機電綜合實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)實踐

馮棟彥 唐德文 唐永輝 劉軍 張瑩

摘 要：針對“專業(yè)認證”對培養(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)課程實踐環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有校企合作實驗室的基礎(chǔ)上，建立針對典型核電零部件的設(shè)計、建模仿真、制造、裝配、檢測和機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、電等學(xué)科的綜合實訓(xùn)項目。學(xué)生可對典型核電裝備零件進行虛擬設(shè)計、仿真、加工、檢測和組裝，同時完成機電一體化系統(tǒng)的電氣控制，培養(yǎng)綜合機械素養(yǎng)。機電綜合實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)是滿足專業(yè)認證要求的有效途徑，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：實踐教學(xué) 綜合實訓(xùn) 虛擬仿真 專業(yè)認證

引言

我校機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)2019年通過教育部工程教育專業(yè)認證，隨著工程教育專業(yè)認證工作的持續(xù)推進，以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進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)要求指標點為引領(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條指標點中有8條涉及復(fù)雜工程問題，相關(guān)專家對復(fù)雜工程問題的解析為必須運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)標準和規(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，而實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的有效手段。為進一步切合專業(yè)認證對學(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合實驗教學(xué)平臺”建設(shè)為契機，結(jié)合中核集團與我校開展的合作實驗室，構(gòu)建具有行業(yè)特色的機電綜合實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺。使學(xué)生能夠了解核電設(shè)備的基本知識，掌握核電非常規(guī)零件的設(shè)計理論和方法，并能夠靈活地綜合運用多學(xué)科技術(shù)解決核電機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計、分析與開發(fā)的實際問題，以此鍛煉解決復(fù)雜工程問題的思維能力。

一、平臺建設(shè)的必要性

為了滿足一流的實驗實踐教學(xué)平臺需要，構(gòu)筑一流實驗教學(xué)平臺，特別是綜合性、創(chuàng)新性實驗平臺的建設(shè)以及專業(yè)認證對學(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)虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺。我院現(xiàn)有機械基礎(chǔ)實驗室、精密測量與檢測實驗室、金相檢測實驗室、帶傳動實驗室等，經(jīng)過迎接審核性評估和專業(yè)認證評估兩大環(huán)節(jié)的建設(shè)，大部分實驗室能滿足開設(shè)綜合性實驗的教學(xué)任務(wù)需求，同時為了提高學(xué)生設(shè)計、制造、加工、裝配等綜合能力的培養(yǎng)，我院于已開設(shè)了機電綜合實訓(xùn)實踐環(huán)節(jié)，但限于實驗室條件和師資，采取分班分組輪流實訓(xùn)的模式，導(dǎo)致開課周期長，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，針對一些特色專業(yè)課程，如核動力機械中壓力容器性能實驗、控制棒驅(qū)動系統(tǒng)實驗等很難開設(shè)實際實驗項目。將兩方面的困難綜合起來考慮，可通過虛擬仿真實驗再現(xiàn)壓力容器、控制棒驅(qū)動系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備的設(shè)計控制流程，彌補了難以實地開展實踐教學(xué)的困難，而利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，配合專用虛擬實驗軟件，實現(xiàn)線上線下實驗教學(xué)的結(jié)合，有效解決實驗室分組實驗場地設(shè)備不足的問題。

專業(yè)認證需要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，而隨著創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng) +”和“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的實施，迫切需要高等院校創(chuàng)新高等工程教育的理念，進行“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，提高國際競爭力。在“新工科”和“專業(yè)認證”雙重背景下，實踐教學(xué)需“橫向拓展，縱向拓深”，在增開相應(yīng)的設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗的基礎(chǔ)上，融合多學(xué)科專業(yè)知識，必須激勵和促進全體學(xué)生的積極參與，建設(shè)虛實結(jié)合的綜合復(fù)雜工程實驗實踐項目，在硬件條件有限的基礎(chǔ)上有利于擴大覆蓋面，推動新工科的建設(shè)。同時，建設(shè)機電綜合實訓(xùn)虛實結(jié)合實驗教學(xué)中心可使學(xué)生在虛實結(jié)合條件下，模擬實現(xiàn)極端環(huán)境下一體化實驗教學(xué)過程，拓展學(xué)生的知識面。因此，該虛擬仿真平臺融合機械設(shè)計、制造、電子、傳感、通訊、控制等學(xué)科，涵蓋機械工程、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)代機電系統(tǒng)設(shè)計的需求，可增強學(xué)生在機械產(chǎn)品設(shè)計與集成，標準零件的選型與分析，典型零件設(shè)計與制造，機電驅(qū)動控制與組合等方面的能力，滿足新工科學(xué)生所需的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力要求。

二、機電綜合虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

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

通過虛實結(jié)合的實驗，使學(xué)生了解和掌握在核電廠主要機械設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特點，初步掌握核動力機械的設(shè)計規(guī)程和設(shè)計方法，鞏固制造技術(shù)基礎(chǔ)、CAD/CAM、機械制造工程學(xué)、有限元等課程基礎(chǔ)理論知識，為今后從事大型復(fù)雜機械設(shè)備和通用機械設(shè)計工作打下基礎(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，通過點擊某核心設(shè)備可實現(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驗項目，使學(xué)生通過對相關(guān)知識原理的綜合理解，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)計與虛擬加工制造仿真

（1）在此實驗項目中，主要針對內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度計算公式，以薄膜理論為推導(dǎo)基礎(chǔ)，進行如下設(shè)計分析：

① 根據(jù)薄膜理論進行應(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)計準則，應(yīng)用強度理論確定應(yīng)力的強度判據(jù);

③ 對封頭，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應(yīng)力增強系數(shù)。

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

最終在材料、容積、壁厚、管口直徑及焊接等復(fù)合條件下進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)計，在此過程中涉及到材料、力學(xué)、機構(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個典型核電裝備關(guān)鍵零件，進行加工工藝規(guī)程設(shè)計，建立工藝過程卡，進行數(shù)控編程加工;

通過三維仿真技術(shù)再現(xiàn)完整的關(guān)鍵零件機械加工工藝規(guī)程設(shè)計過程。工藝性分析;確定毛坯;擬定工藝過程;選擇機床;選擇夾具;選擇刀具;計算工序尺寸;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畫的形式展現(xiàn)零件從毛坯到加工成為最終零件的整個過程，學(xué)生可以自由觀察整個過程，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)計過程。完善加深對機械制圖理論知識的理解，熟練掌握零件二維、三維的轉(zhuǎn)化。同時進行零部件在不同材質(zhì)、壓力、溫度等條件下進行三維模擬仿真，進行多因素的仿真分析。并探索實際工況下的模型變形量的測量與監(jiān)測方法。

針對不同材料、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，運用SolidWorks軟件對其進行重建，采用有限元軟件結(jié)合強度理論公式，在壓力、溫度不同工況下，進行三維結(jié)果模擬，對比不同條件下的壓力容器有限元分析結(jié)果，實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)與不同工況條件的優(yōu)化組合，加深對理論公式的實際應(yīng)用。

4.焊接加工虛擬仿真

焊接是一個涉及多學(xué)科的復(fù)雜的物理—化學(xué)過程，單憑積累工藝試驗數(shù)據(jù)來深入了解和控制焊接過程則既不切實際又成本昂貴和費時費力。采用三維建模技術(shù)對壓力容器、頂封頭、中間筒體、焊接設(shè)備等進行模擬重建;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)下的溫度場變化，使學(xué)生直觀認識焊接的過程，了解常規(guī)焊接方法的基本原理，操作步驟及注意事項。進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)換為求解有限個單元的問題，通過對不同參數(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.機械裝備零部件組裝

采用三維建模技術(shù)對壓水堆堆芯零部件等進行模擬重建，對壓水堆堆芯零部件的模型進行任意切面的自由剖切，實現(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）確定合理的運輸方法和運輸工具;

（6）制定裝配時間定額。

6.控制棒驅(qū)動機構(gòu)PLC編程虛擬控制仿真

在引導(dǎo)學(xué)生了解磁力步進式控制棒驅(qū)動機構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上，通過PLC編程虛擬控制仿真驅(qū)動控制棒組件在堆芯內(nèi)提升和下降，以實現(xiàn)反應(yīng)堆的啟動，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)化的計算確定驅(qū)動參數(shù)，并對序號隨機選擇的控制棒進行PLC動作控制編程仿真，針對選定的控制棒進行上下移動方向、距離、時間間隔、重置、數(shù)量等不同變量下的動作模式進行編程控制。實現(xiàn)力磁轉(zhuǎn)化計算、控制系統(tǒng)設(shè)計、PLC編程、控制驅(qū)動方式等不同課程內(nèi)容的融合實踐。

結(jié)語

本文中虛擬仿真教學(xué)平臺的建設(shè)以“新工科建設(shè)”和“專業(yè)認證”要求為目標，面向中南地區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的技術(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，定位于機電綜合虛實結(jié)合的教學(xué)、實驗、實訓(xùn)平臺，積極開展基于核電設(shè)備設(shè)計、仿真分析、加工、組裝和控制驅(qū)動為一體的多學(xué)科交叉的綜合實訓(xùn)平臺，加強對學(xué)生解決復(fù)雜綜合工程問題能力的培養(yǎng)。

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