云端虛擬仿真技術在《失效物理基礎》課程中的應用

陳穎 王艷芳 李姝敏

（北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院 北京市 100191）

近年來，隨著人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬仿真等新興技術的迅猛發(fā)展，開創(chuàng)了新技術、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特征的新經(jīng)濟形式[1]。與此同時，高等教育教學改革也迎來了新的契機，利用網(wǎng)絡及人工智能技術的教學模式已然成為一種重要的趨勢[2]。

1 虛擬仿真技術的必要性

虛擬仿真可以將教學內(nèi)容更加形象、逼真的展現(xiàn)在學生眼前，通過實時的交互提高課程內(nèi)容的趣味性，翟明等[3]以能源動力相關課程群和應用型研究生培養(yǎng)基地為基礎，建立基于虛擬仿真平臺的能源動力類本、研一體化實驗教學與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了從本科生到研究生的理論教學與實踐教學一體化。

《失效物理基礎》課程是以電子產(chǎn)品為研究對象，重點從靜力學、動力學、電學和電磁學等角度講授電子產(chǎn)品常見失效機理及其根源、影響因素,闡述如何將失效機理和物理模型應用于電子產(chǎn)品可靠性分析、設計、預計、評估、故障診斷以及健康管理等方面的一門本科生核心專業(yè)課。該課程的實踐性非常強，要求學生結合實際的產(chǎn)品，從其工作的環(huán)境和載荷以及產(chǎn)品內(nèi)部構造等內(nèi)外因角度來進行分析，定位產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并通過仿真計算來評價產(chǎn)品的可靠性。傳統(tǒng)線下理論授課的方式很難實現(xiàn)課程的實踐性教學目標。課題組探索了采用虛擬仿真方法，加強課程的實踐環(huán)節(jié)，利用計算機技術和軟件工程、信息技術、仿真技術來支撐教學工作的方案，并進行了實踐。

2 云端虛擬仿真在課程中的應用實踐

課程團隊首先梳理了課程的教學內(nèi)容，確定理論教學和實踐教學兩個部分的有機聯(lián)系，并以科研成果和工程經(jīng)驗為基礎，設計課程實踐部分的案例，同時利用互聯(lián)網(wǎng)技術，開發(fā)了云端虛擬仿真軟件，為學生提供學習的平臺。

2.1 梳理授課內(nèi)容

為了實現(xiàn)課程內(nèi)容中的理論和虛擬仿真的結合，首先需要梳理教學思路和授課內(nèi)容，課程的教學思路定為 “一條主線、兩個重點、多知識點集成應用”，其中一條主線是“失效物理”、兩個重點是“認識失效機理、描述失效行為”、多知識點集成應用是“將各種失效機理、物理模型集成應用于可靠性設計、分析、評估中”。

基礎性的授課內(nèi)容主要通過線下教師講解、課堂微視頻和討論等方式實現(xiàn)。授課內(nèi)容主要分為三大部分，第一部分是認識失效機理，包括結構的變形與疲勞、電子產(chǎn)品的熱疲勞與振動疲勞、結構磨損與腐蝕、電子產(chǎn)品的腐蝕、遷移與擴散、電子產(chǎn)品的熱載流子、柵氧化層擊穿和電遷移、靜電放電以及空間環(huán)境下的單粒子效應、總劑量效應和位移損傷效應；第二部分是刻畫失效行為，給出了失效物理模型的類型，解析類失效物理模型的推導方法、反應論類失效物理模型的數(shù)據(jù)擬合方法以及性能退化類物理模型的數(shù)據(jù)擬合方法；第三部分是失效物理學在可靠性工程中的應用，包括故障機理分析方法（FMMEA）、故障行為仿真方法（RST）、基于故障物理的故障監(jiān)測與預測方法（PHM）等內(nèi)容，如圖1所示。

圖1：教學思路和授課內(nèi)容

圖1中認識失效機理、刻畫失效行為是課程的理論基礎，而可靠性工程應用部分的實踐性最強。因此，課程團隊設計了基于失效物理的產(chǎn)品設計改進與云端仿真驗證、云端可靠性仿真分析與評估等實踐案例。這兩個案例要用到課程大部分理論基礎知識，包括失效機理、失效物理模型、FMMEA 和RST。為了滿足近百名同學的實踐需求，必須要建設云端虛擬仿真平臺，利用云計算的方式，利用互聯(lián)網(wǎng)上的計算資源來解決大容量的運算求解問題。

2.2 云端虛擬仿真平臺的建設

針對圖2(a)所示的某電源驅動模塊設計的教學案例，要進行各種有限元仿真和失效物理的計算，因此團隊開發(fā)了“電子產(chǎn)品可靠性仿真評估云平臺”（如圖2(b)所示），學生可以分別從本地電腦登錄賬號，進入云端查看實踐課程，教師可以在線上講解案例的實現(xiàn)流程，學生操作完成后，在線提交，教師進行批改評分。

圖2：電子產(chǎn)品虛擬仿真實例與云端軟件平臺

虛擬仿真教學過程引入有限元熱分析和振動分析軟件，從EDA模型的導入、幾何模型的建立，有限元模型的建立、網(wǎng)格的劃分、材料參數(shù)和邊界條件的確定，再到最后熱和振動數(shù)值計算，結果的后處理，學生可以利用實驗指導書，自己動手操作，變換初始條件和邊界條件，觀察電子產(chǎn)品的仿真響應。將失效物理課程理論部分的重點—失效物理模型、可靠性算法以程序的形式寫入虛擬仿真軟件，學生們能夠將熱和振動環(huán)境下的產(chǎn)品響應與可靠性計算相互關聯(lián)，將課程理論部分內(nèi)容付諸實踐。

3 結論

借助云端虛擬仿真平臺，實現(xiàn)了以應用、分析、創(chuàng)造為主的綜合性教學模式，引導學生形成對失效物理學的系統(tǒng)認知能力，培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)自主學習積極性。云端虛擬仿真平臺建設完成后，在全校本科大三學生中開設，受到了同學們的認可和好評。課程內(nèi)容與學生暑假生產(chǎn)實習相輔相成，推動了所學的理論知識的融會貫通,為學生走向可靠性工程實踐提供了基礎，更多的同學對失效物理研究方向產(chǎn)生了興趣，在本科階段就參與到了相關的科研工作中，提升了研究能力和水平。2020年，失效物理基礎課程通過評選成為院級一流本科課程，還獲得了校級優(yōu)秀教學成果獎。實踐證明，充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，開發(fā)虛擬仿真教學平臺，教學過程虛實結合、優(yōu)勢互補，提升了教學效果。