機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

馮棟彥 唐德文 唐永輝 劉軍 張瑩

摘 要：針對(duì)“專業(yè)認(rèn)證”對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合復(fù)雜工程問題的要求，整合各專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有校企合作實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，建立針對(duì)典型核電零部件的設(shè)計(jì)、建模仿真、制造、裝配、檢測(cè)和機(jī)電控制為一體的虛擬仿真系統(tǒng)，開設(shè)具有行業(yè)特色的機(jī)、電等學(xué)科的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。學(xué)生可對(duì)典型核電裝備零件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、仿真、加工、檢測(cè)和組裝，同時(shí)完成機(jī)電一體化系統(tǒng)的電氣控制，培養(yǎng)綜合機(jī)械素養(yǎng)。機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)是滿足專業(yè)認(rèn)證要求的有效途徑，也是新工科“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容”的一種嘗試。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué) 綜合實(shí)訓(xùn) 虛擬仿真 專業(yè)認(rèn)證

引言

我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)2019年通過教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證，隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的持續(xù)推進(jìn)，以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)三大教育理念逐漸貫穿學(xué)生培養(yǎng)全過程，其中以畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為引領(lǐng)的課程教學(xué)內(nèi)容選擇、多元化考核形式、注重持續(xù)改進(jìn)的課程教學(xué)體系逐漸建立和完善[1，2]。在畢業(yè)要求12條指標(biāo)點(diǎn)中有8條涉及復(fù)雜工程問題，相關(guān)專家對(duì)復(fù)雜工程問題的解析為必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才能得到解決，并且滿足如下6條中之一;

（1）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有沖突;

（2）需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;

（3）需要采用非常規(guī)方法解決;

（4）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;

（5）問題相關(guān)的各方利益不完全一致;

（6）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。

因此，如何“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力”是課程教學(xué)改革的重點(diǎn)，而實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的有效手段。為進(jìn)一步切合專業(yè)認(rèn)證對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)要求，以“新工科”和學(xué)?！耙涣鞅究平逃こ叹C合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”建設(shè)為契機(jī)，結(jié)合中核集團(tuán)與我校開展的合作實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建具有行業(yè)特色的機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。使學(xué)生能夠了解核電設(shè)備的基本知識(shí)，掌握核電非常規(guī)零件的設(shè)計(jì)理論和方法，并能夠靈活地綜合運(yùn)用多學(xué)科技術(shù)解決核電機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析與開發(fā)的實(shí)際問題，以此鍛煉解決復(fù)雜工程問題的思維能力。

一、平臺(tái)建設(shè)的必要性

為了滿足一流的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)需要，構(gòu)筑一流實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，特別是綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)以及專業(yè)認(rèn)證對(duì)學(xué)生復(fù)雜工程綜合能力培養(yǎng)的要求[3，4]，鑒于學(xué)生規(guī)模和培養(yǎng)模式的限制，必須加快建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。我院現(xiàn)有機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、精密測(cè)量與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、金相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室等，經(jīng)過迎接審核性評(píng)估和專業(yè)認(rèn)證評(píng)估兩大環(huán)節(jié)的建設(shè)，大部分實(shí)驗(yàn)室能滿足開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)需求，同時(shí)為了提高學(xué)生設(shè)計(jì)、制造、加工、裝配等綜合能力的培養(yǎng)，我院于已開設(shè)了機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，但限于實(shí)驗(yàn)室條件和師資，采取分班分組輪流實(shí)訓(xùn)的模式，導(dǎo)致開課周期長(zhǎng)，受訓(xùn)學(xué)生局限于本專業(yè)大四學(xué)生，較難拓展覆蓋面。與此同時(shí)，針對(duì)一些特色專業(yè)課程，如核動(dòng)力機(jī)械中壓力容器性能實(shí)驗(yàn)、控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等很難開設(shè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將兩方面的困難綜合起來考慮，可通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)壓力容器、控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)控制流程，彌補(bǔ)了難以實(shí)地開展實(shí)踐教學(xué)的困難，而利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，配合專用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，實(shí)現(xiàn)線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，有效解決實(shí)驗(yàn)室分組實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)備不足的問題。

專業(yè)認(rèn)證需要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，而隨著創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng) +”和“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，迫切需要高等院校創(chuàng)新高等工程教育的理念，進(jìn)行“新工科”建設(shè)[5-7]，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才，其內(nèi)涵就是要提高學(xué)生適應(yīng)不同變化的能力與工程創(chuàng)新能力，提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。在“新工科”和“專業(yè)認(rèn)證”雙重背景下，實(shí)踐教學(xué)需“橫向拓展，縱向拓深”，在增開相應(yīng)的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融合多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，必須激勵(lì)和促進(jìn)全體學(xué)生的積極參與，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的綜合復(fù)雜工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，在硬件條件有限的基礎(chǔ)上有利于擴(kuò)大覆蓋面，推動(dòng)新工科的建設(shè)。同時(shí)，建設(shè)機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可使學(xué)生在虛實(shí)結(jié)合條件下，模擬實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，拓展學(xué)生的知識(shí)面。因此，該虛擬仿真平臺(tái)融合機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、電子、傳感、通訊、控制等學(xué)科，涵蓋機(jī)械工程、電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等領(lǐng)域，結(jié)合學(xué)生前期理論課基礎(chǔ)和現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，可增強(qiáng)學(xué)生在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與集成，標(biāo)準(zhǔn)零件的選型與分析，典型零件設(shè)計(jì)與制造，機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制與組合等方面的能力，滿足新工科學(xué)生所需的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力要求。

二、機(jī)電綜合虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展核電關(guān)鍵零部件3-D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與虛擬制造仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，核電零部件虛擬設(shè)計(jì)及數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，核電零部件機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，核電零部件組裝工藝以及系統(tǒng)精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，核電零部件焊接加工的基本原理與應(yīng)用項(xiàng)目，核電裝備關(guān)鍵部件虛擬組裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，基于PLC編程虛擬控制仿真項(xiàng)目等。

通過虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解和掌握在核電廠主要機(jī)械設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步掌握核動(dòng)力機(jī)械的設(shè)計(jì)規(guī)程和設(shè)計(jì)方法，鞏固制造技術(shù)基礎(chǔ)、CAD/CAM、機(jī)械制造工程學(xué)、有限元等課程基礎(chǔ)理論知識(shí)，為今后從事大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備和通用機(jī)械設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。

1.壓水堆核電廠總體虛擬模型

通過構(gòu)建T型核電站廠房的虛擬模型，將核電站關(guān)鍵部件以立體模型進(jìn)行展示。學(xué)生可通過漫游方式瀏覽核電站廠區(qū)、相關(guān)設(shè)備，通過點(diǎn)擊某核心設(shè)備可實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示，熟悉壓水堆核電廠總體布局，掌握壓水堆核電廠工作原理。通過模型了解核心區(qū)核島中的四大部件蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和堆芯關(guān)鍵零部件及相互關(guān)系。構(gòu)建集廠區(qū)布置、設(shè)備結(jié)構(gòu)、核輻射原理、流體力學(xué)等綜合問題為一體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生通過對(duì)相關(guān)知識(shí)原理的綜合理解，掌握核電站廠房及相關(guān)設(shè)備的布置要求。

2.典型零件的3-D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與虛擬加工制造仿真

（1）在此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，主要針對(duì)內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，以薄膜理論為推導(dǎo)基礎(chǔ)，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)分析：

① 根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力;

② 根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù);

③ 對(duì)封頭，考慮到薄膜應(yīng)力的變化和邊緣應(yīng)力的影響，按殼體中的應(yīng)力狀況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。

④ 根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。

最終在材料、容積、壁厚、管口直徑及焊接等復(fù)合條件下進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)，在此過程中涉及到材料、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)與焊接工藝等復(fù)雜綜合條件，鍛煉學(xué)生多因素下的問題分析能力和解決能力。

（2）選擇1個(gè)典型核電裝備關(guān)鍵零件，進(jìn)行加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，建立工藝過程卡，進(jìn)行數(shù)控編程加工;

通過三維仿真技術(shù)再現(xiàn)完整的關(guān)鍵零件機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)過程。工藝性分析;確定毛坯;擬定工藝過程;選擇機(jī)床;選擇夾具;選擇刀具;計(jì)算工序尺寸;確定切削用量。

之后以被加工件、夾具、刀具相互配合的三維動(dòng)畫的形式展現(xiàn)零件從毛坯到加工成為最終零件的整個(gè)過程，學(xué)生可以自由觀察整個(gè)過程，判斷零件視圖的完整與正確性、尺寸及公差的完整及合理性、零件結(jié)構(gòu)的合理性、技術(shù)要求的合理性、各表面加工工藝是否成熟、編程是否正確等，加深對(duì)加工工藝、加工所用設(shè)備的理解。

3.典型零部件三維建模仿真

結(jié)合二維、三維等軟件，模擬核電典型零部件的設(shè)計(jì)過程。完善加深對(duì)機(jī)械制圖理論知識(shí)的理解，熟練掌握零件二維、三維的轉(zhuǎn)化。同時(shí)進(jìn)行零部件在不同材質(zhì)、壓力、溫度等條件下進(jìn)行三維模擬仿真，進(jìn)行多因素的仿真分析。并探索實(shí)際工況下的模型變形量的測(cè)量與監(jiān)測(cè)方法。

針對(duì)不同材料、容積、壁厚、管口直徑及焊接等復(fù)合參數(shù)條件下的壓力容器，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行重建，采用有限元軟件結(jié)合強(qiáng)度理論公式，在壓力、溫度不同工況下，進(jìn)行三維結(jié)果模擬，對(duì)比不同條件下的壓力容器有限元分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與不同工況條件的優(yōu)化組合，加深對(duì)理論公式的實(shí)際應(yīng)用。

4.焊接加工虛擬仿真

焊接是一個(gè)涉及多學(xué)科的復(fù)雜的物理—化學(xué)過程，單憑積累工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)來深入了解和控制焊接過程則既不切實(shí)際又成本昂貴和費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用三維建模技術(shù)對(duì)壓力容器、頂封頭、中間筒體、焊接設(shè)備等進(jìn)行模擬重建;采用高斯熱源模型表征焊接電弧的熱流分布特征，構(gòu)建不同焊接工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)變化，使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)焊接的過程，了解常規(guī)焊接方法的基本原理，操作步驟及注意事項(xiàng)。進(jìn)行不同部位焊接電壓、電流、速度、焊絲直徑等焊接參數(shù)選擇的對(duì)比。

激光焊接是利用高能量密度的激光作為熱源的一種高效精密的焊接方法，是一個(gè)快速而不均勻的熱循環(huán)過程，焊縫附近出現(xiàn)很大溫度梯度。激光焊接后，其結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力，并引起焊件變形，直接影響焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 和使用性能。產(chǎn)生殘余應(yīng)力與變形的根本原因在于焊接過程中不均勻的快速加熱 與快速冷卻，通過建立有限元模型，進(jìn)行合適的有限元網(wǎng)格的劃分，選取高斯熱源模型，設(shè)定初始條件和邊界條件進(jìn)行有限元模擬。將求解連續(xù)體應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等問題轉(zhuǎn)換為求解有限個(gè)單元的問題，通過對(duì)不同參數(shù)的模型分析，了解解決復(fù)雜工程問題的數(shù)值模擬技術(shù)。

5.機(jī)械裝備零部件組裝

采用三維建模技術(shù)對(duì)壓水堆堆芯零部件等進(jìn)行模擬重建，對(duì)壓水堆堆芯零部件的模型進(jìn)行任意切面的自由剖切，實(shí)現(xiàn)從任意剖切面深入到零件內(nèi)部去觀察學(xué)習(xí)堆芯零件的結(jié)構(gòu)及工作原理。

（1）分析產(chǎn)品圖樣，確定裝配組織形式，劃分裝配單元，確定裝配方法;

（2）擬定裝配順序，劃分裝配工序，編制裝配工藝系統(tǒng)圖和裝配工藝規(guī)程卡片;

（3）選擇和設(shè)計(jì)裝配過程中所需要的工具、夾具和設(shè)備;

（4）規(guī)定總裝配和部件裝配的技術(shù)條件，檢查方法和檢查工具;

（5）確定合理的運(yùn)輸方法和運(yùn)輸工具;

（6）制定裝配時(shí)間定額。

6.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)PLC編程虛擬控制仿真

在引導(dǎo)學(xué)生了解磁力步進(jìn)式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上，通過PLC編程虛擬控制仿真驅(qū)動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)提升和下降，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動(dòng)，功率調(diào)節(jié)，停堆和事故情況下的安全

控制。

讓學(xué)生通過電磁轉(zhuǎn)化的計(jì)算確定驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并對(duì)序號(hào)隨機(jī)選擇的控制棒進(jìn)行PLC動(dòng)作控制編程仿真，針對(duì)選定的控制棒進(jìn)行上下移動(dòng)方向、距離、時(shí)間間隔、重置、數(shù)量等不同變量下的動(dòng)作模式進(jìn)行編程控制。實(shí)現(xiàn)力磁轉(zhuǎn)化計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC編程、控制驅(qū)動(dòng)方式等不同課程內(nèi)容的融合實(shí)踐。

結(jié)語

本文中虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)以“新工科建設(shè)”和“專業(yè)認(rèn)證”要求為目標(biāo)，面向中南地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的技術(shù)需求，依托我校與核工業(yè)系統(tǒng)企業(yè)合作的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，定位于機(jī)電綜合虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，積極開展基于核電設(shè)備設(shè)計(jì)、仿真分析、加工、組裝和控制驅(qū)動(dòng)為一體的多學(xué)科交叉的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜綜合工程問題能力的培養(yǎng)。

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