探究机电综合实训虚拟仿真教学平台建设实践

探究机电综合实训虚拟仿真教学平台建设实践

徐剑

江苏省扬中中等专业学校 212200

摘要：专业高校根据培养方案，使学生应对综合复杂的工程问题更加容易，以专业认证为方针，将学校专业实践课程的环节为基础，在校企合作的前提下，建立机电零部件的设计、建模、仿真、制造、装备为一体的虚拟仿真，学校将开设专业特色的综合实训课程，实现学生完整的进行机、电等学科的综合实训项目。机电综合实训虚拟仿真教学平台的建设是为了满足机电专业学校培养高素质学生的有效方式，也是专业高校向高质量发展的一种新尝试。

关键词：实践教学；虚拟仿真；专业认证

随着我校的机械设计制造及其自动化专业通过专业认证后，学校大力推进工程教育专业认证，逐渐形成以学生为中心，学生专业产出为导向，专业持续改进为教育理念，始终将这三个方面贯彻学生的培养。其中将学生的毕业指标引进课程教学内容，并展开多元化的考核模式，逐渐注重课程教学体系的建立^[1，2]。

一、仿真教学平台的重要性

为了满足学生的实践课程要求，学校需要构建一流、完整的教学实践平台，特别是针对综合性、创新性的问题^[3]，高校必须要加强建立专业性综合实验室。同时，在针对特色的专业时，例如：核动力机械的压力容器性能实验，其中控制棒驱动的系统性实验很难就地展开。综合考虑这些问题，可以通过建立虚拟仿真平台实现压力容器中控制棒驱动系统的驱动，大大的弥补了现实中无法实现实验的困难性，通过利用互联网技术，配合虚拟仿真软件，实现理论和实践的结合，真实的解决了现实中的问题。

二、建设机电专业虚拟平台的内容

根据现实的实验条件，建设虚拟仿真的教学平台，大力开展核电机械关键零部件的3D设计，通过数值仿真和数控技术的加持，大力开展相关专业的实验项目，让学生了解和掌握核电厂的机械零件图、装配图。了解和掌握核电厂系统和核动力的设计规程和方法。让学生在今后的大型机械设备和机械设计中打下坚实基础。

1.核反应堆的建模

通过对T型核电站厂房的建模，将核电站内部关键机械零部件进行三维立体展示。学生可以通过网络的形式对核电站内部结构进行了解和掌握，学生们可以通过点击核心设备了解设备的种类与结构，并且在已有的认知上加深压水堆核电厂的总体布局，逐渐掌握核电站的工作原理。通过建模了解到核电站机械装置中最为核心部分为蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯等关键零部件。构建了厂区的分布、设备结构、流体动力学等一系列问题，让学生通过相关知识原理的深刻认识，逐渐掌握核电站厂房内设备的分布要求。

2.核心零件的三维结构与虚拟加工仿真

此次实验的过程中，主要是对内压薄壁圆筒与封头的强度校核计算，根据薄膜理论为理论基础，对关键零部件的设计分析如下：

①根据薄膜理论进行受力分析，确定在该状态下的受力情况；

②根据弹性失效的设计原则，应用强度理论确定应力的强度判据；

③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。

最后，在使用材料、内压薄壁圆筒的体积、圆桶壁厚、圆桶的公称直径以及圆桶表面粗糙度等复杂条件下，通过设计此问题，让学生在多重复杂问题下培养分析问题、解决问题的能力。

3。核心零部件的数值仿真

通过让学生接触三维建模软件，使得他们学会核心零部件的设计、三维建模过程。加深学生对于机械制图理论知识的认识，熟练掌握零件的建模与制作过程。同时，通过数值模拟仿真软件，设定不同的工作工况，例如材质、温度、受力等不同条件下的材料性能，并且根据实际要求探究模型的形变程度以及监控。根据不同的材料、体积、圆桶筒壁、圆桶公称直径等复杂条件下的压力容器，通过SolidWorks软件对该核电机械进行三维模拟仿真，进行多种工况的数值模拟仿真。通过三维数值模拟软件所得到的结果，对比不同工况下压力容器的数值模拟结果，通过优化结构，改进工况，实现压力容器的最佳使用条件，让学生们加深对理论的实际应用。

4.对于焊接专业的数值模拟仿真

焊接专业是一个复杂的物理—化学变化，其中涉及到材料力学、结构力学等多种专业，通常凭借平时的工艺实验数据了深入了解焊接过程，是不切实际而且耗资巨大。通过使用数值模拟软件技术对压力容器的全身结构进行数值建模，采用高斯热源模型作为理论模型，将焊接电弧的热流分布特征作为表征焊接效果的好坏，接下来改变工艺参数下温度的变化，让学生直接感受到焊接专业的特点及变化过程。

焊接专业中，激光焊接是重要的一门课程，激光焊接的原理是利用高能量的激光作为焊接热源，是一种高效率、高精确性的焊接方法。它的特点在于焊接表面受热快速而且并不均匀，焊接缝隙处出现较大的温度梯度差。激光焊接后的缝隙处会出现不同大小的残余应力，直接引起焊接处形变，导致焊接效果变差，使用性能降低。激光焊接产生这种现象的原因在于焊接过程中的快速受热以及快速冷却导致的，由此，学生可以通过数值模拟的方法建立焊接模型，并对该模型进行结构化网格划分，理论模型选用高斯热源模型，根据实际工况选择温度和边界条件进行数值模拟仿真。将模拟后的结果进行分析，并且改变不同参数下的模型，直接解决复杂的工程难题。

5.通过虚拟平台进行复杂零件的装配

通过学校平台的对压水堆堆芯的核心零部件进行三维建模，并对模型的任何切面进行自由解剖，让学生从各个角度了解、学习堆芯零件的结构与原理。

（1）通过分析核心零部件的模型，学习装配的方法，确保装配顺序无误；

（2）制定装配顺序规定，分配装配工序，绘制装配工艺图和装配工艺规程卡片；

（3）根据装配要求，确定装配时必要的工具以及专用设备；

（4）制定装配的必要条件，并制定相关的检查方法和工具；

6.对于堆芯核电站控制棒的PLC编程仿真

学校为培养学生在磁力步进式控制棒驱动机构工作原理方面上，通过PLC编程的方式，在数值模拟软件中虚拟控制着控制棒在堆芯内的升降，从模拟角度的上实现学生控制反应堆的开启、关闭、功率、事故状态下的控制。通过数值模拟的方法让学生计算并确定电磁转化的驱动参数，将控制棒进行PLC动作控制编程仿真，学生可以通过数值模拟的方法将控制棒进行空间移动。也可以对控制棒进行PLC时间、数量的控制编程仿真，实现相关专业中力磁转化计算、控制系统设计、PLC编程、控制驱动方式等不同课程内容的有效融合。

总结

综上所述，本篇文章中的虚拟仿真平台的建立是以“专业认证”“新工科建设”为目标的，为了加快西南地区的经济转型，要加强专业技术的提升。根据学校与核电企业的合作，把握优势，将学校的特色专业定位于机电综合虚拟仿真、教学、实训一体化平台，高校积极开展核电工业装备的设计、仿真、加工、装配等一体化教学、实践平台，加强学生培养复杂工程问题的解决能力。

参考文献：

[1]刘洋,倪亚玲,吴婷婷.虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用[J].实验科学与技术,2016,14(5):4.

[2]李继芳,谢火木,孙道恒,等.机电类专业虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国教育技术装备,2016(10):4.

[3]王晓倩,姜锐,张健.机电类专业虚拟仿真实验教学资源建设与运行研究[J].当代教育实践与教学研究,2019(20):107-108.

作者：徐剑，1985.06，汉族，江苏扬中，研究生，一级讲师、实训处主任，研究方向：控制工程、校企合作。