面向船舶海工類專業(yè)創(chuàng)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(zhèn)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(yè)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(guān)的課內(nèi)實驗，實驗涉及船舶海工機械原理、船舶輔機設計、優(yōu)化設計、現(xiàn)代設計方法、船舶與海工裝備信息技術(shù)等多門課程相關(guān)知識。實驗兩年以前以認知性實驗為主，側(cè)重對錨泊系統(tǒng)認知，以及關(guān)鍵重要零部件的強度、性能參數(shù)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(jié)合的原則，線下實物模型實驗（錨泊系統(tǒng)認知及關(guān)重件結(jié)構(gòu)強度實驗）2學時，線上虛擬仿真實驗2學時。

1 創(chuàng)新設計與虛擬仿真實驗平臺建設內(nèi)容

（1）面向船舶海工設備設計類課程，開發(fā)交互創(chuàng)新設計與虛擬性能實驗平臺方案設計，構(gòu)建虛擬實驗課程方案。針對典型的船舶海工裝備，從系統(tǒng)認知、系統(tǒng)創(chuàng)新設計、性能仿真分析、系統(tǒng)應用、故障分析與診斷等角度開發(fā)虛擬實驗，實現(xiàn)部分實驗的虛實結(jié)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(fā)設備、安全消防相關(guān)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(fā)交互虛擬創(chuàng)新設計實驗平臺，形成面向機構(gòu)創(chuàng)新方案設計的虛擬交互設計實驗平臺。面向海洋開發(fā)領(lǐng)域設備，開展機構(gòu)創(chuàng)新設計實驗，主要包括波浪能發(fā)電機構(gòu)創(chuàng)新設計、海洋資源開采設備的能量回收裝置的創(chuàng)新設計。開發(fā)CAD/CAE集成創(chuàng)新設計實驗平臺，實現(xiàn)機構(gòu)性能分析與創(chuàng)新設計，可以用于機構(gòu)的組合設計、模擬機構(gòu)搭載運動仿真分析。

（3）面向船舶海工設備性能分析，開發(fā)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(fā)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(yōu)化、故障重構(gòu)與模擬診斷等環(huán)節(jié)實驗訓練。

2 方案實施與開發(fā)實踐

對“機械設計”“機械系統(tǒng)設計”“機械裝備設計”“船舶輔機”等課程教學中涉及的行業(yè)特色設備的設計與性能分析實驗，進行分類規(guī)劃，循序漸進開發(fā)相關(guān)的實驗課程，包括產(chǎn)品設備認識、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)分析與仿真、優(yōu)化、故障診斷等相關(guān)實驗內(nèi)容，并注重培養(yǎng)科學實驗方法。通過虛擬交互實驗平臺的開發(fā)，拓展實驗范圍，提高學生學習興趣、深化與專業(yè)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(chuàng)新設計，利用現(xiàn)代信息技術(shù)應用于課程教學及實踐環(huán)節(jié)中，引入計算機輔助機構(gòu)創(chuàng)新設計與虛擬性能仿真實驗技術(shù)，實現(xiàn)虛實交互結(jié)合。開發(fā)虛實結(jié)合實驗方案，撰寫實驗指導書（見圖2）。

圖2：虛實結(jié)合實驗方案

利用現(xiàn)代信息技術(shù)將計算機輔助機構(gòu)幾何設計、三維造型設計和虛擬仿真技術(shù)引入課程實驗教學中，構(gòu)建新的虛實結(jié)合的實驗教學模式和實驗教學環(huán)境，提高學生的學習興趣，深化與專業(yè)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(yè)建設對專業(yè)人才培養(yǎng)的目標，并滿足專業(yè)長遠發(fā)展的需求。

（2）研究計算機輔助機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計方法，利用計算機圖解法與解析法結(jié)合，基于NX、SolidWorks平臺開發(fā)機構(gòu)運動方案交互創(chuàng)新設計實驗軟件，有針對性研究計算機輔助機構(gòu)創(chuàng)新交互設計軟件，將計算機輔助創(chuàng)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(fā)虛擬交互性能仿真實驗軟件，可以實現(xiàn)船舶海工裝備的交互操縱、性能分析仿真、優(yōu)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(guān)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(chuàng)新設計的能力。重點是通過軟件平臺，提供流程向?qū)綄嶒灲换ゲ僮饔柧?，包括科學制定實驗方案（田口正交實驗設計、均勻?qū)嶒炘O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(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等內(nèi)容。

3 結(jié)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(yè)建設點、江蘇省品牌專業(yè)和國家級教學實驗中心，將“虛擬現(xiàn)實+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)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(yè)，突出設備系統(tǒng)設計關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)系統(tǒng)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(guān)專業(yè)在創(chuàng)新設計與性能評估虛擬仿真實踐教學平臺方面的空白。