基于虚拟仿真技术的爆轰物理学课程可视化教学方法研究

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　　摘 要 针对兵器科学与技术专业研究生学位课爆轰物理学课程的教学内容抽象、知识点多、理论性强且难以理解的问题，探索一种基于虚拟仿真技术的可视化教学方法。借助Autodyn虚拟仿真软件，设计了爆轰物理学中非均质炸药的冲击起爆、爆轰波的马赫碰撞两个典型的教学案例，将抽象的理论以直观的方式讲解，使学生清晰的理解炸药冲击起爆的机理与马赫波的形成过程。该方法能充分地提高学生的理论与实践能力，教学效果也有了明显的提升。
　　关键词 虚拟仿真 爆轰物理学 可视化 Autodyn 教学方法
　　中图分类号：G424 文献标识码：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
　　爆轰物理学是一门研究炸药爆炸现象的发生、爆轰的传播规律以及爆炸效应等有关内容的课程，是兵器类专业研究生必备的基础知识，也是从事各种民用爆炸技术工作者所必备的基础知识。爆轰物理学是兵器科学与技术相关专业研究生的一门必修课。它涉及爆轰的激发、稳定与不稳定爆轰波的传播，以及爆炸对介质和目标的直接作用等问题的化学与物理内涵、相关理论表述以及爆炸过程的实验研究技术和方法。[1]
　　爆轰物理学课程研究的问题属于高压物理领域，主要研究炸药的爆轰理论及其对介质的作用，唯一有效的办法是实验测量，但对爆轰问题来说，这既是耗时又昂贵的，并且存在一定的危险性。虚拟仿真技术的出现为爆轰问题等高瞬态现象的研究提供了一种新的途径，虚拟仿真技术[2-3]的应用不仅极大的节省了实验经费，也为研究人员获得了完美的虚拟实验结果，观测到了实验中无法观测到的现象和参数。将虚拟仿真技术应用于爆轰物理学课程的教学可以更好的帮助学生理解与运用课程中的理论，还可以让学生学会对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。
　　本文将虚拟仿真技术应用于爆轰物理学课程的教学，结合凝聚炸药的冲击起爆、爆轰波的马赫碰撞等实际教学内容，帮助学生理解非均质炸药的冲击起爆和爆轰波的非正规斜碰撞产生马赫波的问题，逐步实现以提高学生分析问题能力为目标的教学模式转变，对于帮助学生在未来的科研工作中进行创新研究具有重要的意义。
　　1 虚拟仿真技术
　　随着计算机应用和软件技术的发展，国内外相关科研单位在爆轰物理领域取得了大量卓有成效的科研成果，开发了多款经典的软件，如美国世纪动力公司研发的Autodyn、美国劳伦斯利弗莫尔国防实验室开发的LS-DYNA、清华大学开发的MPM3D、北京理工大学开发的MMIC2D和MMIC3D等。这些软件已经在国防领域和民用领域有了非常广泛的应用。[4]
　　虚拟仿真技术解决实际工程问题的基本流程基本一致，包括研究对象的确立、選择合适的数值分析程序、形成计算模型、上机试算、计算、输出结果等部分。其中计算模型的建立工作是整个虚拟仿真的核心任务，这其中涵盖了模型的简化、算法的选择、材料参数的设定、网格的划分、边界条件的选取等诸多部分。
　　目前，Autodyn等软件可以与通用CAD集成使用，即将CAD软件完成的结构方案导入后自动生成网格，极大提高了设计的水平和效率。另外，多CPU并行计算及分布式处理技术也为解决大型且复杂的工程问题提供便捷的渠道。将虚拟仿真技术应用于爆轰物理学的课堂教学，不仅可以让学生学习爆轰物理的相关知识，还可以将虚拟仿真技术应用于自己的科研课题，将研究生的教学与科研有机结合到一起。
　　2 基于虚拟仿真技术的爆轰物理学课程教学实践
　　基于Autodyn软件的虚拟仿真平台，结合教材中的知识点，设计相关实际教学案例。下面以爆轰物理学课程教学中涉及的两个知识点为例，利用虚拟仿真技术引导学生对爆轰物理学课程的学习。
　　2.1 非均质炸药的冲击起爆
　　凝聚炸药的冲击起爆问题是爆轰物理学领域令人关注的前沿性课题，该问题可以归结为炸药在冲击波作用下的起爆。在传统的教学中，教师只能粗略的讲解起爆的机理、定量的起爆判据，起爆机理中涉及临界起爆压力和起爆深度等概念，这些概念对初学者而言难以理解透彻。利用虚拟仿真技术可以将非均质炸药冲击起爆问题进行可视化仿真，通过动态的过程让学生清晰看到炸药的起爆。 　　传统的教学中只是对冲击起爆的定义及判据等理论进行讲解，学生很难透彻的理解，特别是没有相关专业基础的学生。那么这里通过压力曲线就能清晰的看到炸药内部压力的变化，从而判断炸药的起爆情况。为了提高学生的实践能力，开设虚拟实验专题教学，让学生掌握虚拟实验的作用，从网格的划分到边界条件和初始条件的确定，最终计算求解得到实验结果，学生不仅从中学会了冲击起爆这个复杂的爆轰领域问题，更从中学到了分析问题的方法，使其对理论教学起到补充和促进作用。
　　2.2 爆轰波的马赫碰撞
　　对称两点起爆形成的爆轰波在对称面上经历着正碰撞、正规斜碰撞和非正规斜碰撞过程。两点同时起爆后，爆轰波将以相同爆速向炸药内部传播，爆轰波最先发生正碰撞，随着爆轰波在炸药中的传播，爆轰波之间将产生一夹角，碰撞点逐渐向右移动，即为正规斜碰撞。当碰撞入射角达到一定值，爆轰波碰撞后形成马赫波，产生马赫杆。
　　马赫波的产生条件是需要解决的关键问题。当入射角增大到约44.5入射角达到临界值即为正规斜碰撞与马赫碰撞的分界点。讲授爆轰波碰撞形成马赫波的知识点时，学生很难理解马赫波产生的条件，传统的讲授采用教材中的爆轰波传播轨迹，但理解起来较生硬，而应用虚拟仿真便可将这一复杂的过程再现，利用Autodyn软件模拟马赫波形成的过程，另外可以结合经典的马赫波波形进行对比使学生更加明确爆轰波碰撞产生马赫波的问题。
　　以上两个实例充分的证明了将虚拟仿真技术运用到爆轰物理学课程教学中的必要性，学生通过发挥自己的创造性，自主设计与教学内容有关的虚拟实验，并在专业的虚拟仿真平台上实现、验证创新设计的效果。
　　3 结论
　　本文将虚拟仿真技术引入兵器类专业研究生爆轰物理学课程的理论教学中，形成一种基于虚拟仿真技术的爆轰物理学课程可视化的教学方法。通过非均质炸药的冲击起爆、爆轰波的马赫碰撞两个典型的案例演示，将抽象知识点进行可视化展现，让学生能够直观理解课程内容，并引导学生如何进行虚拟仿真操作，实现了从传统听课到学生能够亲自操作的转变。这种教学方法使学生真正参与到课堂的教学中，这也极大地提升了学生的学习兴趣和主动性，提高教师教学质量的同时也促进了教师与学生的交流。
　　参考文献
　　[1] 张宝平，张庆明，黄风雷.爆轰物理学[M].北京：兵器工业出版社，2001.
　　[2] 黄景涛，徐迎曦，邱联奎，等.基于虚拟仿真环境的微机原理与接口技术课堂教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（6）：108-109.
　　[3] 杨清文，房施东，李春海.火箭炮兵器结构与原理课程虚拟仿真教学平台建設[J].实验技术与管理，2018（3）：109-111.
　　[4] 门建兵，蒋建伟，王树有.爆炸冲击数值模拟技术基础[M].北京理工大学出版社，2015.
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