基于3D仿真技術(shù)的汽輪機虛擬實驗室建設(shè)

摘 要：本文通過對汽輪機實驗教學(xué)大綱的分析，闡述汽輪機虛擬實驗室建設(shè)的目的和意義。借助3D仿真技術(shù)構(gòu)建汽輪機實驗教學(xué)的平臺，充分以傳統(tǒng)實驗室為基礎(chǔ)，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，提高汽輪機實驗教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；汽輪機實驗；人機交互

計算機仿真技術(shù)是世界各國十分重要的一項高新技術(shù)。它是涉及計算機教學(xué)、工程控制、各種實際系統(tǒng)的專業(yè)知識、計算機軟硬件等多科學(xué)領(lǐng)域的一項綜合性高科技技術(shù)，是科學(xué)工作者、工程技術(shù)人員、運行操作人員進(jìn)行系統(tǒng)分析、優(yōu)化設(shè)計、性能評估、運行試驗、教育培訓(xùn)、操作訓(xùn)練的有力工具。

近年來，由于計算機軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也帶動了虛擬實驗技術(shù)的發(fā)展。將3D仿真技術(shù)運用到汽輪機實驗教學(xué)當(dāng)中，具有良好的發(fā)展前景。本文根據(jù)汽輪機實驗的特點，結(jié)合3D仿真技術(shù)，建立汽輪機虛擬實驗室，對傳統(tǒng)的汽輪機實驗室進(jìn)行改造，對如何利用3D仿真技術(shù)為實驗教學(xué)提供服務(wù)進(jìn)行了研究和探討。

一、3D仿真技術(shù)的特點

3D仿真技術(shù)綜合了計算機圖像處理、智能技術(shù)、信號處理等多門科學(xué)，將計算機獲得的數(shù)字化信息變?yōu)槿四芨惺艿木哂懈鞣N表現(xiàn)形式的多維信息。其有如下特點：一是沉浸性。仿真系統(tǒng)中，參與者可獲得視覺、聽覺等多種感知，從而獲得身臨其境的真實感受。二是互交性。3D仿真技術(shù)中，不僅使環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進(jìn)行控制，還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫崟r的反應(yīng)。三是虛幻性。即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計算機等工具模擬出來的。

二、汽輪機虛擬實驗室的建設(shè)目標(biāo)

汽輪機作為電廠的重要組成部分之一，了解及掌握汽輪機的性能至關(guān)重要。在做汽輪機及其附屬設(shè)備性能實驗時，由于汽輪機內(nèi)部間隙較小，零部件較多，傳統(tǒng)的汽輪機實驗教學(xué)，只能對其內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行講解和描述，并不能對設(shè)備進(jìn)行拆解，使之成為授課難點，不利于調(diào)動學(xué)生的積極性。同時，各別汽輪機實驗較為復(fù)雜，經(jīng)常會因操作不當(dāng)看不到理想的實驗結(jié)果。針對上述問題，可以利用3D仿真技術(shù)建設(shè)虛擬實驗室，利用仿真軟件完成傳統(tǒng)實驗室中的工作，且能實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室不能做到的事情。

1.人機交互目標(biāo)。在虛擬實驗室中，可以用鼠標(biāo)去控制實驗，一邊改變條件，一邊觀察實驗結(jié)果。仿真技術(shù)可以按照我們的要求，放慢或加快實驗過程，讓學(xué)生看到在傳統(tǒng)實驗中看不到的變化過程，從而使學(xué)生在操作過程中，驗證理論知識，增強學(xué)習(xí)的樂趣。

2.可視化目標(biāo)。汽輪機內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，但是傳統(tǒng)的實驗設(shè)備，其內(nèi)部構(gòu)造“隱藏”起來，不能任意拆解及組合。針對這一問題，通過建立3D仿真虛擬實驗室，對汽輪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在計算機上模仿汽輪機的實際裝配及拆解過程，使學(xué)生可以從任意角度、任意方位來觀察，增強對汽輪機結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，對各部件有更深的理解。

三、汽輪機虛擬實驗室建設(shè)的方法

目前，我校開設(shè)的汽輪機試驗課程共有六門，分別為噴管流量特性實驗、凝汽器熱力特性實驗、葉片頻率測試實驗、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測試實驗、汽輪機效率實驗、汽輪機模型實驗、電液伺服閥實驗。根據(jù)各實驗的特點，進(jìn)行改造，建立虛擬實驗室。

1.傳統(tǒng)實驗的虛擬化改造。凝汽器熱力特性實驗、汽輪機模型實驗、電液伺服閥實驗、汽輪機效率實驗可以根據(jù)汽輪機設(shè)計圖紙，結(jié)合汽輪機原型，利用Autodesk公司的3DMAX三維模型進(jìn)行建模。通過可視化的三維物體真實地模擬實際設(shè)備及其內(nèi)部零件，客觀地描繪出汽輪機每個部件的參數(shù)特點和結(jié)構(gòu)特點。例如：對于汽輪機的轉(zhuǎn)子部分，按照汽輪機廠的設(shè)計圖紙尺寸，利用CAD畫出汽輪機轉(zhuǎn)子部分的二維圖，然后將其導(dǎo)入3DMAX中進(jìn)行三維建模，實現(xiàn)了模型與實際設(shè)備尺寸相一致的目的。再根據(jù)轉(zhuǎn)子組件和靜子組件的聯(lián)系和位置，結(jié)合實際兩部件之間的關(guān)系，從而得到轉(zhuǎn)子組件和靜子組件之間的空間位置。利用三維建模工具，完成虛擬實驗環(huán)境的建模，建立數(shù)據(jù)庫信息。

2.3D結(jié)構(gòu)仿真漫游。根據(jù)建立的模型，利用計算機模擬仿真的手段來完成教學(xué)中的實驗環(huán)節(jié)。簡單的汽輪機實驗只需要一臺計算機終端。學(xué)生根據(jù)實驗項目，選擇虛擬儀器。計算機接收到用戶信息后，啟動相關(guān)功能進(jìn)行操作。通過人機互聯(lián)，模擬實驗操作過程，采集數(shù)據(jù)，進(jìn)一步傳送到服務(wù)器，同時電腦顯示實驗結(jié)果。

四、結(jié)語

3D仿真技術(shù)的發(fā)展對實驗教學(xué)提出了新的要求，這使得虛擬技術(shù)應(yīng)用于汽輪機實驗教學(xué)成為一種必然趨勢。基于虛擬技術(shù)的教學(xué)改變了以往實驗教學(xué)的被動性，使參與者與虛擬環(huán)境成為相互作用、相互影響的一個整體，讓學(xué)生通過自身與信息、環(huán)境的互動來獲得知識和技能。

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