卓越計劃背景下過程裝備與控制工程專業壓力容器實驗課程改革

徐書根， 趙延靈， 王振波， 曲 燕

(中國石油大學(華東) 化學工程學院， 山東 青島 266580)

實驗課程改革

卓越計劃背景下過程裝備與控制工程專業壓力容器實驗課程改革

徐書根， 趙延靈， 王振波， 曲 燕

(中國石油大學(華東) 化學工程學院， 山東 青島 266580)

為了提高過程裝備與控制工程專業技術人才的實踐能力，實現“卓越工程師教育培養計劃”所要達到的目標，對專業核心課程——壓力容器實驗課程進行改革，提出了包括“基礎實驗—虛擬設計和制造—力學仿真—拓展創新”的多層次專業實驗體系，有望提高學生對專業知識的理解，培養學生較強的實踐意識和創新意識。

卓越計劃； 過程裝備與控制過程； 壓力容器實驗； 力學仿真； 虛擬設計

過程裝備與控制工程專業的前身是化工設備與機械專業。1998 年3 月，教育部正式將化工設備與機械本科專業及相關專業更名為過程裝備與控制工程專業，新專業是以過程裝備設計為主體，以過程原理與裝備控制技術應用為其兩翼的大類學科交叉型專業。本專業主要培養具備化學工程、機械工程、控制工程和管理工程等方面的知識，能在化工、石油、能源、輕工、環保、醫藥、食品、機械及勞動安全等部門從事工程設計、技術開發、生產技術、經營管理以及工程科學研究等方面工作的高級工程技術人才[1-2]。

教育部提出的卓越工程師教育培養計劃(以下簡稱“卓越計劃”)，是為貫徹落實黨的十七大提出的走中國特色新型工業化道路、建設創新型國家、建設人力資源強國等戰略部署，貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》實施的高等教育重大計劃。卓越計劃對高等教育面向社會需求培養人才、調整人才培養結構、提高人才培養質量、推動教育教學改革、增強畢業生就業能力具有十分重要的示范和引導作用。其目標之一就是以實施卓越計劃為突破口，促進工程教育改革和創新，全面提高我國工程教育人才培養質量，努力建設具有世界先進水平、中國特色的社會主義現代高等工程教育體系，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國[3-5]。

1 壓力容器類實驗體系規劃

自2010年60所院校首批獲批卓越計劃立項以來，各高校的工科專業參與的積極性很高[6]。我校過程裝備與控制工程專業是2013年獲批卓越計劃立項的專業。獲批以后，我校利用自身的石油石化行業特色和優勢，進一步明確了過程裝備與控制工程創新性人才培養的內涵，著力加強工科學生的工程實踐能力和創新能力的培養。在上述目標實現過程中，實踐是創新的基礎，也是學生創新能力培養的必由之路。許多高校均提出通過實驗教學的改革來面對卓越計劃培養學生的訴求[7-9]。

過程裝備設計是本專業的主體，所開設的壓力容器實驗課程在培養學生對過程裝備設計、檢驗和使用的深化認識，具有重要的作用。然而，當前實驗教學多采用驗證演示性教學方法，學生依照要求僅是按部就班完成實驗，實驗報告和結果都相同，學生獨立思考的創新性思維沒有得到鍛煉。長期以來，實驗教學經費普遍不足，致使實驗室、校內實驗基地建設相對滯后，無法達到卓越計劃的培養目標，從而嚴重影響實驗教學質量的穩定與提升。在保留原來基礎實驗的基礎上，引入計算機虛擬制造和力學模擬，提出 “基礎實驗—虛擬設計和制造—力學仿真—拓展創新” 多層次專業實驗體系，為學生的實踐能力發展打下良好的基礎。

2 基礎實驗

根據學校的實驗條件，保留原有的基礎實驗課程。目前能夠開設的基礎實驗課程主要包括3個實驗類型：內壓容器薄膜應力測試、壓力容器爆破實驗和外壓圓筒失穩實驗。

2.1 內壓容器應力測試

利用應變片測量薄壁容器承受內壓作用時，圓筒體及封頭上的應力分布。該裝置能夠比較在不同壓力情況下應力的分布情況，并分析理論推導與實測差異原因，了解“應變電測法”測定容器應力的基本原理和測試技術，基本裝置如圖1所示。

2.2 壓力容器爆破實驗

主要目的包括了解壓力容器在內壓下爆破的全過程，掌握壓力容器爆破實驗測試的基本技能。需要配備的設備儀表有高壓泵、動態電阻應變儀、函數記錄儀等，實驗爆破后的圓筒如圖2所示。

2.3 外壓容器的失穩實驗

主要實驗內容為觀察薄壁容器在外壓作用下喪失穩定的現象，測定圓柱形薄壁容器在外壓作用下喪失穩定的臨界壓力，觀察試件失穩后的波形和波束，與理論值進行比較，并分析誤差原因。需要配備的設備及儀器有：真空泵、穩壓罐、控制閥、游標卡尺、壁厚千分尺和直尺、壓力傳感器，動態應變儀和函數記錄儀等。失穩后的短圓筒形貌如圖3所示。

圖1 內壓容器應力測試裝置

圖2 內壓圓筒爆破后的斷口形貌

圖3 外壓短圓筒失穩后的形貌

3 虛擬設計和制造實驗

虛擬制造技術是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗到使用的整個生命周期的模擬和仿真。在壓力容器設計中，許多學生會對一些容器的結構不夠了解。在上課過程中，很難有機會到企業去實際考察。另外，針對平面的工程制圖，如何能夠直觀再現，以便在真實制造之前就能夠了解設備的主體結構、接管法蘭、人孔和手孔等附件的具體結構,都是必須面對的問題。

ProE和Solidworks等三維建模軟件為壓力容器的虛擬設計和制造提供了可能。針對復雜的壓力容器，如換熱器和反應罐，嘗試了其建模效果，如圖4所示。因此，讓學生掌握基本的三維建模技巧，能夠直觀表現壓力容器的細節結構，使得呆板枯燥的二維圖紙能夠立體呈現，既能促進學生的學習熱情，也能為學生將來走向工作崗位進行壓力容器的設計和有限元分析提供堅實的基礎。

圖4 壓力容器的虛擬設計模型

4 力學仿真實驗

在壓力容器設計教學中，應力分析是強度設計的基礎問題。根據GB150—2011《壓力容器》的常規設計方法，并根據薄膜理論可以方便計算兩向應力狀態，然后根據第一強度理論進行設計計算。然而，先進的壓力容器設計理論開始傾向于關注局部的應力狀態。利用有限元理論，通過成熟的商業軟件ANSYS或ABAQUS分析壓力容器局部結構的應力狀態，根據JB4732—1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》(2005R)進行分析設計，逐漸成為高壓容器或者承受交變載荷設計的主要方法。

因此，針對該部分內容，引導學生掌握基本壓力容器的有限元應力分析，有助于提高學生的設計能力，并為將來工作后從事設計工作或者繼續攻讀研究生深造奠定基礎。壓力容器的應力分析實例如圖5所示。其中圖5(a)為圓筒—封頭—接管的整體應力云圖，圖5(b)為應力線性化的路徑，圖5(c)為應力線性化的結果。

圖5 壓力容器分析設計的有限元分析

5 拓展創新實驗

根據《教育部財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見》(教高〔2011〕6號)[10]和《教育部關于批準實施“十二五”期間“高等學校本科教學質量與教學改革工程”2012年建設項目的通知》(教高函〔2012〕2號)[4]，教育部決定在“十二五”期間實施國家級大學生創新創業訓練計劃。

國家級大學生創新創業訓練計劃內容包括創新訓練項目、創業訓練項目和創業實踐項目3類。其中創新訓練項目是本科生個人或團隊，在導師指導下，自主完成創新性研究項目設計、研究條件準備和項目實施、研究報告撰寫、成果(學術)交流等工作。教育部要求高校重視大學生創新創業訓練計劃實施的條件建設。參與計劃高校的示范性實驗教學中心、各類開放實驗室和各級重點實驗室，要向參與項目的學生免費提供實驗場地和實驗儀器設備。

壓力容器的大型化、高參數和長周期運行，以及新的服務對象都給整個行業的發展帶來了機遇和挑戰。除了傳統的石化、化工和化肥等領域，壓力容器也廣泛應用于航天領域的回收艙、軍工深海領域的蛟龍號外殼、新能源領域的高壓儲氫容器和車載儲氫容器等國計民生的各個重要領域[11]。對大學生創新實踐來說，提供一個開放的能夠自主研發的壓力容器實驗中心，去研究壓力容器的新功能和新應用，對整個專業的基礎教學和創新試點都是大有裨益的。

因此，以大學生創新創業實踐為契機，爭取學校和國家的政策和經費支持，在開設專業實驗的基礎上，開設大學生創新實驗項目，讓有興趣的學生真正參與到力所能及的壓力容器方面的創新設計、制造和檢驗、失效分析等相關的領域，切實推進卓越計劃背景下大學生的實踐能力和創新意識。

6 多層次實驗體系的實施

由于卓越計劃班級為2個班，且在選拔過程中注重實踐意識強的學生，因此，推進4個不同層次的實驗計劃是可行的。在考核安排上，可以分為基礎考核和創新考核2個層面。其中基礎考核包含前3個層面，即每個學生都要通過基礎實驗、虛擬設計和制造、力學仿真的基本技能等考核。創新考核主要是針對有興趣、有能力的學生，他們能夠完成基礎實驗的同時繼續完成拓展創新項目，在大學階段就能夠鍛煉出創新意識和實踐意識，成長為一名真正卓越的工程師。

7 結束語

過程裝備與控制工程專業在“卓越計劃”的要求下，開展核心課程的實驗改革探索，具有必要性和可行性。提出了“基礎實驗—虛擬設計和制造—力學仿真—拓展創新” 多層次專業實驗體系，在卓越班中進行試點實施，有望提高學生對專業知識的理解，以及提高學生的實踐和創新能力。

References)

[1] 陳國華,梁峻.培養過程裝備與控制工程專業卓越工程師的思考[J].化工高等教育, 2011 (2): 45-49.

[2] 黃世釗,梁乃章,黃福川,等.過程裝備與控制工程專業的知識結構和課程體系[ J] . 廣西大學學報:自然科學版, 2002, 27( 增刊1):43-45.

[3] 教育部.關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見[EB/OL].(2011-01-08). http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.

[4] 教育部.關于批準實施“十二五”期間“高等學校本科教學質量與教學改革工程”2012年建設項目的通知[EB/OL].(2012-02-05). http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/ htmlfiles/moe/s5666/201202/xxgk_130542.html.

[5] 扶慧娟,辛勇.推行“卓越工程師計劃”培養實踐型工程人才[J].實驗技術與管理,2011,28(11) :155-158.

[6] 武錦濤,銀建中,劉志軍,等.過程裝備與控制工程專業卓越工程師培養探索[J].化工高等教育, 2013 (2): 11-14.

[7] 王振義,王勇智.基于“卓越工程師教育培養計劃”的實驗教學改革探索[J].科技教育, 2012 (9): 184-185.

[8] 李鍛能,何漢武,張湘偉.機械工程專業實驗教學體系改革的探索[J].實驗技術與管理,2008,25(3):132-136.

[9] 丁金華,王學俊,李明穎，等.產學結合的機械電子實驗室建設創新實踐[J].實驗技術與管理, 2011, 28(1):16-18.

[10] 教育部,財政部.關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見[EB/OL]. (2011-07-01).http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/s6342/201109/xxgk_125202.html.

[11] 鄭津洋,趙永志,劉鵬飛,等.壓力容器面臨的機遇和發展趨勢[C]//壓力容器先進技術. 合肥:第8屆全國壓力容器學術會議論文集, 2013.

Reform of Pressure Vessel Experiment course of Process Equipment and Control Engineering specialty under background of excellence plan

Xu Shugen, Zhao Yanling, Wang Zhenbo, Qu Yan

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580, China)

In order to improve the practical ability of technical personnel of Process Equipment and Control Engineering specialty and achieve what will be obtained from “Excellent engineers training plan,” the Pressure Vessel Experiment course, which is the core course of the major, has been reformed. A multi-level professional experiment system including the basic experiment, virtual design and manufacture, mechanical simulation and expanding innovation has been put forward to improve the students’ understanding of professional knowledge and to cultivate the strong consciousness of practice and innovation.

excellent plan; process equipment and control engineering; pressure vessel experiment; mechanical simulation; virtual design

2014- 12- 04 修改日期：2015- 01- 19

山東省教育科學“十二五”規劃課題(2013GG213)；中國石油大學(華東)研究性課程教學改革項目(YK-201405)

徐書根(1983—)，男，山東鄆城，工學博士，副教授，主要從事機械結構完整性評價與失效分析.

E-mail：xsg123@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0179- 04