炸藥摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)平臺建設(shè)

冀威 徐宇軒 王韜

摘 要：隨著高等教育的深化改革和招生規(guī)模的急劇擴大，國內(nèi)的高校普遍陷入實驗教學(xué)的困境。基于此，本文利用虛擬現(xiàn)實、可視化和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)軟件開發(fā)了炸藥摩擦感度測試虛擬實驗教學(xué)平臺。通過利用該平臺進行摩擦感度測試系統(tǒng)及設(shè)備組成的認知、實驗操作過程、系統(tǒng)組裝等過程，解決了爆炸性實驗教學(xué)受危險性、實驗成本和實驗室場地等資源限制的難題，能夠較好地適應(yīng)新時代教學(xué)改革的需求，對改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、共享教育資源、提高教學(xué)水平和節(jié)約投資等方面都具有重要的實踐意義。

關(guān)鍵詞：3Dmax軟件; 虛擬仿真技術(shù); 摩擦感度測試; 實驗教學(xué)

中圖分類號：TQ560? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）2-170-002

炸藥摩擦感度是指在摩擦作用下，炸藥發(fā)生燃燒或爆炸的難易程度。摩擦感度是炸藥能否實用的關(guān)鍵性能之一，是炸藥安全性和作用可靠性的一個重要指標[1，2]。摩擦感度作為特種能源工程與技術(shù)的專業(yè)實驗課程，由于炸藥的物理、化學(xué)性質(zhì)（如聚集狀態(tài)、表面狀況、熔點、硬度等）均可影響炸藥的摩擦感度[3，4]，此外傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法陳舊，管理上技術(shù)力量薄弱，設(shè)備落后，實驗室利用率較低，學(xué)生的實踐時間受到限制，在加上摩擦感度本身實驗的準備周期較長、實驗人數(shù)較多、成本較高，因此在實驗過程中存在的不安全因素較多，因此在教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中，一般通過演示展示實驗過程，學(xué)生完成數(shù)據(jù)處理后即結(jié)束實驗，缺少動手能力，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)成為解決這些難題的有效手段[5-8]。

教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，在2013年開展建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，每年批準建設(shè)100個國家級虛擬實驗教學(xué)平臺[10]。虛擬現(xiàn)實的概念提出于20世紀70年代，90年代初開始受到廣泛重視，并得到了快速發(fā)展， 目前已經(jīng)發(fā)展成涉及計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)、心理學(xué)、人類工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的一項綜合技術(shù)。虛擬實驗用其獨特的優(yōu)勢解決了這些問題。它采用仿真的方法，綜合運用人機交互、多媒體集成、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，充分發(fā)揮了現(xiàn)代信息技術(shù)的集成性、可視性和交互性，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)在時空上的限制，擴展了實驗內(nèi)容的深度和廣度，減小了實物實驗對實驗者造成傷害、對環(huán)境造成危害和對實驗設(shè)備造成損耗的可能性。另外，虛擬實驗中，計算機可以不厭其煩的重復(fù)一些工作，獲取各種可能的結(jié)果。同時，虛擬實驗還可以模擬一些一般情況下難以實施的實驗，或?qū)㈠e誤結(jié)果模擬出來，使實驗者知道相應(yīng)錯誤操作帶來的嚴重后果。它有益于校際之間、學(xué)校與社會之間的技術(shù)信息交流。

因此，為滿足特種能源工程與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)的實際需求，培養(yǎng)出高級復(fù)合型應(yīng)用人才，本文利用三維虛擬技術(shù)、人機交互和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，以實驗室MGY擺錘式摩擦感度儀為對象，建立摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺，生動地展示摩擦感度測試過程以及炸藥的裝配等過程，加深學(xué)生對摩擦感度實驗原理和操作過程等認識和理解，對改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、共享教育資源、提高教學(xué)水平和節(jié)約投資等方面都具有重要意義。

1.虛擬實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

立足于特種能源工程與技術(shù)專業(yè)的實驗教學(xué)實際需求，以培養(yǎng)適應(yīng)21世紀我國國防現(xiàn)代化建設(shè)和特種能源發(fā)展需求的，德智體美全面發(fā)展的、高素質(zhì)應(yīng)用型高級專業(yè)人才為目標，分析論證摩擦感度實驗的設(shè)計方案，對實驗原理、實驗過程和實驗相關(guān)設(shè)備進行虛擬仿真設(shè)計，達到完成實驗教學(xué)的目的。

1.1裝置實驗及原理

摩擦感度實驗是在MGY擺錘式摩擦感度儀上進行的。摩擦感度測試系統(tǒng)包括加載缸、壓桿、爆炸箱體、摩擦帶、摩擦裝置、鑒定塊、壓縮機和控制箱等模板組成。摩擦感度儀的基本原理是在兩滑柱間放置炸藥試樣，在恒定的擠壓壓力和懸置一定角度的擺錘自由下落的外力共同作用下，使上下滑柱間發(fā)生水平移動產(chǎn)生摩擦力對炸藥試樣作用，觀察爆炸與否。

1.2摩擦感度儀仿真模型的建立

首先以實驗室MGY擺錘式摩擦感度儀為對象，利用3Dmax軟件對摩擦裝置主體部件、炸藥試樣、摩擦裝置（滑柱和滑柱套）、擊桿、沖擊缸、控制箱等主要組成部件，對連接設(shè)備的各種部件進行1：1的仿真建模，原景還原實驗室摩擦感度測試裝置。同時利用Virtools軟件平臺構(gòu)建摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺，對一些難以講解的儀器內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)，通過三維圖像形象的表達出摩擦感度的工作原理。分析摩擦裝置操作過程和樣品是否爆炸判據(jù)，對實驗過程每個步驟進行全方位的展示。通過對摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺的操作，使學(xué)生在寓教于樂中學(xué)習(xí)，達到無成本安全操作的目的。

2.虛擬教學(xué)實驗平臺的組成

摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺包括裝置系統(tǒng)展示、自由巡檢、虛擬操作和設(shè)備虛擬組裝等。

2.1裝置系統(tǒng)展示

將摩擦感度測試裝置各個模板單獨孤立起來，以三維動圖的形式展示出來，使各個模板的組成、安裝、拆裝和模具安放位置等清晰無誤地展現(xiàn)在學(xué)生面前。學(xué)生可以通過鼠標左右鍵改變觀察視角和大小，來學(xué)習(xí)掌握整個裝置的組成，增強學(xué)生對摩擦裝置及工作原理的認識。

2.2自由巡檢

學(xué)生可以在整個模板中虛景遨游，自由巡檢，通過鼠標操作對整個實驗過程進行虛擬運行，深化對設(shè)備及工作原理的理解。巡檢重要組件時，還可以對組件（如摩擦裝置、摩擦裝置擺放位置）的內(nèi)部構(gòu)造有一個系統(tǒng)的理解，以充分了解摩擦裝置的結(jié)構(gòu)特性。

2.3虛擬操作

學(xué)生以各個操作步驟為基準，模擬摩擦感度測試過程，可以通過控制界面對炸藥顆粒樣品選擇過程、稱量過程、模具組裝等過程進行控制。之后與現(xiàn)場試驗作對比，盡量把實際操作過程中可能帶來的風(fēng)險降為零。虛擬操作過程包括：炸藥顆粒樣品準備、摩擦裝置組裝、實驗過程、爆炸判據(jù)等。

2.3.1試樣的選取。對于擠壓成型的各種火炸藥，應(yīng)先粉碎，對于均質(zhì)炸藥用實驗篩選取0.2-0.45mm的藥粒;對于復(fù)合固體推進劑，應(yīng)先去掉方坯藥20mm邊皮，沿澆注方向取樣，沿澆注方向取樣，用切片機切成厚度0.55mm的藥片;對于單質(zhì)炸藥，直接篩取尺寸在0.2-0.45mm的炸藥藥粒。

選取試樣后，所有試樣都需均勻分散在表面皿內(nèi)（厚度不超過3mm），放在水浴烘箱或真空烘箱中烘干，干燥溫度40-60℃，干燥時間2-4h;烘干后放在干燥器中冷卻2h待用。試樣選取的過程采用ANSYS前處理程序建立藥片模型和干燥模型，根據(jù)試樣的不同選擇不同的處理方式。

2.3.2摩擦裝置準備。摩擦感度儀的關(guān)鍵部件摩擦裝置包括上、下滑柱和套桿，以及長擊桿，依據(jù)實際測量尺寸對其進行仿真模型的建立。將符合要求的滑柱套、滑柱用航空洗滌汽油、工業(yè)丙酮洗滌干凈，再用干凈的綢布擦拭干凈，放在干燥器內(nèi)待用。將選取好的試樣小心的倒入裝有下滑柱的滑柱套內(nèi)，適當(dāng)晃動在將上滑柱輕輕放入，并輕輕轉(zhuǎn)動2圈，保證試樣均勻分布在整個滑柱面上。

2.3.3實驗過程。摩擦感度儀主要通過液壓管道自動加載及卸載壓力。液壓系統(tǒng)主要包含速度調(diào)節(jié)桿、壓力調(diào)節(jié)桿、加壓和卸壓按鈕、啟動和停止按鈕以及相應(yīng)的指示燈等控制部件， 按實際尺寸構(gòu)建并應(yīng)用不同顏色區(qū)分功能。實驗過程中首先開啟通風(fēng)設(shè)備按鈕，將裝好試樣的摩擦裝置放入摩擦感度儀的燃燒室內(nèi)，關(guān)閉透明防護罩。將擺錘升至測試角固定。啟動“加載啟動”按鈕，使試樣在滑柱套內(nèi)被加壓到規(guī)定壓力，然后將擊桿沿導(dǎo)向孔推進至頂住上滑柱，按規(guī)定擺角釋放擺錘撞擊擊桿，使得上滑柱滑移一定距離。觀察試樣受摩擦作用時發(fā)生的現(xiàn)象。按下卸載按鈕，系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始狀態(tài)，依次測完25發(fā)實驗。

2.3.4爆炸判據(jù)。試樣受摩擦作用時發(fā)生的現(xiàn)象有兩種：發(fā)火或者不發(fā)火。

因此判斷是否發(fā)火的判據(jù)是：

發(fā)火包括全爆、半爆、燃燒和分解。其中全爆是指有明顯的爆炸聲、冒煙、藥劑爆炸完全，擊柱面留有爆炸物殘渣。半爆是指有爆炸聲、冒煙、有剩余藥劑，擊柱面留有燃燒物殘渣和少量藥劑。燃燒是指有火焰、冒煙、藥劑燃燒完全和不完全，擊柱面留有燃燒物殘渣。分解是指看不見冒煙、藥劑變色，且預(yù)留大部分藥劑;擊柱上面留有輕微的黑色反應(yīng)物殘渣。

不發(fā)火：沒有爆炸聲、不冒煙、藥劑不變色。

2.3.5數(shù)據(jù)處理。實驗結(jié)束后，用爆炸百分數(shù)表示出實驗結(jié)果，通常進行兩組平行實驗并進行對比。兩組實驗結(jié)果的算術(shù)平均值作為該實驗炸藥試樣的摩擦感度值。最后比較參與摩擦感度實驗的各種炸藥爆炸百分比，就能大致確定參與實驗的各種炸藥摩擦感度的大小。一組（25發(fā)）實驗的爆炸概率點估計值（簡稱爆炸概率）計算公式為：

P=X/25，式中：P為爆炸概率;X為25發(fā)實驗中發(fā)生爆炸的次數(shù)。

2.4設(shè)備虛擬組裝

考慮到試驗的完整性和綜合性要求，虛擬仿真平臺設(shè)置了虛擬整機裝置環(huán)節(jié)。首先模擬系統(tǒng)給出MGY擺錘式摩擦感度儀的全部配件，學(xué)生按照固定順序進行安裝（裝配順序依次是：實驗平臺、螺桿、防護罩、主體桿件、螺帽、擺錘、液壓管道、壓力表等部件模型。摩擦裝置裝配順序是滑柱套、下滑柱、藥片、上滑柱），熟練后自主完成裝配，系統(tǒng)按照裝配完成情況進行打分，從而使學(xué)生可以完整無誤的組裝完成。摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺可以原景還原摩擦感度儀操作過程的各個環(huán)節(jié)及其數(shù)據(jù)的處理過程，擺脫傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，真正達到身臨其境的教學(xué)效果。

3.結(jié)論

摩擦感度測試系統(tǒng)虛擬教學(xué)平臺充分發(fā)揮了計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢，克服了炸藥摩擦感度實驗過程中高危險、高成本的缺點，虛擬操作過程形象的展示了實驗過程環(huán)節(jié)，使學(xué)生更好的與實際試驗過程相結(jié)合。“虛實結(jié)合，先虛后實”的新的實驗教學(xué)模式實現(xiàn)了復(fù)雜操作系統(tǒng)—局部細節(jié)認知—整體特性反復(fù)認知的過程，使學(xué)生對理論知識的理解更加深入，提高其實驗興趣和動手操作能力，為特種能源工程與技術(shù)專業(yè)學(xué)生提供虛擬實驗條件，開設(shè)靜電感度試驗、爆速、爆壓等實驗課程。

基金項目：西南科技大學(xué)素質(zhì)類專項資助項目：219/17xn0016

參考文獻：

[1]任秀秀，趙省向.高能炸藥摩擦感度研究進展[J]飛航導(dǎo)彈，2018（6）：91-97

[2]林文洲，洪滔.高能炸藥摩擦感度的數(shù)值模擬[J]爆炸與沖擊，2016，036（006）：745-751

[3]Phillips J J，Ching M L. A Comparative Study of Two BAM Designs for Friction Sensitivity Testing of Explosives[J]Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2020，45（4）：628-636

[4]Ruixuan Xu，Chongwei An，Hao Huang，et al.Preparation of multi-scale FOX-7 particles and investigation of sensitivity and thermal stability[J]RSC Adv，2019，9（36）： 21042-21049

[5]陳闖.基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學(xué)課程可視化教學(xué)方法研究[J]科教導(dǎo)刊，2019，000（002）：115-116

[6]周建新，張飛，王先平，等.虛擬仿真技術(shù)在新型武器裝備維修訓(xùn)練中的應(yīng)用研究[J]系統(tǒng)仿真技術(shù)，2019（3）：208-210.

[7]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]實驗室研究與探索，2013（12）：13-16

[8]劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念及發(fā)展模式探索[J]實驗技術(shù)與管理，2016（4）：108-110，114