機電綜合實訓虛擬仿真教學平臺建設實踐

馮棟彥 唐德文 唐永輝 劉軍 張瑩

摘 要：針對“專業認證”對培養學生綜合復雜工程問題的要求，整合各專業基礎課程實踐環節，在現有校企合作實驗室的基礎上，建立針對典型核電零部件的設計、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，開設具有行業特色的機、電等學科的綜合實訓項目。學生可對典型核電裝備零件進行虛擬設計、仿真、加工、檢測和組裝，同時完成機電一體化系統的電氣控制，培養綜合機械素養。機電綜合實訓虛擬仿真教學平臺建設是滿足專業認證要求的有效途徑，也是新工科“問技術發展改內容”的一種嘗試。

關鍵詞：實踐教學 綜合實訓 虛擬仿真 專業認證

引言

我校機械設計制造及自動化專業2019年通過教育部工程教育專業認證，隨著工程教育專業認證工作的持續推進，以學生為中心、產出導向、持續改進三大教育理念逐漸貫穿學生培養全過程，其中以畢業要求指標點為引領的課程教學內容選擇、多元化考核形式、注重持續改進的課程教學體系逐漸建立和完善[1，2]。在畢業要求12條指標點中有8條涉及復雜工程問題，相關專家對復雜工程問題的解析為必須運用深入的工程原理經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、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出創造性;

（3）需要采用非常規方法解決;

（4）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中;

（5）問題相關的各方利益不完全一致;

（6）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

因此，如何“培養解決復雜工程問題的能力”是課程教學改革的重點，而實踐教學是培養學生動手能力的有效手段。為進一步切合專業認證對學生解決復雜工程問題能力的培養要求，以“新工科”和學校“一流本科教育工程綜合實驗教學平臺”建設為契機，結合中核集團與我校開展的合作實驗室，構建具有行業特色的機電綜合實訓虛擬仿真教學平臺。使學生能夠了解核電設備的基本知識，掌握核電非常規零件的設計理論和方法，并能夠靈活地綜合運用多學科技術解決核電機電一體化產品的設計、分析與開發的實際問題，以此鍛煉解決復雜工程問題的思維能力。

一、平臺建設的必要性

為了滿足一流的實驗實踐教學平臺需要，構筑一流實驗教學平臺，特別是綜合性、創新性實驗平臺的建設以及專業認證對學生復雜工程綜合能力培養的要求[3，4]，鑒于學生規模和培養模式的限制，必須加快建設虛實結合的實驗教學平臺。我院現有機械基礎實驗室、精密測量與檢測實驗室、金相檢測實驗室、帶傳動實驗室等，經過迎接審核性評估和專業認證評估兩大環節的建設，大部分實驗室能滿足開設綜合性實驗的教學任務需求，同時為了提高學生設計、制造、加工、裝配等綜合能力的培養，我院于已開設了機電綜合實訓實踐環節，但限于實驗室條件和師資，采取分班分組輪流實訓的模式，導致開課周期長，受訓學生局限于本專業大四學生，較難拓展覆蓋面。與此同時，針對一些特色專業課程，如核動力機械中壓力容器性能實驗、控制棒驅動系統實驗等很難開設實際實驗項目。將兩方面的困難綜合起來考慮，可通過虛擬仿真實驗再現壓力容器、控制棒驅動系統等相關設備的設計控制流程，彌補了難以實地開展實踐教學的困難，而利用互聯網+技術，配合專用虛擬實驗軟件，實現線上線下實驗教學的結合，有效解決實驗室分組實驗場地設備不足的問題。

專業認證需要培養學生解決復雜工程問題的能力，而隨著創新驅動發展、“互聯網 +”和“一帶一路”等重大戰略的實施，迫切需要高等院校創新高等工程教育的理念，進行“新工科”建設[5-7]，培養具有創新創業能力和跨界整合能力的工程科技人才，其內涵就是要提高學生適應不同變化的能力與工程創新能力，提高工程技術人才培養質量，提高國際競爭力。在“新工科”和“專業認證”雙重背景下，實踐教學需“橫向拓展，縱向拓深”，在增開相應的設計性、創新性實驗的基礎上，融合多學科專業知識，必須激勵和促進全體學生的積極參與，建設虛實結合的綜合復雜工程實驗實踐項目，在硬件條件有限的基礎上有利于擴大覆蓋面，推動新工科的建設。同時，建設機電綜合實訓虛實結合實驗教學中心可使學生在虛實結合條件下，模擬實現極端環境下一體化實驗教學過程，拓展學生的知識面。因此，該虛擬仿真平臺融合機械設計、制造、電子、傳感、通訊、控制等學科，涵蓋機械工程、電子技術、信息技術、控制技術等領域，結合學生前期理論課基礎和現代機電系統設計的需求，可增強學生在機械產品設計與集成，標準零件的選型與分析，典型零件設計與制造，機電驅動控制與組合等方面的能力，滿足新工科學生所需的創新意識和創新能力要求。

二、機電綜合虛擬仿真教學平臺建設內容

結合現有的實驗條件，建設虛實結合的實驗教學平臺，開展核電關鍵零部件3-D結構設計與虛擬制造仿真實驗項目，核電零部件虛擬設計及數控加工實驗項目，核電零部件機械加工工藝規程設計實驗項目，核電零部件組裝工藝以及系統精度檢測實驗項目，核電零部件焊接加工的基本原理與應用項目，核電裝備關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。

通過虛實結合的實驗，使學生了解和掌握在核電廠主要機械設備的工作原理、結構特點，初步掌握核動力機械的設計規程和設計方法，鞏固制造技術基礎、CAD/CAM、機械制造工程學、有限元等課程基礎理論知識，為今后從事大型復雜機械設備和通用機械設計工作打下基礎。

1.壓水堆核電廠總體虛擬模型

通過構建T型核電站廠房的虛擬模型，將核電站關鍵部件以立體模型進行展示。學生可通過漫游方式瀏覽核電站廠區、相關設備，通過點擊某核心設備可實現設備參數和內部結構的展示，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核島中的四大部件蒸汽發生器、穩壓器、主泵和堆芯關鍵零部件及相互關系。構建集廠區布置、設備結構、核輻射原理、流體力學等綜合問題為一體的實驗項目，使學生通過對相關知識原理的綜合理解，掌握核電站廠房及相關設備的布置要求。

2.典型零件的3-D結構設計與虛擬加工制造仿真

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

① 根據薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態下的主應力;

② 根據彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據;

③ 對封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數。

④ 根據應力強度判據，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。

最終在材料、容積、壁厚、管口直徑及焊接等復合條件下進行相關的參數設計，在此過程中涉及到材料、力學、機構學與焊接工藝等復雜綜合條件，鍛煉學生多因素下的問題分析能力和解決能力。

（2）選擇1個典型核電裝備關鍵零件，進行加工工藝規程設計，建立工藝過程卡，進行數控編程加工;

通過三維仿真技術再現完整的關鍵零件機械加工工藝規程設計過程。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零件從毛坯到加工成為最終零件的整個過程，學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、零件結構的合理性、技術要求的合理性、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、加工所用設備的理解。

3.典型零部件三維建模仿真

結合二維、三維等軟件，模擬核電典型零部件的設計過程。完善加深對機械制圖理論知識的理解，熟練掌握零件二維、三維的轉化。同時進行零部件在不同材質、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測方法。

針對不同材料、容積、壁厚、管口直徑及焊接等復合參數條件下的壓力容器，運用SolidWorks軟件對其進行重建，采用有限元軟件結合強度理論公式，在壓力、溫度不同工況下，進行三維結果模擬，對比不同條件下的壓力容器有限元分析結果，實現設計參數與不同工況條件的優化組合，加深對理論公式的實際應用。

4.焊接加工虛擬仿真

焊接是一個涉及多學科的復雜的物理—化學過程，單憑積累工藝試驗數據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。采用三維建模技術對壓力容器、頂封頭、中間筒體、焊接設備等進行模擬重建;采用高斯熱源模型表征焊接電弧的熱流分布特征，構建不同焊接工藝參數下的溫度場變化，使學生直觀認識焊接的過程，了解常規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過程，焊縫附近出現很大溫度梯度。激光焊接后，其結構將出現不同程度的殘余應力，并引起焊件變形，直接影響焊接結構的質量 和使用性能。產生殘余應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格的劃分，選取高斯熱源模型，設定初始條件和邊界條件進行有限元模擬。將求解連續體應力、應變、溫度等問題轉換為求解有限個單元的問題，通過對不同參數的模型分析，了解解決復雜工程問題的數值模擬技術。

5.機械裝備零部件組裝

采用三維建模技術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，實現從任意剖切面深入到零件內部去觀察學習堆芯零件的結構及工作原理。

（1）分析產品圖樣，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，編制裝配工藝系統圖和裝配工藝規程卡片;

（3）選擇和設計裝配過程中所需要的工具、夾具和設備;

（4）規定總裝配和部件裝配的技術條件，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.控制棒驅動機構PLC編程虛擬控制仿真

在引導學生了解磁力步進式控制棒驅動機構工作原理的基礎上，通過PLC編程虛擬控制仿真驅動控制棒組件在堆芯內提升和下降，以實現反應堆的啟動，功率調節，停堆和事故情況下的安全

控制。

讓學生通過電磁轉化的計算確定驅動參數，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、數量等不同變量下的動作模式進行編程控制。實現力磁轉化計算、控制系統設計、PLC編程、控制驅動方式等不同課程內容的融合實踐。

結語

本文中虛擬仿真教學平臺的建設以“新工科建設”和“專業認證”要求為目標，面向中南地區經濟轉型升級的技術需求，依托我校與核工業系統企業合作的基礎和優勢，定位于機電綜合虛實結合的教學、實驗、實訓平臺，積極開展基于核電設備設計、仿真分析、加工、組裝和控制驅動為一體的多學科交叉的綜合實訓平臺，加強對學生解決復雜綜合工程問題能力的培養。

參考文獻

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