結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計平臺開發(fā)及在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

曲先強(qiáng)，謝耀國，劉紅兵，張 猛，李中英

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264000；3.哈爾濱工程大學(xué)國資處，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

2015年起教育部在國家級實驗教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心是高等教育信息化建設(shè)與實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的有機(jī)結(jié)合，是現(xiàn)代教學(xué)信息技術(shù)手段與實驗教學(xué)深度融合的產(chǎn)物。國家級虛擬仿真實驗教學(xué)的重點是采用現(xiàn)代化教學(xué)信息手段，結(jié)合現(xiàn)代化、信息化實驗教學(xué)資源，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，達(dá)到真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)效果，讓所有學(xué)生能夠獨(dú)立在虛擬仿真的軟件環(huán)境中開展實驗，以達(dá)到教學(xué)大綱所要求的認(rèn)知與實踐效果。國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)開啟了虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中應(yīng)用的新篇章，激發(fā)了實驗教學(xué)的虛擬仿真技術(shù)研發(fā)的新高潮[1]。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前我國已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了多次實踐與研究，并取得了一定的成果，侯慧等[2]對虛擬仿真實驗的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納，探討發(fā)展虛擬仿真實驗的必要性，總結(jié)了虛擬仿真實驗建設(shè)的不足之處，分析虛擬仿真實驗未來的發(fā)展方式。肖仕鑫等[3]基于現(xiàn)有虛擬仿真實驗案例，從實驗教學(xué)理念、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)資源、實驗教學(xué)方法、實驗教學(xué)流程五個維度，提出了四條教學(xué)策略。張敏[4]等總結(jié)了六方面高質(zhì)量虛擬仿真實驗教學(xué)課程內(nèi)涵和特征，對課程建設(shè)和應(yīng)用提供參考。

在材料學(xué)工程實驗教學(xué)領(lǐng)域，馬曉等[5]結(jié)合材料學(xué)科專業(yè)特色，采用“線上+線下+虛仿+實操”的混合式教學(xué)法，對航宇材料結(jié)構(gòu)分析虛擬仿真實驗教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計和實踐。侯瓊[6]等基于Unity3D的WebGL開發(fā)了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能虛擬教學(xué)實驗平臺，有效解決了新材料設(shè)計實驗教學(xué)難度大、成本高、耗時長等問題。

在船舶工程實驗教學(xué)領(lǐng)域，宋磊等[7]將不同的船舶類型與實驗水池進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生可以直接自主設(shè)計船模阻力實驗,全方位參與實驗實踐，突破了傳統(tǒng)船模阻力實驗教學(xué)中設(shè)施設(shè)備的限制。楊玉峰等[8]分析了目前航海儀器實驗教學(xué)中存在的問題，提出基于虛擬仿真技術(shù)建設(shè)航海儀器綜合仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，開展虛擬仿真實驗教學(xué)探索，使原理性實驗可視化、單一驗證性實驗更加直觀、綜合性設(shè)計性實驗?zāi)軌騽討B(tài)展示。

在土木工程實驗教學(xué)領(lǐng)域，趙群[10]從土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建和現(xiàn)狀出發(fā)，對現(xiàn)階段中國土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)進(jìn)行了簡要探析，并對土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建提出了建議。

從現(xiàn)有研究成果來看，廣大高等教育工作者充分利用各種虛擬仿真手段，開發(fā)了系列的基于虛擬仿真技術(shù)的實驗課程，從實驗教學(xué)的理念、內(nèi)容、方法、流程等多個維度，全面提升了實驗課程的內(nèi)涵。

在大型結(jié)構(gòu)類實驗教學(xué)中仍存在如下困難：需要用到大型設(shè)備，臺套數(shù)少、現(xiàn)場操作環(huán)境危險，調(diào)試復(fù)雜，作業(yè)時間長，運(yùn)行成本高。由于試驗設(shè)施和模型條件限制，通常僅能把學(xué)生分為幾組，開展演示教學(xué)，學(xué)生不能參與試驗設(shè)計和試驗操作，只能參與部分試驗數(shù)據(jù)采集與處理的工作，這種教學(xué)方法不能考核到每一個學(xué)生，也不能覆蓋整個試驗流程，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

針對這種情況，結(jié)合實驗室現(xiàn)有試驗條件，設(shè)計了一套實驗教學(xué)的軟件系統(tǒng)，覆蓋了模型設(shè)計、加載方案設(shè)計、測試方案設(shè)計等功能，與三維設(shè)計軟件與有限元分析關(guān)鍵建立接口，為實驗教學(xué)提供了一套簡單有效的虛擬仿真手段。

2 現(xiàn)有實驗設(shè)施介紹

目前，大型工程結(jié)構(gòu)類實驗中主要采用PXJ型全數(shù)字多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要參考了美國MTS公司Aero-90TM 系統(tǒng)，并根據(jù)計算機(jī)軟硬件發(fā)展技術(shù)，采用VRTX嵌入式實時操作系統(tǒng)而研制。該系統(tǒng)研制起點高，具有高可靠性、高通用性等優(yōu)點，可根據(jù)不同用戶的需求配置加載通道數(shù)和獨(dú)立試驗數(shù)。該系統(tǒng)主要有以下部分組成：加載平臺、作動器、液壓站以及測量控制系統(tǒng)組成。

2.1 加載平臺

加載平臺共有2套，跨度4m，高度10m，每套加載架配備一個加載橫梁，其中加載架下端設(shè)有間隔為0.5m的承載地鉚孔，估計整體可承受2000KN的拉壓力。

2.2 作動器

作動器共有6臺，技術(shù)參數(shù)如下：

10t的伺服作動器1臺，配備1臺液壓子站；

25t伺服作動器2臺，配備2臺液壓子站；

50t伺服作動器2臺，配備2臺液壓子站；

100t伺服作動器1臺，配備1臺液壓子站。

2.3 測量控制系統(tǒng)

利用PXJ型全數(shù)字多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)可完成1～6通道協(xié)調(diào)加載，加載的范圍在0～100噸。本系統(tǒng)主要功能是多通道協(xié)調(diào)加載，可以完成鐵路以及航空、航天、飛機(jī)、航海、船舶等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞與靜力試驗，較好地解決了分布于結(jié)構(gòu)試件的多通道作動器輸出力或位移進(jìn)行同步或異步的協(xié)調(diào)控制。

3 結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺開發(fā)

3.1 結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺開發(fā)總體思路

本結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺采用單機(jī)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，成品軟件為Windows系統(tǒng)下的典型軟件安裝包，用戶可在本系統(tǒng)支持的操作系統(tǒng)上安裝并使用本系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)開發(fā)過程和使用過程的良好品質(zhì)，本結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺設(shè)計時將遵循規(guī)范性原則、實用性原則、開放性原則。

3.2 結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺的組成

3.2.1 平臺配置文件

（1）軟件的目錄組成與文件說明。

“Models”文件夾中存放了各種機(jī)械部件的3DS格式模型及其約束面配置文件；

“EntityInfo.ini”配置文件描述了這些機(jī)械部件的分類、個數(shù)以及具體的文件名等信息，軟件啟動時將對此文件進(jìn)行解析，根據(jù)解析的結(jié)果，在界面上顯示出可供用戶使用的部件信息。

（2）模型繪制與約束面配置。

當(dāng)Models文件夾中沒有用戶所需的模型時，用戶需自行繪制模型并定義配套的約束面文件，說明如下：

①模型的繪制。推薦使用3DSMAX軟件進(jìn)行模型繪制工作，如下圖1所示。繪制完成后，使用軟件的文件導(dǎo)出功能，導(dǎo)出3DS格式的模型文件，即可得到3DS模型文件。

圖1 利用3DSMAX軟件繪制模型

②約束面配置的說明。得到模型的3DS文件后，需要編寫模型的約束面配置文件，約束面配置文件的文件名需與3DS模型文件名相同，否則本軟件將無法搜索到配置文件。

新繪制的模型可以在這個文件中進(jìn)行描述，用戶也可添加新的實體類別。配置好實體信息配置文件后，啟動本軟件，即可在界面中看到對應(yīng)的實體資源。

3.2.2 平臺界面及開發(fā)實例

平臺界面設(shè)計包括狀態(tài)欄、實體資源欄以及工作區(qū)，狀態(tài)欄包括文件、編輯、視圖、幫助等常規(guī)功能，文件欄主要用作文件的打開、存儲、導(dǎo)入導(dǎo)出等，視圖欄主要對工作區(qū)的顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。實體資源欄顯示可以導(dǎo)入的各種模型，包括作動器、加載器、方箱、平臺、立柱、吊車、試件、傳感器、試驗工裝等，工作區(qū)主要用于顯示試驗方案，是主體顯示區(qū)。目前該試驗設(shè)計仿真平臺可完成包括船典型結(jié)構(gòu)疲勞試驗（圖2、圖4，P220）、沖擊試驗（圖3，P220）在內(nèi)的多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)多類型試驗。

圖2 某船上層建筑的典型結(jié)構(gòu)疲勞試驗加載方案

圖3 某核電蒸汽管防甩件沖擊試驗方案

圖4 某風(fēng)力發(fā)電基座疲勞試驗方案

4 在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺的使用幫助文件，提前隨課程要求發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生課前預(yù)習(xí)，掌握軟件的基本使用，學(xué)生在課程前需要掌握三維設(shè)計軟件和結(jié)構(gòu)有限元分析軟件的使用。

4.1 方案設(shè)計

學(xué)生拿到實驗項目后，需要針對實驗?zāi)康模莆战Y(jié)構(gòu)試驗技術(shù)中的模型設(shè)計方法，在三維設(shè)計軟件中完成模型設(shè)計，然后導(dǎo)入結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真平臺中，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的邊界條件，從實體資源中選擇合適的固定方式，從而通過方箱、立柱、平臺和輔助工裝的組合，達(dá)到合理的固定方案設(shè)計，再選擇合適的加載工具和測試方案，完成試驗方案設(shè)計。

4.2 結(jié)果校核

根據(jù)試驗方案設(shè)計，把模型導(dǎo)入結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，開展仿真計算，驗證邊界條件、加載方案以及測試方案的合理性，完全滿足試驗?zāi)康暮螅o出仿真結(jié)果，作為試驗結(jié)果，完成報告撰寫。

4.3 成績考核

根據(jù)學(xué)生提交的實驗報告和試驗?zāi)Ｐ停C合考慮方案設(shè)計、結(jié)果校核等因素，給出課程成績。

5 總結(jié)

結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真系統(tǒng)是一個基于現(xiàn)有的多點協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)而設(shè)計的三維視景仿真軟件，它包含一個大型結(jié)構(gòu)加載實驗平臺、各種加載設(shè)備、多種輔助工裝和多種結(jié)構(gòu)試件的綜合系統(tǒng)。該軟件可靈活構(gòu)建各種典型結(jié)構(gòu)類實驗項目，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)試件的多點加載試驗方案三維視景顯示；同時可根據(jù)新型結(jié)構(gòu)試驗的需要，添加新試驗試件和新輔助工裝，設(shè)計新的結(jié)構(gòu)試驗項目。本結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的擴(kuò)展性與開放性。本結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真系統(tǒng)充分考慮后續(xù)新加試驗項目的擴(kuò)展性，方便用戶根據(jù)需要隨時添加新的仿真試件、輔助工裝等，從而實現(xiàn)方便設(shè)計新的結(jié)構(gòu)試驗項目。

（2）實現(xiàn)了大型結(jié)構(gòu)試驗方案虛擬仿真設(shè)計。本結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計仿真系統(tǒng)可在任何一臺主流電腦上安裝，該軟件上手容易，利用該軟件學(xué)生可方便地進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)類試驗方案的設(shè)計。

（3）自由設(shè)計新的結(jié)構(gòu)試驗方案。利用該功能學(xué)生可根據(jù)新類型結(jié)構(gòu)試驗的需要，自己動手設(shè)計虛擬仿真試件、輔助工裝等，并將之納入原系統(tǒng)中，進(jìn)而自由設(shè)計和搭建新的結(jié)構(gòu)試驗項目，這就加深了學(xué)生對典型工程結(jié)構(gòu)類試驗的認(rèn)識，也大大提高了學(xué)生的實際動手設(shè)計結(jié)構(gòu)類試驗的能力，也較好的培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)實驗課進(jìn)行之前進(jìn)行虛擬結(jié)構(gòu)試驗方案的設(shè)計，讓每個學(xué)生都能全面、深刻的理解整個實驗方案設(shè)計及其過程，使學(xué)生到現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)實驗時，很容易理解并掌握整個結(jié)構(gòu)試驗的過程及內(nèi)涵，極大地提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。