基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學(xué)課程可視化教學(xué)方法研究

陳闖

摘 要 針對(duì)兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生學(xué)位課爆轟物理學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)且難以理解的問(wèn)題，探索一種基于虛擬仿真技術(shù)的可視化教學(xué)方法。借助Autodyn虛擬仿真軟件，設(shè)計(jì)了爆轟物理學(xué)中非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞兩個(gè)典型的教學(xué)案例，將抽象的理論以直觀的方式講解，使學(xué)生清晰的理解炸藥沖擊起爆的機(jī)理與馬赫波的形成過(guò)程。該方法能充分地提高學(xué)生的理論與實(shí)踐能力，教學(xué)效果也有了明顯的提升。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 爆轟物理學(xué) 可視化 Autodyn 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.052

Abstract Aiming at the problem of abstraction， multi-knowledge， theoretical and difficult to understand the detonation physics course of the graduate degree course of weapon science and technology， a visual teaching method based on virtual simulation technology is explored. With the help of Autodyn virtual simulation software， two typical teaching cases of impact initiation and detonation of Mach collision in detonation physics are designed. The abstract theory is explained in an intuitive way， so that students can clearly understand the mechanism of detonation and the formation process of Mach wave. The method fully improves the students' theoretical and practical ability， and the teaching effect has also been significantly improved.

Keywords virtual simulation； Detonation Physics； visualization； Autodyn； teaching method

0 引言

爆轟物理學(xué)是一門研究炸藥爆炸現(xiàn)象的發(fā)生、爆轟的傳播規(guī)律以及爆炸效應(yīng)等有關(guān)內(nèi)容的課程，是兵器類專業(yè)研究生必備的基礎(chǔ)知識(shí)，也是從事各種民用爆炸技術(shù)工作者所必備的基礎(chǔ)知識(shí)。爆轟物理學(xué)是兵器科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)研究生的一門必修課。它涉及爆轟的激發(fā)、穩(wěn)定與不穩(wěn)定爆轟波的傳播，以及爆炸對(duì)介質(zhì)和目標(biāo)的直接作用等問(wèn)題的化學(xué)與物理內(nèi)涵、相關(guān)理論表述以及爆炸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)和方法。[1]

爆轟物理學(xué)課程研究的問(wèn)題屬于高壓物理領(lǐng)域，主要研究炸藥的爆轟理論及其對(duì)介質(zhì)的作用，唯一有效的辦法是實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但對(duì)爆轟問(wèn)題來(lái)說(shuō)，這既是耗時(shí)又昂貴的，并且存在一定的危險(xiǎn)性。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為爆轟問(wèn)題等高瞬態(tài)現(xiàn)象的研究提供了一種新的途徑，虛擬仿真技術(shù)[2-3]的應(yīng)用不僅極大的節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，也為研究人員獲得了完美的虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，觀測(cè)到了實(shí)驗(yàn)中無(wú)法觀測(cè)到的現(xiàn)象和參數(shù)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學(xué)課程的教學(xué)可以更好的幫助學(xué)生理解與運(yùn)用課程中的理論，還可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導(dǎo)。

本文將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學(xué)課程的教學(xué)，結(jié)合凝聚炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞等實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆和爆轟波的非正規(guī)斜碰撞產(chǎn)生馬赫波的問(wèn)題，逐步實(shí)現(xiàn)以提高學(xué)生分析問(wèn)題能力為目標(biāo)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，對(duì)于幫助學(xué)生在未來(lái)的科研工作中進(jìn)行創(chuàng)新研究具有重要的意義。

1 虛擬仿真技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用和軟件技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研單位在爆轟物理領(lǐng)域取得了大量卓有成效的科研成果，開(kāi)發(fā)了多款經(jīng)典的軟件，如美國(guó)世紀(jì)動(dòng)力公司研發(fā)的Autodyn、美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)防實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的LS-DYNA、清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的MPM3D、北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的MMIC2D和MMIC3D等。這些軟件已經(jīng)在國(guó)防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域有了非常廣泛的應(yīng)用。[4]

虛擬仿真技術(shù)解決實(shí)際工程問(wèn)題的基本流程基本一致，包括研究對(duì)象的確立、選擇合適的數(shù)值分析程序、形成計(jì)算模型、上機(jī)試算、計(jì)算、輸出結(jié)果等部分。其中計(jì)算模型的建立工作是整個(gè)虛擬仿真的核心任務(wù)，這其中涵蓋了模型的簡(jiǎn)化、算法的選擇、材料參數(shù)的設(shè)定、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的選取等諸多部分。

目前，Autodyn等軟件可以與通用CAD集成使用，即將CAD軟件完成的結(jié)構(gòu)方案導(dǎo)入后自動(dòng)生成網(wǎng)格，極大提高了設(shè)計(jì)的水平和效率。另外，多CPU并行計(jì)算及分布式處理技術(shù)也為解決大型且復(fù)雜的工程問(wèn)題提供便捷的渠道。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學(xué)的課堂教學(xué)，不僅可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)爆轟物理的相關(guān)知識(shí)，還可以將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于自己的科研課題，將研究生的教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合到一起。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

基于Autodyn軟件的虛擬仿真平臺(tái)，結(jié)合教材中的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)際教學(xué)案例。下面以爆轟物理學(xué)課程教學(xué)中涉及的兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，利用虛擬仿真技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)爆轟物理學(xué)課程的學(xué)習(xí)。

2.1 非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆

凝聚炸藥的沖擊起爆問(wèn)題是爆轟物理學(xué)領(lǐng)域令人關(guān)注的前沿性課題，該問(wèn)題可以歸結(jié)為炸藥在沖擊波作用下的起爆。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師只能粗略的講解起爆的機(jī)理、定量的起爆判據(jù)，起爆機(jī)理中涉及臨界起爆壓力和起爆深度等概念，這些概念對(duì)初學(xué)者而言難以理解透徹。利用虛擬仿真技術(shù)可以將非均質(zhì)炸藥沖擊起爆問(wèn)題進(jìn)行可視化仿真，通過(guò)動(dòng)態(tài)的過(guò)程讓學(xué)生清晰看到炸藥的起爆。

傳統(tǒng)的教學(xué)中只是對(duì)沖擊起爆的定義及判據(jù)等理論進(jìn)行講解，學(xué)生很難透徹的理解，特別是沒(méi)有相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)生。那么這里通過(guò)壓力曲線就能清晰的看到炸藥內(nèi)部壓力的變化，從而判斷炸藥的起爆情況。為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)專題教學(xué)，讓學(xué)生掌握虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，從網(wǎng)格的劃分到邊界條件和初始條件的確定，最終計(jì)算求解得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生不僅從中學(xué)會(huì)了沖擊起爆這個(gè)復(fù)雜的爆轟領(lǐng)域問(wèn)題，更從中學(xué)到了分析問(wèn)題的方法，使其對(duì)理論教學(xué)起到補(bǔ)充和促進(jìn)作用。

2.2 爆轟波的馬赫碰撞

對(duì)稱兩點(diǎn)起爆形成的爆轟波在對(duì)稱面上經(jīng)歷著正碰撞、正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞過(guò)程。兩點(diǎn)同時(shí)起爆后，爆轟波將以相同爆速向炸藥內(nèi)部傳播，爆轟波最先發(fā)生正碰撞，隨著爆轟波在炸藥中的傳播，爆轟波之間將產(chǎn)生一夾角，碰撞點(diǎn)逐漸向右移動(dòng)，即為正規(guī)斜碰撞。當(dāng)碰撞入射角達(dá)到一定值，爆轟波碰撞后形成馬赫波，產(chǎn)生馬赫桿。

馬赫波的產(chǎn)生條件是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)入射角增大到約44.5入射角達(dá)到臨界值即為正規(guī)斜碰撞與馬赫碰撞的分界點(diǎn)。講授爆轟波碰撞形成馬赫波的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生很難理解馬赫波產(chǎn)生的條件，傳統(tǒng)的講授采用教材中的爆轟波傳播軌跡，但理解起來(lái)較生硬，而應(yīng)用虛擬仿真便可將這一復(fù)雜的過(guò)程再現(xiàn)，利用Autodyn軟件模擬馬赫波形成的過(guò)程，另外可以結(jié)合經(jīng)典的馬赫波波形進(jìn)行對(duì)比使學(xué)生更加明確爆轟波碰撞產(chǎn)生馬赫波的問(wèn)題。

以上兩個(gè)實(shí)例充分的證明了將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到爆轟物理學(xué)課程教學(xué)中的必要性，學(xué)生通過(guò)發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，自主設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)，并在專業(yè)的虛擬仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效果。

3 結(jié)論

本文將虛擬仿真技術(shù)引入兵器類專業(yè)研究生爆轟物理學(xué)課程的理論教學(xué)中，形成一種基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學(xué)課程可視化的教學(xué)方法。通過(guò)非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞兩個(gè)典型的案例演示，將抽象知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行可視化展現(xiàn)，讓學(xué)生能夠直觀理解課程內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行虛擬仿真操作，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)聽(tīng)課到學(xué)生能夠親自操作的轉(zhuǎn)變。這種教學(xué)方法使學(xué)生真正參與到課堂的教學(xué)中，這也極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高教師教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)也促進(jìn)了教師與學(xué)生的交流。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

[2] 黃景濤，徐迎曦，邱聯(lián)奎，等.基于虛擬仿真環(huán)境的微機(jī)原理與接口技術(shù)課堂教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（6）：108-109.

[3] 楊清文，房施東，李春海.火箭炮兵器結(jié)構(gòu)與原理課程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018（3）：109-111.

[4] 門建兵，蔣建偉，王樹(shù)有.爆炸沖擊數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京理工大學(xué)出版社，2015.