面向船舶海工類專業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)研究

劉志強(qiáng) 王后連 胡朝斌

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇·鎮(zhèn)江 212000）

面向船舶海洋工程、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)方向必修課程《船舶輔機(jī)》《船舶與海工機(jī)械裝備設(shè)計(jì)》開(kāi)始相關(guān)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)涉及船舶海工機(jī)械原理、船舶輔機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、船舶與海工裝備信息技術(shù)等多門課程相關(guān)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)兩年以前以認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)為主，側(cè)重對(duì)錨泊系統(tǒng)認(rèn)知，以及關(guān)鍵重要零部件的強(qiáng)度、性能參數(shù)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。近兩年實(shí)驗(yàn)在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提升為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。按照虛實(shí)結(jié)合的原則，線下實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)（錨泊系統(tǒng)認(rèn)知及關(guān)重件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)）2學(xué)時(shí)，線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

（1）面向船舶海工設(shè)備設(shè)計(jì)類課程，開(kāi)發(fā)交互創(chuàng)新設(shè)計(jì)與虛擬性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)課程方案。針對(duì)典型的船舶海工裝備，從系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、性能仿真分析、系統(tǒng)應(yīng)用、故障分析與診斷等角度開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合。盡可能多的提供不同類別的船舶海工設(shè)備設(shè)計(jì)與性能仿真分析試驗(yàn)，涉及設(shè)備包括船舶主輔機(jī)設(shè)備、海洋平臺(tái)設(shè)備、海洋資源開(kāi)發(fā)設(shè)備、安全消防相關(guān)設(shè)備等（見(jiàn)圖1）。

圖1

（2）面向船舶海工設(shè)備運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)交互虛擬創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成面向機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)的虛擬交互設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。面向海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域設(shè)備，開(kāi)展機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要包括波浪能發(fā)電機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、海洋資源開(kāi)采設(shè)備的能量回收裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)CAD/CAE集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)性能分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以用于機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)、模擬機(jī)構(gòu)搭載運(yùn)動(dòng)仿真分析。

（3）面向船舶海工設(shè)備性能分析，開(kāi)發(fā)虛擬性能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成典型船舶海工設(shè)備的虛擬性能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、性能仿真分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障重構(gòu)與模擬診斷等環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

2 方案實(shí)施與開(kāi)發(fā)實(shí)踐

對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“機(jī)械裝備設(shè)計(jì)”“船舶輔機(jī)”等課程教學(xué)中涉及的行業(yè)特色設(shè)備的設(shè)計(jì)與性能分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行分類規(guī)劃，循序漸進(jìn)開(kāi)發(fā)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，包括產(chǎn)品設(shè)備認(rèn)識(shí)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析與仿真、優(yōu)化、故障診斷等相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并注重培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)虛擬交互實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，拓展實(shí)驗(yàn)范圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、深化與專業(yè)課程的交叉融合為目標(biāo)。主要實(shí)施方案如下：

（1）面向船舶海工裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)中，引入計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與虛擬性能仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互結(jié)合。開(kāi)發(fā)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)（見(jiàn)圖2）。

圖2：虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案

利用現(xiàn)代信息技術(shù)將計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)、三維造型設(shè)計(jì)和虛擬仿真技術(shù)引入課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建新的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(rèn)證與一流品牌專業(yè)建設(shè)對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，并滿足專業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需求。

（2）研究計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，利用計(jì)算機(jī)圖解法與解析法結(jié)合，基于NX、SolidWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案交互創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軟件，有針對(duì)性研究計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新交互設(shè)計(jì)軟件，將計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)貫穿應(yīng)用于整個(gè)課程體系的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、性能分析實(shí)驗(yàn)中。

（3）利用Unity 3D、C4D平臺(tái)開(kāi)發(fā)虛擬交互性能仿真實(shí)驗(yàn)軟件，可以實(shí)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(yù)演，可虛擬分析運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、動(dòng)力學(xué)性能、相關(guān)操作功能等。有利于形成直觀形象認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)鍛煉形成創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。重點(diǎn)是通過(guò)軟件平臺(tái)，提供流程向?qū)綄?shí)驗(yàn)交互操作訓(xùn)練，包括科學(xué)制定實(shí)驗(yàn)方案（田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)、中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)），運(yùn)動(dòng)方案的CAE分析與虛擬仿真方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

3 結(jié)論

依托江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、江蘇省品牌專業(yè)和國(guó)家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，將“虛擬現(xiàn)實(shí)+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，堅(jiān)持“學(xué)生中心”的原則，面向船舶與海洋工程行業(yè)，突出設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，填補(bǔ)當(dāng)前我國(guó)船舶設(shè)備相關(guān)專業(yè)在創(chuàng)新設(shè)計(jì)與性能評(píng)估虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)方面的空白。