塑性变形的物理基础
2.1金属的晶体结构(1学时)
2.2单晶体的塑性变形
2.3位错理论的基本概念(2学时)
2.4多晶体的塑性变形
2.5塑性变形对金属组织和性能的影响
通过本章的学习,了解金属塑性变形的微观机理,重点是掌握塑性变形对金属组织和性能的影响。
3.金属的塑性
3.1金属的属性指标(1学时)
3.2真实应力——应变曲线(1学时)
3.3影响金属塑性的主要因数(2学时)
3.4提高金属塑性的主要途径(1学时)
3.5金属的超塑性
通过本章的学习,掌握金属塑性指标的基本概念,学会金属板料主要塑性指标的测试方法,掌握影响金属塑性的主要因数以及提高金属塑性的主要途径。
4.应力分析
4.1问题的提出
4.2应力的基本概念
4.3直角坐标系中一点的应力状态(2学时)
4.4平衡微分方程(2学时)
4.5平面应力状态和轴对称应力状态
5.应变分析
5.1应变的基本概念
5.2小变形分析(2学时)
5.3应变增量和应变速率张量(2学时)
5.4平面变形问题和轴对称变形问题
6.屈服准则
6.1基本概念(2学时)
6.2Tresca屈服准则
6.3Mises屈服准则
6.4屈服准则的几何表示(2学时)
6.5两种屈服准则的比较
6.6屈服准则的实验验证
6.7应变硬化材料的屈服准则
7.塑性应力应变关系
7.1弹性应力应变关系(2学时)
7.2属性变形时应力应变关系的特点
7.3增量理论(2学时)
7.4全量理论
7.5实验验证
通过本章的学习,了解属性变形时应力应变关系的特点,掌握增量理论和全量理论及其应用条件,重点是增量理论。
8.变形体力学解析解法——塑性成形中的主应力法
8.1平衡方程和属性条件联立求解的数学解析法(2学时)
8.2主应力法(2学时)
8.3拉延成形的主应力解法(2学时)
9.变形体力学解能量解法——塑性成形中的上限法
9.1虚功原理和虚功方程(2学时)
9.2应力间断和速度间断
9.3上限法原理
9.4上限法应用
10.变形体力学数值解法——有限元素法
10.1离散与插值(2学时)
10.2位移函数
10.3元素的平衡(2学时)
10.4整体平衡(2学时)
10.5有限元法应用
六、学时分配
课程内容讲授学时详见五中的学时分配(共计42学时,其中有2学时机动)。
实
验:
6学时。
习题课:
2学时
课程内容体系结构
《金属塑性成形原理》是飞行器制造工程专业非常重要的专业基础课,是航空宇航制造工程、材料加工工程硕士研究生统一入学考试科目。
金属塑性成形原理是研究和探讨金属在各种塑性加工过程中可遵循的基础和规律的一门学科。
其目的在于科学地、系统地阐明这些基础和规律,为学习后续的工艺课程作理论准备,也为合理制订塑性成形工艺规范及选择设备、设计模具奠定理论基础。
通过本课程的学习,使学生掌握金属塑性变形的物理基础、力学基础、塑性成形问题的工程解法、塑性成形件的质量分析、有限元技术基本概念等方面的知识和工程应用能力。
培养学生的分析问题、解决问题的能力和科学的思维方法,为学习有关专业课程以及毕业后从事金属塑性成形设计制造工作奠定理论基础。
金属塑性成形原理系统地讲述金属塑性成形的基本原理和共性问题,分为金属微观变形机理、金属变形过程的力学分析、变形体力学的求解方法三个部分,分为11章51节。
金属塑性成形原理课程内容结构如下:
第一章绪论
第二章金属塑性变形物理基础
第三章金属的塑性
第四章应力分析
第五章应变分析
第六章屈服准则
第七章本构关系
第八章主应力法及其应用
第九章滑移线场理论简介
第十章上限法及其应用
第十一章有限元法概述
多种教学方法灵活使用
创新型人才最重要的特点就在于他们的思维方式上,思维而不是单纯的知识才是教学的关键问题所在。
在本课程教学中,以创新教育为目标,在教学观念、教学方法上开展了广泛的研究实践活动,取得了显著的成效。
1)用提问和讨论为学生提供创新思维的空间
创新意识简而言之,就是对事物进行独特认识的一种冲动、潜质。
从教学实践中我们体会到,这种意识的培养首先需要激发学生的“问题欲”,即学生能从别人未想过的角度提出问题,不受到条条框框的限制,从而灵活多变的思考问题。
本课程每堂课都准备3-5个问题,供学生讨论。
实践证明,效果很好。
2)引入“参与式教学模式”
在国外,“参与式教学”是相当普及的:
将2至3名学生分成一个小组,教师选定题目,给他们充分的时间进行精心准备,让他们就此在课堂上为其他同学进行讲解。
学生们在课堂教学中的表现不仅远远好于预期标准,而且在诸多方面提出了创造性想法,充分展现了自身的思维活力。
如本课程中板材的拉压实验方法,引导学生讨论并且每个小组介绍自己的方案,同学们有的提出了采用液压伺服夹持的方法、有的提出采用多层叠加的方法、甚至更有创造性的是提出采用卷筒的方法进行板料的拉压试验。
3)授课中注重培养抽象思维方式
如果在教学和考试中过多的关注具体的细节,将导致学生的抽象思维不足,过于依赖记忆,对于问题的认识难以深入本质。
同时抽象思维是科学研究中最为重要的思维能力之一,所以应该在教学中对学生加以更多的训练。
在讲课中强调从理论到具体例子的“变化规律”,从多个方面多个角度变换理论的呈现形式,对课程内容进行经常性的多层次的总结与抽象。
实践证明,这非常有助于培养学生的抽象思维。
如本课程中屈服准则的讲解,先从屈服准则的概念、屈服函数、材料性质介绍入手,进而介绍Tresca的数学表达式及物理意义,介绍Mises屈服准则的数学表达式,并引出弹性变形能概念及Mises屈服准则的物理意义。
在此基础上对其空间几何描述、屈服轨迹、π平面上的屈服轨迹以及两屈服准则的实验验证比较进行讲解。
这样从不同的角度讲解屈服准则,训练了学生抽象思维的能力。
加深了学生对问题的理解。
4)因材施教,采用个性化作业和研究性问题。
本课程改变单纯靠统一布置作业来加深学生对理论知识的理解增强实际应用能力的方式,将书后及习题集上的作业题、课堂理论教学的基本理论以及一些研究性问题,针对学生的能力每个学生安排一个不同的作业或研究问题,由学生在学习过程中自己探索研究。
采用这种方式调动了学生们的学习积极性,由被动学习变为主动学习,逐步培养了学生探究式学习的习惯。
本课程采用了多种教学方法。
在教学过程中,组织学生成立学习兴趣小组,指导学生运用Matlab数学分析软件将课程中的力学计算公式进行编程,使学生体会到力学公式在实际应用中所发挥的作用,以及各力学变量对成形过程和性能的影响。
在成立兴趣小组的同时,还引导学生进行一帮一学习活动,引导学习较好的同学带动学习较差的同学一起学好该课程。
在课堂上采用启发式、交流式教学方法,鼓励学生在课堂上听不懂就提问,营造生动活泼的教学氛围。
采用个性化作业和研究性问题,使学生体会到学习的乐趣与价值,感受到学术研究的氛围。
教学实践表明,学生的学习兴趣、作业质量和教学效果有较明显的提高。
教学手段
多年来,担任该课程的历届主讲教师精心备课,努力研究该课程的教学方法,在课时压缩到48学时后,课内教学调整为42学时,课程实验教学4学时。
教学小组本着课时压缩,知识点不少的原则,努力提高本课程的教学效果。
一方面,改变教学观念,从单纯的知识传授向知识传授与方法培养并重的教学方法转变。
另一方面,为了适应当前多媒体教学的发展,以及满足国防重点专业建设的要求,改革教学方法,采用多媒体、数字化和网络化等先进现代教育技术,充分利用体计算机辅助教学方法。
本课程已制成以PPT为主的多媒体课件及网络课堂教学环境,包括网上答疑、测试等,并采用先进的数学分析软件和有限元分析软件模拟金属塑性成形的物理过程、物理现象。
提高了单位时间内的信息量,提高了课堂教学效果,有效地提高了教学质量。
学生的作业分为课后统一作业、个性化作业、Matlab编程作业三部分,考核时,期未考试点70%,Matlab编程及个性化作业占10%,实验占10%,统一作业占10%。
加强了学生能力的考查力度,改变以往部分学生只注重考试,而不注重平时的能力训练,造成高分低能的现象。
通过这一改革,学生普遍反映好,认为该课程即学到了知识,又煅炼了能力
课程创新
1.理论教学与工程应用相结合。
在教学中结合具体工程应用实例及科研项目进行理论讲解。
如结合飞机钣金成形中的拉形工艺计算讲解平面应力问题。
2.在基本理论教学的同时,加强创新思维的培养。
如在讲解材料的应力应变曲线时,补充了包申格效应的内容,向学生提出如何测量板料的包申格应效,因板料难以承受轴向压应力,许多学生提出不同的方法,有提出采用多片叠加的方法、采用圆筒件进行拉压的方法、采用刚性体夹持的方法等,引导和启发了学生的创新思维,课堂气氛活跃。
增强了授课效果。
3.形成了基础理论、能力培养、创新实验多层次科学合理的实验教学体系。
本课程在2个基本实验的基础上,通过改革开发了三个课程实验和上机训练,使实践环节达到6个。
有力地保障了理论教学的效果,增强了学生的动手实践能力及创新能力的培养。
4.引入Matlab编程训练,增强学生对先进数学分析软件的应用,加强学生对计算塑性力学的认识。
5.采用个性化作业的方式,努力作到因材施教。
针对学生基础、学习动力、学习兴趣的不同,给每个学生布置一个独立的作业任务,并以电子作业的形式完成。
6.在教学组织过程中采用TeamWork(学习兴趣小组)及一帮一学习小组式教学方法组织学生学习。
在课堂上采用启发式、交流式教学方法,鼓励学生在课堂上听不懂就提问,营造生动活泼的教学氛围。
使学生休会到学习的乐趣与价值,感受到学术研究的氛围。
课程特色
(1)课程组编写的教材《金属塑性成形原理》是九五国家重点教材,是普通高等教育机电类规划教材。
目前已进行了6次印刷,发行量达6万册。
国内高校机电类相关专业基本上使用该书作为金属塑性成形理论的教学用书。
如西北工业大学、西安交通大学、甘肃工业大学、太原重型机械学院等。
经过6年的教学实践,在学生中影响较大,并受到了广大师生的好评,基本上满足了教学的需要。
从已反馈学校师生反映来看,认为本教材是一本理论性、系统性和科学性很强的不可多得的优秀教材。
曾获2000年度机械工业出版社优秀图书一等奖。
(2)突出了飞行器制造工程专业特色,理论教学与科研及工程实践相结合;
形成了基础理论、能力培养、创新实验多层次科学合理的实验教学体系。
教学队伍教学经验丰富,能够根据专业特点有重点地突出授课内容及扩充相应的前沿教学资料,适当地将典型工程应用及有限元理论与方法引入教学内容,加深了学生对前沿知识的了解。
在课程教学实验建设方面投入大量的精力,建成了“板材机械性能实验”和“板料成形性测试实验”基本物性实验及“板材包申格效应弯曲实验”、“筒形件拉深力实验”、“拉弯成形摩擦系数测量实验”等5个课程实验。
并开设了Matlab编程计算及自由创新实验。
形成了基础理论、能力培养、创新实验多层次科学合理的实验教学体系,提高了本课程的实践教学效果。
(3)采用学习兴趣小组(即TeamWork)、一帮一互学小组及参与式教学、个性化作业等多种教学方法,有效地提高了学生的学习积极性,显著地提高了教学效果。
在教学组织过程中采用TeamWork(学习兴趣小组)及一帮一学习小组式教学方法组织学生学习。
使学生休会到学习的乐趣与价值,感受到学术研究的氛围。
采用个性化作业的方式,努力作到因材施教。
针对学生基础、学习动力、学习兴趣的不同,给每个学生布置一个独立的作业任务,并以电子作业的形式完成,有效地激发了学生的学习积极性。
课程地位
本课程在国内外同类课程中的地位
“金属塑性成形原理”是我国高校机电类相关专业的专业基础课。
国内基本上使用课程组俞汉清教授主编的《金属塑性成形原理》一书作为教材,如西北工业大学、西安交通大学、甘肃工业大学、太原重型机械学院等。
该教材是九五国家重点教材,是普通高等教育机电类规划教材。
该书,经过6年的教学实践,在学生中影响较大,并受到了广大师生的好评,基本上满足了教学的需要。
曾获2000年度机械工业出版社优秀图书一等奖。
中北大学教师培训飞行器制造与工程专业先后派4名教师进修学习,其中1名教师主修本课程的理论教学,2名教师辅修本课程的实验教学。
实验课教学体系全面,增加了Matlab编程训练,采用多种教学方法,教学效果好,在国内处于领先地位。
西安交通大学机械学院、南京航空航天大学机电学院、吉林工业大学机械学院等相关专业的教师曾到实验室参观课程教学实验环境。
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- 学习 要点