ANSYS在船舶輔機課程教學中的應用研究

王飛顯

（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050）

船舶輔助機械作為船舶的重要組成部分，在船舶日常運行與管理中起到關鍵作用。隨著輪機工程技術的不斷發展和船舶運營管理環境的日益復雜化，對船舶輔機的性能和可靠性要求更加嚴格。因此，培養學生掌握船舶輔機知識和技能，以滿足行業需求與挑戰，成為航海教育中的緊迫任務。為培養創新能力強、工程實踐能力強的新工科人才[1]，有學者提出了基于超星學習通的船舶輔機拆裝與操作實踐教學[2]，采用“理實一體化”課堂教學模式[3]。然而，船舶輔機專業性強、內容難度大、實驗條件有限，虛擬仿真技術在船舶輔機課程中也應用較少，導致學生興趣不高、知識理解困難，難以將理論知識應用于實踐。近年來，計算機仿真技術作為一種有效教學手段被廣泛應用于各個領域。Fluent 軟件是工程仿真綜合軟件ANSYS 的一個模塊，有學者提出了將Fluent軟件引入到專業課教學中[4]。ANSYS 功能強大，廣泛應用于船舶工程領域，在船舶專業課程教學中的應用備受關注。本文探討了ANSYS在船舶輔機課程教學中的應用，通過軟件的虛擬仿真模擬幫助學生更好地理解和應用課堂知識，進而提升了學生的實踐能力和工程應用水平，以提高船舶輔機課程教學質量，為船舶輔機課程教學提供有益參考，促進船舶工程領域教學的創新與發展。

1 船舶輔機課程教學現狀

在船舶輔機課程教學中，部分內容比較抽象，導致學生學習興趣不高，例如在講解“離心泵的工作原理”內容時，學生在理解“離心泵吸排液體的過程”上，感到較為困難，原因在于學生對流體壓力這種比較抽象的知識理解不清。船舶輔機課程內容豐富、覆蓋廣泛，與傳熱學、工程熱力學、流體力學等專業基礎課程密切相關，綜合性要求更高。例如，學習船用泵的揚程計算前需要先掌握流體力學中的伯努利方程，學習船舶空調與制冷設備前要先掌握傳熱學中的熱交換知識。但是，考慮到職業院校學制相對本科院校較短，課程安排上更緊湊，有些職業院校在輪機工程技術專業培養方案中并未設立這些專業基礎課程。學生缺乏相關的專業基礎知識，在學習船舶輔機課程時對很多抽象的知識點感到困惑。此外、教學模式相對單一，課堂主要以教師進行理論講述，輔助以微課、動畫和線上資源，學生對基本知識理解不夠，難以將理論知識運用于實踐。在實踐教學方面，實訓設備更新較慢，師資有限，大多數學生只是參觀了操作流程或者簡單觀察了設備的基本結構，而沒有完整地進行操作實踐。導致學生對船舶輔機設備的工作原理及特點了解的不透徹，也無法通過實踐加深對理論知識的掌握。

學習船舶輔機的目的是為了能夠讓學生應用所學知識進行船舶輔機設備的操縱、管理與維護。當課程在理論及實踐的結合上不夠完善時，學生就難以在工程實際中應用所學知識。如果將數值模擬技術應用到理論教學中，可以加強學生對理論知識的理解和掌握，并了解工程實際問題。然后再將理論知識應用到實踐中去，形成“理”與“實”的良好結合，這樣能提升課程的教學質量，滿足社會對應用型人才的需求。

2 ANSYS 應用于船舶輔機課程教學的優勢

ANSYS 是一款計算分析能力強大的工程仿真軟件，可以用于結構力學、流體力學、熱交換、電磁場的仿真分析，以及系統仿真、聲學分析等多個領域的研究。ANSYS廣泛應用于船舶工程領域，包括船舶流體力學分析、船體結構仿真、船舶性能優化等方面。ANSYS 在船舶輔機中也得到廣泛應用，例如運用ANSYS對船舶起錨機的液壓系統進行故障分析[5]等。

ANSYS 能通過色彩鮮明的云圖清晰地展示機械設備內部流體的流態、換熱溫度的變化情況以及設備關鍵部位的受力變形等，將抽象的知識形象化，從而顯著提高學生學習積極性。該軟件可以模擬多個知識點，并將各門課程知識串聯起來，使學生更深層次地掌握所學內容。在仿真過程中，通過人機交互，對計算結果進行分析，培養學生分析解決問題的能力，并與實際參數進行比較，能讓學生更早地接觸到工程問題。

3 ANSYS虛擬仿真教學過程

將ANSYS 虛擬仿真融入到船舶輔機課程教學中，以學生為教學主體，結合問題探究的教學方法，針對具體問題進行ANSYS案例教學[6]，教學模式如圖1所示。

圖1 ANSYS案例應用教學模式圖

3.1 ANSYS應用案例內容的確定

傳統教學中學生難以直接觀察設備或內部流體的動態變化，例如速度、壓力的分布情況，將ANSYS 應用于船舶輔機課程教學能讓學生更直觀地觀察到流體參數的變化，更容易理解基礎知識，這是與傳統教學方式不同的地方。選擇的ANSYS教學應用案例應具有一定的綜合性，既要與理論教學中的重難點內容結合，又要能夠通過軟件實現建模和計算分析。因此，本文在船舶輔機課程的每一章節課題中挑選一個典型案例與ANSYS 結合教學，這些案例都是在理論教學中比較抽象、學生難以直接觀測和理解的內容，具體教學應用案例如表1所示。

表1 ANSYS在船舶輔機教學中的應用案例

本文在船舶輔機課程的船用泵課題中挑選了離心泵作為典型案例展開應用研究，離心泵的理論教學內容中部分知識點比較抽象，如離心泵的工作原理、離心泵的空化現象，學生難以直接觀測和理解。利用ANSYS 軟件進行離心泵的數值仿真計算，可以分析離心泵在不同流量工況下的流體壓力分布、速度分布等特性，針對理論教學中的重難點內容，結合云圖等仿真結果分析總結規律以加強學生對基礎理論知識的掌握。

3.2 ANSYS虛擬仿真教學實踐

課前，由教師發布學習任務，學生利用線上課程資源自主完成離心泵章節內容學習；考慮到建模仿真專業性強、工作量大，學生也很難在短時間內掌握軟件的使用，所以在課前由專業教師運用ANSYS 軟件完成離心泵的建模、網格劃分、邊界條件設置及求解計算工作。

課中，教師針對離心泵的工作原理和空化現象等重難點內容展開理論知識教學。教師在講解離心泵的工作原理時，學生難以理解離心泵中液體的吸入與排出過程，針對這部分內容教師進行理論分析講解，例如由于葉輪高速轉動，在葉輪中心處形成負壓，在與外界氣壓的壓差作用下液體被吸入；蝸殼的擴壓管部分能降低液體流速、增加出口界面壓力，有利于排出液體。在進行離心泵空化現象的教學中，教師講解空化現象的形成是由于泵內部壓力降低，易形成氣泡，從而影響泵的工作性能和效率。

完成理論知識講解后，教師向學生展示虛擬仿真結果，引導學生觀察離心泵的流體分布云圖，結合問題探究式的教學方法，提問學生“在仿真結果云圖中，離心泵流體的壓力和速度是如何變化的？“讓學生帶著問題與教師一同進行仿真結果的觀察與分析，能促進學生主動參與思考，激發學習興趣和動力[6]，最后將總結的規律用于解釋提問，加強學生對理論知識的理解與掌握。

通過仿真計算得到了3種不同流量工況下離心泵中部截面的壓力云圖和速度云圖，可以觀察到在離心泵葉輪葉片、蝸殼部位流場的壓力分布和速度分布情況。壓力云圖如圖2所示，經觀察發現在離心泵葉片根部流體壓力最小、壓力值為負值，在葉片頂部壓力最大；蝸殼的渦室部分壓力值比較接近，在擴壓管部分壓力逐漸增加，在液體出口處壓力達到最大；隨著流量的增加，離心泵內部擴壓管部分壓力值降低。速度云圖如圖3所示，經觀察發現在離心泵葉片頂部流體流動速度最快，在葉片根部流體流動速度相對較低；在蝸殼擴壓管部分流體流動速度有降低的趨勢，出口處流體流動速度較小。學生討論并回答提問后，教師結合理論教學內容總結歸納，例如云圖中觀察到葉輪根部出現了負壓，液體能夠被吸入，負壓也容易導致離心泵的空化；云圖中觀察到擴壓管中流速降低、壓力增大，液體能夠被排出。

圖2 3種流量工況下的壓力分布云圖

圖3 3種流量工況下的速度分布云圖

課后，教師指導學生自主操作虛擬仿真軟件，觀察不同截面處的云圖以及離心泵旋轉時流體變化的動畫，進一步分析總結更多規律，這樣能提高學生工程軟件的應用能力，為未來工作及科學研究打下堅實的基礎，這是傳統教學中缺少的內容。

3.3 ANSYS虛擬仿真教學展望

本文運用ANSYS軟件的流體分析功能，對船用泵課題中的離心泵案例展開了虛擬仿真教學研究，通過觀察分析云圖，加深了學生對理論教學內容的理解。除了本文所采用的離心泵案例外，船舶輔機課程中的其他設備也可以運用ANSYS軟件進行虛擬仿真輔助理論知識的教學，案例如表1所示。

在船用空氣壓縮機課題中，氣閥閥片是主要的研究對象之一，氣閥閥片在空壓機運行過程中會反復的啟閉，易發生撞擊變形，需要學生掌握氣閥閥片的結構、受力分析、使用要求等內容。ANSYS具備結構分析的功能，可虛擬仿真出不同狀態下氣閥閥片的受力狀態，繪制出應力分布云圖，讓學生直觀地了解閥片結構、受力變形情況，并總結出閥片的使用要求。船舶制冷與空調課題中的電子膨脹閥可運用ANSYS流體分析能力，觀察設備內的流體狀態，了解設備內部結構；船用海水淡化裝置課題中的冷凝器可運用ANSYS熱分析能力，仿真計算不同液體溫度下的設備換熱效果；船舶輔助鍋爐課題中的噴油器可運用ANSYS流體分析能力，觀察噴嘴內燃油霧化的狀態，分析影響燃油霧化效果的因素。船用液壓設備課題中的密封裝置可運用ANSYS結構分析能力及熱分析能力，觀察到密封裝置的磨損及熱變形。

基于ANSYS軟件強大的仿真計算功能，在這些案例的基礎上還可以不斷豐富案例內容，對輔機設備進行多角度、更全面的分析，如結構分析、熱分析、流體分析、振動噪聲分析等等，這些案例都能運用ANSYS軟件進行虛擬仿真輔助理論知識的教學。

4 結語

本文旨在探索ANSYS 軟件在船舶輔機課程教學中的應用研究，通過ANSYS 軟件的虛擬仿真教學，能加強學生對理論知識的掌握，更好地將課程的理論教學與實踐教學相結合，提升教學質量。融入探究式教學方法能讓學生積極參與課堂互動，觀察輔機設備內部的流體分布云圖，幫助學生更深刻地理解所學知識，增強學生和教師之間的互動交流，激發學生的學習熱情，并培養學生在實踐中綜合運用知識分析解決工程實際問題的能力，為船舶輔機教學提供了全新的教學思路和方法。