《铸造CAD CAE及模具技术》课程教学大纲.docx

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《铸造CADCAE及模具技术》课程教学大纲

《铸造CAD/CAE及模具技术》课程教学大纲

一、课程名称（中英文）

中文名称：

铸造CAD/CAE及模具技术

英文名称：

CastingCAD/CAEandMouldTechnology

二、课程编码及性质

课程编码：

817731

课程性质：

专业选修课，选修课

三、学时与学分

总学时：

32

学分：

2.0

四、先修课程

计算机基础、模具CAD、有限差分基础、流体力学、工程传热学

五、授课对象

本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）

本课程是本专业的选修课程之一，其教学目的主要包括：

1.全面了解CAD/CAE软件技术在铸造工业中的应用，培养学生工程意识、创新思维以及利用计算机信息技术解决工程技术问题的能力。

2.掌握铸造工艺设计的基本过程，了解CAD软件的二次开发技术，学会使用二维和三维铸造工艺CAD系统设计铸件的铸造工艺系统，熟练操作相关的CAD系统软件。

3.系统的学习数值模拟CAE技术，学习数值分析的常用方法有限元和有限差分方法的基本理论知识，掌握铸造凝固以及充型过程的数学模型与数值求解方法；了解有限元后处理系统作用，掌握后处理系统数据管理方法及图形选取。

4.了解铸造CAD/CAE系统的基本功能，并可以利用铸造CAD/CAE系统对铸件进行铸造工艺分析。

表1课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求及其指标点

本课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求

指标点

毕业要求1：

工程知识

能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。

1.1掌握了用于解决材料成型及控制工程复杂问题的数学基础知识。

课程目标3

1.2掌握了用于解决材料成型及控制工程复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。

1.3掌握了用于解决材料成型及控制工程复杂问题的工程力学基础知识。

1.4掌握了用于解决材料成型及控制工程复杂问题的工程检测与控制基础知识。

1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决材料成型及控制工程复杂问题。

课程目标1、

课程目标4

毕业要求2：

问题分析

能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

如：

复杂的模具设计。

2.2能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

物理综合实验。

2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

工程力学综合实验。

2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

工程控制实验中的建模与分析。

毕业要求3：

设计/开发解决方案

能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。

3.1了解机械工程、材料成型及控制工程问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。

3.2在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂材料成型及控制工程问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定材料成型及控制工程需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。

课程目标1、

课程目标4

3.3在设计（开发）过程中，具有追求材料成型及控制工程复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。

毕业要求4：

研究

能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

4.1掌握材料热加工成形原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计材料成型及控制工程（模具）复杂实验、开展科学研究的能力。

4.2掌握材料成型及控制工程原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施材料成型及控制工程综合实验，得出正确结果的能力。

4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的材料成型及控制工程实验结果进行正确分析能力。

4.4了解常见的材料成型及控制工程常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。

毕业要求5：

使用现代工具

能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。

5.2了解材料成型及控制工程专业重要资料来源及获取方法。

5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂材料成型及控制工程实践的能力。

5.4掌握复杂材料成型及控制工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。

课程目标2、

课程目标3

毕业要求6：

工程与社会

能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

6.1了解与工程相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。

6.2了解材料成型及控制工程专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂成型及控制工程问题解决方案的优劣。

6.3能正确认识材料成型及控制工程各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。

毕业要求7：

环境和可持续发展

能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

7.1了解材料成型及控制工程的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。

7.2能正确理解和评价材料成型及控制工程复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。

7.3在解决复杂的材料成型及控制工程的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

毕业要求8：

职业规范

具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。

8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影响。

8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。

8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工程师的职业道德

8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。

毕业要求9：

个人和团队

能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。

9.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。

9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。

毕业要求10：

沟通

能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。

并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。

10.2了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。

10.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。

毕业要求11：

项目管理

理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

11.1了解机械及材料工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。

11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。

11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。

毕业要求12：

终身学习

具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。

12.2能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。

12.3能够适应社会进步与发展，与时代同步。

七、教学重点与难点：

教学重点：

1）CAD/CAE技术在铸造生产中起着越来越重要的作用，本课程主要介绍二维和三维铸造工艺CAD系统以及铸造CAE技术的基础知识。

2）在全面了解与掌握铸造工艺CAD系统的基础上，重点学习基于AutoCAD的二维铸造工艺CAD系统的二次开发技术以及基于UG的三维铸造工艺CAD系统的二次开发技术。

3）课程将重点或详细介绍CAE技术的基本知识，着重介绍数值分析常用的方法：

有限元法和有限差分法，重点介绍铸造凝固与充型过程中的数学模型以及模型的数值求解方法。

4）重点学习的章节内容包括：

第3章“二维铸造工艺CAD系统”（4学时）、第4章“三维铸造工艺CAD系统”（2学时）、第6章“铸造CAE技术基础”（4学时）、第7章“铸造凝固过程CAE技术”（2学时）、第8章“铸造充型过程CAE技术”（2学时）。

教学难点：

1）铸造CAD/CAE是将计算机技术与铸造工艺结合的技术，需要学生对相关的软件有一定的熟练程度，本课程通过计算机上机操作让学生对CAD/CAE软件更加熟悉，提高授课质量与效果。

2）铸造CAD/CAE课程需要建立一些数学模型并进行求解，数学模型的求解需要数学公式的推导，这些复杂的公式推导会增加该课程的学习难度。

八、教学方法与手段：

教学方法：

（1）采用现代化教学方法（含PPT演示，设备照片，影像资料等），讲授CAD/CAE系统的基本知识以及应用，以提高教学效果及效率；

（2）采用课堂教学与学生PPT汇报、交流讨论等方式，进行课堂互动，吸引学生的注意力、激发学生的学习热情，提高学生的学习效果。

教学手段：

（1）以华铸CAD/CAE为讲解对象，深入介绍铸造工艺CAD/CAE系统的开发以及使用，使学生充分了解铸造CAD/CAE系统的简单操作以及对系统进行二次开发的基本过程；

（2）结合华铸CAD/CAE系统在实际生产中的应用，有的放矢地做好课堂教学前的设备样机（可借助图片、影像等手段）展示教学；再结合必要的上机实验教学，加深学生对铸造CAD/CAE系统的理解与掌握，提高授课质量与效果；

（3）尽量采用小班教学，要求每一位学生根据自己的兴趣，完成CAD/CAE技术在实际生产中应用的介绍，并能用PPT展示汇报（大班教学时采用分组形式确定汇报的学生）；汇报展示后，全体学生进行讨论交流，提高课堂互动频率与水平。

九、教学内容与学时安排

（1）总体安排

教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

表2基本教学内容与学时安排

序号

课程内容

课堂（学习、讨论）学时

课外（准备、复试、实践）学时

1

绪论

1

1

2

铸造CAD技术基础

1

1

3

二维铸造工艺CAD系统

4

4

4

三维铸造工艺CAD系统

2

2

5

其他通用CAD系统介绍

2

2

6

铸造CAE技术基础

4

4

7

铸造凝固过程CAE技术

2

2

8

铸造充型过程CAE技术

2

2

9

铸造过程中的其他CAE技术

2

2

（2）具体内容

各章节的具体内容如下：

第1章绪论（1学时）

1.1CAD/CAE基本概念

1.2铸造CAD/CAE技术

1.3铸造CAD/CAE技术发展趋势

第2章铸造CAD技术基础（1学时）

2.1概述

2.2CAD系统的组成与分类

2.3CAD系统的三维造型技术

2.4CAD系统的数据信息交换

2.5铸造工艺CAD系统组成

第3章二维铸造工艺CAD系统（4学时）

3.1概述

3.2AutoCAD2009介绍

3.3二维铸造工艺CAD系统的开发技术

3.4基于AutoCAD的二维铸造工艺CAD系统

第4章三维铸造工艺CAD系统（2学时）

4.1概述

4.2UG介绍

4.3三维铸造工艺CAD系统的开发技术

4.4基于UG的三维铸造工艺CAD系统

第5章其他通用CAD系统介绍（2学时）

5.1概述

5.2SolidWorks介绍

5.3Pro/Engineer介绍

第6章铸造CAE技术基础（4学时）

6.1概述

6.2有限差分法基础

6.3有限元法基础

6.4铸造CAE软件组成

第7章铸造凝固过程CAE技术（2学时）

7.1铸造凝固过程的数学模型与数值求解

7.2铸造凝固过程CAE软件

7.3铸造凝固过程CAE技术应用实例

第8章铸造充型过程CAE技术（2学时）　

　8.1铸造充型过程的数学模型与数值求解

8.2铸造充型过程CAE软件

8.3铸造充型过程CAE技术应用实例

第9章铸造过程中的其他CAE技术（2学时）　

9.1铸造应力场数值模拟

9.2铸造微观组织模拟

10.参考配套的上机实验课（12学时，学时另计）

（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求

思考题（课后作业）：

第1章思考题：

1、什么是CAD、CAE？

CAD/CAE技术包含哪些内容？

2、铸造CAD/CAE技术包含哪些内容？

3、铸造CAD/CAE技术发展趋势是什么？

第2章思考题：

1、叙述CAD技术对传统产品设计制造方法的影响。

2、简述CAD系统的硬件与软件构成与作用。

3、试述CAD系统的三维造型技术种类。

4、简述CAD系统通用的数据交换接口类型。

5、试述采用CAD/CAE技术的铸造工艺设计流程。

6、简述铸造工艺CAD系统的功能。

7、叙述铸造工艺CAD的发展历程和发展趋势。

第3章思考题：

1、试比较二维铸造工艺CAD与传统的铸造工艺设计方法。

2、简述AutoCAD2009的基本情况。

3、试述基于AutoCAD的二次开发技术。

4、简述二维华铸CAD系统基本概况。

5、以铸钢模块为例，试述二维华铸CAD的总体功能。

第4章思考题：

1、叙述与二维铸造工艺CAD系统相比，三维铸造工艺CAD系统的优越性。

2、简述UG的基本情况。

3、试述基于UG的二次开发技术。

4、简述华铸三维CAD系统的主要特点。

5、以铸钢模块为例，试述三维华铸CAD的系统功能。

6、简述三维华铸压铸模CAD的系统功能。

第5章思考题：

1、试述目前主流的CAD软件有哪些？

2、简述SolidWorks2008的特点。

3、试述Pro/E的基本情况。

4、试用SolidWorks2008绘制一个简单的铸造工艺三维模型。

5、试用Pro/EngineerWildfire5.0建立一个简单的铸造工艺三维模型。

第6章思考题：

1、简述铸造CAE技术的研究目的与内容。

2、数值分析方法有哪几种？

分别简要说明。

3、区分如下概念：

差分、差商、微分、微商（导数）。

4、请写出一阶向前、一阶中心、一阶向后差分。

5、请推导二阶向前、二阶中心、二阶向后差分。

6、请写出一阶向前、一阶中心、一阶向后差商。

7、请写出二阶中心差商。

8、请推导一阶中心差商、一阶向前差商的精度。

9、请推导二阶中心差商的精度。

10、请推导对流方程的FTCS格式，并指出其截断误差。

11、简述什么是有限元法。

12、简述有限元法解题的基本过程。

13、论述铸造CAE的组成以及各功能模块的主要作用。

第7章思考题：

1、传热有哪几种形式？

请简要说明。

2、请写出铸造凝固过程温度场数学模型。

3、请推导温度场数学模型基于立方体单元的差分格式，并求解稳定性条件。

4、简述潜热处理的方法。

5、简要论述铸造凝固过程CAE三维工艺建模中应注意关键事项。

6、简要论述铸造凝固过程CAE前处理的主要功能与应注意的关键事项。

7、简要论述铸造凝固过程CAE计算分析的主要功能与应注意的关键事项。

8、简要论述铸造凝固过程CAE后处理的主要功能与应注意的关键事项。

9、以华铸CAE为例，论述铸造凝固过程CAE软件的操作过程。

10、以华铸CAE为例，论述如何利用铸造凝固过程CAE软件来进行冒口优化。

第8章思考题：

1、流动分析方法有哪几种？

请简要说明。

2、请写出铸造充型过程流动场数学模型。

3、请写出流动场数学模型的差分格式。

4、简述SOLA-VOF方法。

5、简要论述铸造充型过程CAE三维工艺建模中应注意关键事项。

6、简要论述铸造充型过程CAE前处理的主要功能与应注意的关键事项。

7、简要论述铸造充型过程CAE计算分析的主要功能与应注意的关键事项。

8、简要论述铸造充型过程CAE后处理的主要功能与应注意的关键事项。

9、以华铸CAE为例，论述铸造充型过程CAE软件的操作过程。

10、以华铸CAE为例，论述如何利用铸造充型过程CAE软件来进行浇注系统优化。

第9章思考题：

1、叙述铸造过程热应力模拟的分析经历的几个阶段。

2、简述铸造应力场模拟的理论基础。

3、以位移法为例，试述铸造应力场模拟解题过程

4、什么是铸造过程的微观组织模拟？

5、简述材料加工的数值模拟研究几个不同的尺度划分概况。

6、试述铸造组织模拟的几种数值方法。

讨论（思考题及作业）要求：

1、每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约10%计入课程总成绩）。

2、每位学生，根据自己的兴趣，完成CAD/CAE技术在实际生产中应用的介绍，用PPT展示汇报（时间不超过10分钟），其它同学对该学生的汇报情况进行评价与交流。

汇报表现与成绩，按约10%计入课程总成绩。

十、教学参考书及文献

1、《材料加工CAD/CAE/CAM技术基础》，机械工业出版社，2006年，陈立亮编；

2、《模具设计基础及模具CAD》，机械工业出版社，2005年，李建军等编；

3、《CAD/CAM技术》，机械工业出版社，2006年，宗志坚编。

十一、课程成绩评定与记载考核方式

1、课程考核及评价细则

课程考核及评价细则，详见表3。

表3课程考核及评价细则

成绩组成

考核/评价环节

分值

考核/评价细则

对应的教学目标

平时成绩

30%

（说明按规定，全部课程的平时成绩统一为30%）

上课表现

10

根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按10%计入课程总成绩。

1、2、3、4

平时作业

10

根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按10%计入课程总成绩。

2、3

交流（读书报告PPT展示等）

10

每位学生，根据自己的兴趣，完成CAD/CAE技术在实际生产中应用介绍，用PPT展示汇报，成绩按10%计入课程总成绩。

3、4

考试成绩

70%

考试的卷面分数

70

主要考核二维铸造工艺CAD系统，三维铸造工艺CAD系统，有限元、有限差分基础，铸造凝固过程与充型过程CAE技术等内容，以卷面成绩的70%计入总成绩。

1、2、3、4

2、终结性考试形式：

根据考试试题的难度，可以实施开卷或闭卷考试，以卷面成绩的70%计入总成绩。

撰稿：

《铸造CAD/CAE及模具技术》课程组（主笔：

周建新）

审核：

材料科学与工程学院本科教学指导委员会

2015-12-21