面向船舶海工類專業創新設計與虛擬仿真實驗平臺建設研究

劉志強 王后連 胡朝斌

（江蘇科技大學機械工程學院 江蘇·鎮江 212000）

面向船舶海洋工程、機械電子工程、機械設計制造及其自動化等專業方向必修課程《船舶輔機》《船舶與海工機械裝備設計》開始相關的課內實驗，實驗涉及船舶海工機械原理、船舶輔機設計、優化設計、現代設計方法、船舶與海工裝備信息技術等多門課程相關知識。實驗兩年以前以認知性實驗為主，側重對錨泊系統認知，以及關鍵重要零部件的強度、性能參數測試驗證實驗等。近兩年實驗在認知實驗基礎上提升為綜合設計型實驗。按照虛實結合的原則，線下實物模型實驗（錨泊系統認知及關重件結構強度實驗）2學時，線上虛擬仿真實驗2學時。

1 創新設計與虛擬仿真實驗平臺建設內容

（1）面向船舶海工設備設計類課程，開發交互創新設計與虛擬性能實驗平臺方案設計，構建虛擬實驗課程方案。針對典型的船舶海工裝備，從系統認知、系統創新設計、性能仿真分析、系統應用、故障分析與診斷等角度開發虛擬實驗，實現部分實驗的虛實結合。盡可能多的提供不同類別的船舶海工設備設計與性能仿真分析試驗，涉及設備包括船舶主輔機設備、海洋平臺設備、海洋資源開發設備、安全消防相關設備等（見圖1）。

圖1

（2）面向船舶海工設備運動方案設計，開發交互虛擬創新設計實驗平臺，形成面向機構創新方案設計的虛擬交互設計實驗平臺。面向海洋開發領域設備，開展機構創新設計實驗，主要包括波浪能發電機構創新設計、海洋資源開采設備的能量回收裝置的創新設計。開發CAD/CAE集成創新設計實驗平臺，實現機構性能分析與創新設計，可以用于機構的組合設計、模擬機構搭載運動仿真分析。

（3）面向船舶海工設備性能分析，開發虛擬性能仿真實驗平臺，形成典型船舶海工設備的虛擬性能仿真實驗平臺。開發虛擬仿真實驗平臺，可以提供實驗設計方法、性能仿真分析、設計優化、故障重構與模擬診斷等環節實驗訓練。

2 方案實施與開發實踐

對“機械設計”“機械系統設計”“機械裝備設計”“船舶輔機”等課程教學中涉及的行業特色設備的設計與性能分析實驗，進行分類規劃，循序漸進開發相關的實驗課程，包括產品設備認識、系統設計、系統分析與仿真、優化、故障診斷等相關實驗內容，并注重培養科學實驗方法。通過虛擬交互實驗平臺的開發，拓展實驗范圍，提高學生學習興趣、深化與專業課程的交叉融合為目標。主要實施方案如下：

（1）面向船舶海工裝備創新設計，利用現代信息技術應用于課程教學及實踐環節中，引入計算機輔助機構創新設計與虛擬性能仿真實驗技術，實現虛實交互結合。開發虛實結合實驗方案，撰寫實驗指導書（見圖2）。

圖2：虛實結合實驗方案

利用現代信息技術將計算機輔助機構幾何設計、三維造型設計和虛擬仿真技術引入課程實驗教學中，構建新的虛實結合的實驗教學模式和實驗教學環境，提高學生的學習興趣，深化與專業其他課程的交叉融合，以符合工程教育認證與一流品牌專業建設對專業人才培養的目標，并滿足專業長遠發展的需求。

（2）研究計算機輔助機構運動方案創新設計方法，利用計算機圖解法與解析法結合，基于NX、SolidWorks平臺開發機構運動方案交互創新設計實驗軟件，有針對性研究計算機輔助機構創新交互設計軟件，將計算機輔助創新設計貫穿應用于整個課程體系的設計性實驗、性能分析實驗中。

（3）利用Unity 3D、C4D平臺開發虛擬交互性能仿真實驗軟件，可以實現船舶海工裝備的交互操縱、性能分析仿真、優化與故障診斷預演，可虛擬分析運動學性能、動力學性能、相關操作功能等。有利于形成直觀形象認識的基礎上，通過開放性實驗鍛煉形成創新設計的能力。重點是通過軟件平臺，提供流程向導式實驗交互操作訓練，包括科學制定實驗方案（田口正交實驗設計、均勻實驗設計、中心組合實驗設計），運動方案的CAE分析與虛擬仿真方法、結構優化設計等內容。

3 結論

依托江蘇科技大學船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心、國家一流專業建設點、江蘇省品牌專業和國家級教學實驗中心，將“虛擬現實+互聯網”技術融入實驗教學項目，堅持“學生中心”的原則，面向船舶與海洋工程行業，突出設備系統設計關鍵技術，開發系統設計與性能仿真實驗實驗項目，填補當前我國船舶設備相關專業在創新設計與性能評估虛擬仿真實踐教學平臺方面的空白。