机电综合实训虚拟仿真教学平台建设实践

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　　摘 要：针对“专业认证”对培养学生综合复杂工程问题的要求，整合各专业基础课程实践环节，在现有校企合作实验室的基础上，建立针对典型核电零部件的设计、建模仿真、制造、装配、检测和机电控制为一体的虚拟仿真系统，开设具有行业特色的机、电等学科的综合实训项目。学生可对典型核电装备零件进行虚拟设计、仿真、加工、检测和组装，同时完成机电一体化系统的电气控制，培养综合机械素养。机电综合实训虚拟仿真教学平台建设是满足专业认证要求的有效途径，也是新工科“问技术发展改内容”的一种尝试。
　　关键词：实践教学 综合实训 虚拟仿真 专业认证
　　引言
　　我校机械设计制造及自动化专业2019年通过教育部工程教育专业认证，随着工程教育专业认证工作的持续推进，以学生为中心、产出导向、持续改进三大教育理念逐渐贯穿学生培养全过程，其中以毕业要求指标点为引领的课程教学内容选择、多元化考核形式、注重持续改进的课程教学体系逐渐建立和完善[1，2]。在毕业要求12条指标点中有8条涉及复杂工程问题，相关专家对复杂工程问题的解析为必须运用深入的工程原理经过分析才能得到解决，并且满足如下6条中之一;
　　（1）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有冲突;
　　（2）需要建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;
　　（3）需要采用非常规方法解决;
　　（4）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中;
　　（5）问题相关的各方利益不完全一致;
　　（6）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。
　　因此，如何“培养解决复杂工程问题的能力”是课程教学改革的重点，而实践教学是培养学生动手能力的有效手段。为进一步切合专业认证对学生解决复杂工程问题能力的培养要求，以“新工科”和学校“一流本科教育工程综合实验教学平台”建设为契机，结合中核集团与我校开展的合作实验室，构建具有行业特色的机电综合实训虚拟仿真教学平台。使学生能够了解核电设备的基本知识，掌握核电非常规零件的设计理论和方法，并能够灵活地综合运用多学科技术解决核电机电一体化产品的设计、分析与开发的实际问题，以此锻炼解决复杂工程问题的思维能力。
　　一、平台建设的必要性
　　为了满足一流的实验实践教学平台需要，构筑一流实验教学平台，特别是综合性、创新性实验平台的建设以及专业认证对学生复杂工程综合能力培养的要求[3，4]，鉴于学生规模和培养模式的限制，必须加快建设虚实结合的实验教学平台。我院现有机械基础实验室、精密测量与检测实验室、金相检测实验室、带传动实验室等，经过迎接审核性评估和专业认证评估两大环节的建设，大部分实验室能满足开设综合性实验的教学任务需求，同时为了提高学生设计、制造、加工、装配等综合能力的培养，我院于已开设了机电综合实训实践环节，但限于实验室条件和师资，采取分班分组轮流实训的模式，导致开课周期长，受训学生局限于本专业大四学生，较难拓展覆盖面。与此同时，针对一些特色专业课程，如核动力机械中壓力容器性能实验、控制棒驱动系统实验等很难开设实际实验项目。将两方面的困难综合起来考虑，可通过虚拟仿真实验再现压力容器、控制棒驱动系统等相关设备的设计控制流程，弥补了难以实地开展实践教学的困难，而利用互联网+技术，配合专用虚拟实验软件，实现线上线下实验教学的结合，有效解决实验室分组实验场地设备不足的问题。
　　专业认证需要培养学生解决复杂工程问题的能力，而随着创新驱动发展、“互联网 +”和“一带一路”等重大战略的实施，迫切需要高等院校创新高等工程教育的理念，进行“新工科”建设[5-7]，培养具有创新创业能力和跨界整合能力的工程科技人才，其内涵就是要提高学生适应不同变化的能力与工程创新能力，提高工程技术人才培养质量，提高国际竞争力。在“新工科”和“专业认证”双重背景下，实践教学需“横向拓展，纵向拓深”，在增开相应的设计性、创新性实验的基础上，融合多学科专业知识，必须激励和促进全体学生的积极参与，建设虚实结合的综合复杂工程实验实践项目，在硬件条件有限的基础上有利于扩大覆盖面，推动新工科的建设。同时，建设机电综合实训虚实结合实验教学中心可使学生在虚实结合条件下，模拟实现极端环境下一体化实验教学过程，拓展学生的知识面。因此，该虚拟仿真平台融合机械设计、制造、电子、传感、通讯、控制等学科，涵盖机械工程、电子技术、信息技术、控制技术等领域，结合学生前期理论课基础和现代机电系统设计的需求，可增强学生在机械产品设计与集成，标准零件的选型与分析，典型零件设计与制造，机电驱动控制与组合等方面的能力，满足新工科学生所需的创新意识和创新能力要求。
　　二、机电综合虚拟仿真教学平台建设内容
　　结合现有的实验条件，建设虚实结合的实验教学平台，开展核电关键零部件3-D结构设计与虚拟制造仿真实验项目，核电零部件虚拟设计及数控加工实验项目，核电零部件机械加工工艺规程设计实验项目，核电零部件组装工艺以及系统精度检测实验项目，核电零部件焊接加工的基本原理与应用项目，核电装备关键部件虚拟组装实验项目，基于PLC编程虚拟控制仿真项目等。
　　通过虚实结合的实验，使学生了解和掌握在核电厂主要机械设备的工作原理、结构特点，初步掌握核动力机械的设计规程和设计方法，巩固制造技术基础、CAD/CAM、机械制造工程学、有限元等课程基础理论知识，为今后从事大型复杂机械设备和通用机械设计工作打下基础。
　　1.压水堆核电厂总体虚拟模型
　　通过构建T型核电站厂房的虚拟模型，将核电站关键部件以立体模型进行展示。学生可通过漫游方式浏览核电站厂区、相关设备，通过点击某核心设备可实现设备参数和内部结构的展示，熟悉压水堆核电厂总体布局，掌握压水堆核电厂工作原理。通过模型了解核心区核岛中的四大部件蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯关键零部件及相互关系。构建集厂区布置、设备结构、核辐射原理、流体力学等综合问题为一体的实验项目，使学生通过对相关知识原理的综合理解，掌握核电站厂房及相关设备的布置要求。 　　2.典型零件的3-D结构设计与虚拟加工制造仿真
　　（1）在此实验项目中，主要针对内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式，以薄膜理论为推导基础，进行如下设计分析：
　　① 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力;
　　② 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据;
　　③ 对封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。
　　④ 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。
　　最终在材料、容积、壁厚、管口直径及焊接等复合条件下进行相关的参数设计，在此过程中涉及到材料、力学、机构学与焊接工艺等复杂综合条件，锻炼学生多因素下的问题分析能力和解决能力。
　　（2）选择1个典型核电装备关键零件，进行加工工艺规程设计，建立工艺过程卡，进行数控编程加工;
　　通过三维仿真技术再现完整的关键零件机械加工工艺规程设计过程。工艺性分析;确定毛坯;拟定工艺过程;选择机床;选择夹具;选择刀具;计算工序尺寸;确定切削用量。
　　之后以被加工件、夹具、刀具相互配合的三维动画的形式展现零件从毛坯到加工成为最终零件的整个过程，学生可以自由观察整个过程，判断零件视图的完整与正确性、尺寸及公差的完整及合理性、零件结构的合理性、技术要求的合理性、各表面加工工艺是否成熟、编程是否正确等，加深对加工工艺、加工所用设备的理解。
　　3.典型零部件三维建模仿真
　　结合二维、三维等软件，模拟核电典型零部件的设计过程。完善加深对机械制图理论知识的理解，熟练掌握零件二维、三维的转化。同时进行零部件在不同材质、压力、温度等条件下进行三维模拟仿真，进行多因素的仿真分析。并探索实际工况下的模型变形量的测量与监测方法。
　　针对不同材料、容积、壁厚、管口直径及焊接等复合参数条件下的压力容器，运用SolidWorks软件对其进行重建，采用有限元软件结合强度理论公式，在压力、温度不同工况下，进行三维结果模拟，对比不同条件下的压力容器有限元分析结果，实现设计参数与不同工况条件的优化组合，加深对理论公式的实际应用。
　　4.焊接加工虚拟仿真
　　焊接是一个涉及多学科的复杂的物理—化学过程，单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程则既不切实际又成本昂贵和费时费力。采用三维建模技术对压力容器、顶封头、中间筒体、焊接设备等进行模拟重建;采用高斯热源模型表征焊接电弧的热流分布特征，构建不同焊接工艺参数下的温度场变化，使学生直观认识焊接的过程，了解常规焊接方法的基本原理，操作步骤及注意事项。进行不同部位焊接电压、电流、速度、焊丝直径等焊接参数选择的对比。
　　激光焊接是利用高能量密度的激光作为热源的一种高效精密的焊接方法，是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近出现很大温度梯度。激光焊接后，其结构将出现不同程度的残余应力，并引起焊件变形，直接影响焊接结构的质量 和使用性能。产生残余应力与变形的根本原因在于焊接过程中不均匀的快速加热 与快速冷却，通过建立有限元模型，进行合适的有限元网格的划分，选取高斯热源模型，设定初始条件和边界条件进行有限元模拟。将求解连续体应力、应变、温度等问题转换为求解有限个单元的问题，通过对不同参数的模型分析，了解解决复杂工程问题的数值模拟技术。
　　5.机械装备零部件组装
　　采用三维建模技术对压水堆堆芯零部件等进行模拟重建，对压水堆堆芯零部件的模型进行任意切面的自由剖切，实现从任意剖切面深入到零件内部去观察学习堆芯零件的结构及工作原理。
　　（1）分析产品图样，确定装配组织形式，划分装配单元，确定装配方法;
　　（2）拟定装配顺序，划分装配工序，编制装配工艺系统图和装配工艺规程卡片;
　　（3）选择和设计装配过程中所需要的工具、夹具和设备;
　　（4）规定总装配和部件装配的技术条件，检查方法和检查工具;
　　（5）确定合理的运输方法和运输工具;
　　（6）制定装配时间定额。
　　6.控制棒驱动机构PLC编程虚拟控制仿真
　　在引导学生了解磁力步进式控制棒驱动机构工作原理的基础上，通过PLC编程虚拟控制仿真驱动控制棒组件在堆芯内提升和下降，以实现反应堆的启动，功率调节，停堆和事故情况下的安全
　　控制。
　　让学生通过电磁转化的计算确定驱动参数，并对序号随机選择的控制棒进行PLC动作控制编程仿真，针对选定的控制棒进行上下移动方向、距离、时间间隔、重置、数量等不同变量下的动作模式进行编程控制。实现力磁转化计算、控制系统设计、PLC编程、控制驱动方式等不同课程内容的融合实践。
　　结语
　　本文中虚拟仿真教学平台的建设以“新工科建设”和“专业认证”要求为目标，面向中南地区经济转型升级的技术需求，依托我校与核工业系统企业合作的基础和优势，定位于机电综合虚实结合的教学、实验、实训平台，积极开展基于核电设备设计、仿真分析、加工、组装和控制驱动为一体的多学科交叉的综合实训平台，加强对学生解决复杂综合工程问题能力的培养。
　　参考文献
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