核工程與核技術專業(yè)虛擬實習教學方式研究

王 虎，陳建華

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012;2.東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

實踐教學是大學生教育的一個關鍵環(huán)節(jié)，它不但可以使大學生在課本上學習到的理論知識與現(xiàn)場實際工況操作得到結合，而且增加了學生對日后工作的初步認識，提高其畢業(yè)后的工作能力。增強對死板抽象的專業(yè)知識的感性認識，提高學生分析問題與解決問題的能力，起到了課堂教學模式不可替代的作用。通過實習使學生了解本專業(yè)的具體工作和系統(tǒng)設備的工作的工況與流程。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力。但是由于受企業(yè)體制改革、教學經費的限制，而且因為核電廠的特殊性和敏感性，學生的實踐學習不能進入核電站現(xiàn)場，核電專業(yè)在安排和實施生產實習過程中存在一些問題，因此探索如何進一步加強實踐環(huán)節(jié)，提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)造力具有極其重要的意義。

鑒于這種情況，本文提出將3D Max建模軟件和VRP虛擬現(xiàn)實應用于本專業(yè)的教學過程，以三維建模和動畫的形式，體現(xiàn)核電廠系統(tǒng)的工作流程、設備的布置和工作工況。模擬核電站現(xiàn)場，讓大學生在實踐教學過程中以最直接的感官接觸核電站。它以電腦軟件的形式，以最直接的方式增強學生對專業(yè)知識的感性認識，充分調動學生學習的積極性、主動性，優(yōu)化教師的課堂教學過程，提高學生的學習效率。

1 軟件介紹［1-3］

1.1 3ds Max

3ds Max，其全稱為3D Studio Max，是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。與其他同類型軟件相比較，它有如下優(yōu)點:⑴功能強大，擴展性好，尤其在建模和角色動畫方面具備很強的優(yōu)勢，另外豐富的插件也是其一大亮點。⑵與強大的功能相比，3ds Max可以說是最簡單最容易上手的3D軟件。⑶與其他軟件配合流暢，例如3ds Max可以與我們下面談到的VRP完美的配合在一起。⑷做出來的效果非常的逼真。在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。擁有強大功能的3ds Max被廣泛地應用于電視及娛樂業(yè)中，而在國內發(fā)展的相對比較成熟的建筑效果圖和建筑動畫制作中，3ds MAX的使用率更是占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

1.2 VRP

VRP是VR-Platform的簡稱。VR-Platform三維互動仿真平臺是由中視典數(shù)字科技獨立開發(fā)的具有完全自主知識產權的一款三維虛擬現(xiàn)實平臺軟件，可廣泛的應用于視景仿真、城市規(guī)劃、室內設計、工業(yè)仿真、古跡復原、橋梁道路設計、軍事模擬等行業(yè)。該軟件適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得，他的出現(xiàn)將給正在發(fā)展的VR產業(yè)注入新的活力。VRP并且可以和3ds Max無縫集成，將3ds Max中的模型直接導入VRP中。VRP軟件可以將模型放置在一個場景內，模擬核電廠內部布置，最后形成一個應用程序，以方便同學使用、學習。

2 核電廠一回路系統(tǒng)設備虛擬建模裝配的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)建模

在3ds Max命令菜單中，我們可以選擇創(chuàng)建各種基本幾何體和線條圖形。通過將這些基本模型進行修改和組合，如移動、旋轉、布爾、陣列、擠出、車削、倒角、圓角等一系列命令操作完成系統(tǒng)設備的零部件設備的繪制。最后我們將這些零部件整合起來，構成我們的系統(tǒng)設備。

我們在這里的模型主要是根據(jù)大亞灣核電站核島部分的RCP系統(tǒng)進行建模［4］。一回路冷卻劑系統(tǒng)的主要設備主要包括反應堆、蒸汽發(fā)生器、冷卻劑主泵和穩(wěn)壓器。一回路冷卻劑溫度進口溫度為292℃，出口溫度為327℃;系統(tǒng)工作絕對壓力為15.5 MPa;系統(tǒng)總容積為283 m3。反應堆壓力容器的內徑為4000 mm，高度為13200 mm;壓力容器內有燃料組件157個，每個組件內控制棒位數(shù)61。蒸汽發(fā)生器下部直徑為3446 mm，上部直徑為4484 mm，總高度為20848 mm;冷卻劑進口溫度327℃，出口溫度293℃;蒸汽發(fā)生器內有導熱管4474根，直徑為19 mm。反應堆冷卻劑主泵揚程97.2 m，NPSH為1.25 MPa，泵入口溫度為293℃，轉速為1485 r/min，水容積為4 m3。穩(wěn)壓器運行絕對壓力為15.5 MPa，溫度為345℃，外部直徑2350 mm。系統(tǒng)設備參照大亞灣320教材數(shù)據(jù)，按照1 1的比例進行繪制。

在此，我們一回路冷卻劑系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器為例。蒸汽發(fā)生器主要由下封頭、換熱管、干燥器和蒸汽發(fā)生器外殼組成。首先我們繪制下封頭，先制作一個半球體，將之掏空，只余外部殼體，再將蒸汽發(fā)生器的進出口管與半球殼體塌陷在一起。最后將一塊隔板放在進出口管之間，將冷卻劑入口腔室和出口腔室隔斷。蒸汽發(fā)生器的導熱管是由4474分U形管構成，并且在隔板上有與之對稱的8948個孔，以將導熱管插入。在這里數(shù)量大，模型所占特征數(shù)也多，這使得導熱管模塊的模型文件占用了很大空間，影響了計算機的正常運行速度，所以我們在這里只做出一部分導熱管來代表真實工況下的生氣發(fā)生器導熱管。之后的干燥器和蒸汽發(fā)生器外殼我們就可以用3ds Max將其制作出來，見圖1。

2.2 VRP 操作

安裝VRP插件后，3ds Max中的模型可以直接導入到VRP插件中。核電廠模型在VRP中可以通過裝配實現(xiàn)契合，形成一個完整的系統(tǒng)。之后在場景中設置攝像機，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實化，將這些模型通過VRP的制作形成真實的場景，制作出讓人身臨其境的視頻。同時在場景中加入各種功能的按鈕，通過這些按鈕實現(xiàn)這些功能的鏈接。并且我們可以在模型上添加設備系統(tǒng)的工作工況視頻，還可以在頁面上加載系統(tǒng)工作流程視頻。給實踐學習中的大學生清晰、簡明的專業(yè)知識感觀。軟件制作和軟件效果見圖2～圖3。

圖1 蒸汽發(fā)生器模型

圖2 虛擬實習基地軟件開發(fā)初始操作界面

圖3 虛擬實習基地視頻操作界面

最后輸出一個應用程序，老師和同學可以直接打開這個應用程序，根據(jù)所需要的內容來操作點擊按鈕，將之前加入的功能實現(xiàn)。

3 結 論

以三維虛擬平臺形式實時動態(tài)地呈現(xiàn)出核電站一回路設備和系統(tǒng)布置，可以使學生置身在虛擬的環(huán)境之中，身臨其境的瀏覽反應堆廠房布置和設備構造，從而實踐教學中學生的認知質量，把課本上學習到的理論知識和現(xiàn)場實際工況操作能力得到得到結合，增強學生的綜合素質，提高學生分析問題與解決問題的能力。

［1］蘇建，徐觀.基于Solidworks平臺的四輪定位儀檢定裝置三維動畫仿真，機械設計與制造［J］.2007(5):72-73.

［2］劉國良.3ds Max完全學習寶典［M］.電子工業(yè)出版社，2007:122-159.

［3］江洪，楊勇等.Solidworks實例解析——曲線、曲面、仿真、渲染［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:26-58.

［4］馬進.核能發(fā)電原理［M］.北京:中國電力出版社，2007:13-61