羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

?

基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學平臺設(shè)計

羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

虛擬仿真技術(shù)可以逼真地模擬現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，有利于培養(yǎng)學生在專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實踐能力，提高實驗教學的效果。針對當前材料成型及控制工程實驗教學中存在的相關(guān)問題，提出虛擬實驗教學平臺的設(shè)計，并針對性地分為專業(yè)基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)、基礎(chǔ)仿真訓(xùn)練和綜合仿真訓(xùn)練四個模塊，循序漸進地深入教學的各個環(huán)節(jié)，從點到面，由淺入深，有序地完成學校無法完成的各種軋制環(huán)節(jié)。并以特種軋制工藝模擬仿真研究為例，分析建模的過程，并進行工藝仿真。通過長期的教學實踐，發(fā)現(xiàn)借助于該教學平臺,可解決本專業(yè)設(shè)備臺套數(shù)不足、成本高等問題，同時能有效激發(fā)學生的學習興趣,提高學生實際操作能力。

虛擬仿真； 材料成型及控制工程； 實驗教學； 模塊教學； 案例分析

0 引 言

實驗教學作為理論聯(lián)系實際的重要組成部分, 對于培養(yǎng)學生動手能力、工程實踐能力和創(chuàng)新精神都有十分重要的作用[1-3]。重慶科技學院是一所省屬特色突出的工科院校,材料成型及控制工程專業(yè)作為校級特色專業(yè)，背靠冶金，以軋制為主要發(fā)展方向，面向鋼鐵企業(yè)，培養(yǎng)板型管的專業(yè)技術(shù)人才，實驗教學質(zhì)量的提高對于實現(xiàn)“具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級專門人才”的培養(yǎng)目標顯得尤為重要[4-6]。

傳統(tǒng)的實驗方法和手段[7-8]通常是由教師對整個實驗進行講解，對實驗中容易出現(xiàn)的問題進行解釋，學生按教師的講解重復(fù)實驗，記錄數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告，而教師批改學生的實驗報告記分為主，導(dǎo)致了學生只重視實驗報告，沒有學會提出問題，分析問題，解決問題的能力。

近年來，虛擬化仿真技術(shù)[9-10]發(fā)展迅速，adams，ansys，abaqus、fluent、MARC等虛擬軟件不僅能夠模擬真實的物理設(shè)備，如軋機、加熱爐、風機等，并能像真實設(shè)備一樣對其進行操作，非常適合材控專業(yè)的實驗教學和研究，其友好的交互界面和虛擬仿真環(huán)境，有利于培養(yǎng)學生在專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實踐能力。在實物實驗條件達不到良好效果的情況下，運用計算機數(shù)字仿真技術(shù)可彌補其不足，提高實驗教學的效果。

本文在多年的教學過程中對材控專業(yè)的專業(yè)實驗教學環(huán)件進行分析，在國家虛擬仿真平臺的基礎(chǔ)上，嘗試建立基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學平臺，以激發(fā)學生的學習興趣，變被動學習為主動學習。

1 課程設(shè)置和實驗內(nèi)容改革

為了在專業(yè)實驗課程中更好地開展仿真實驗教學，“西門子PLC系統(tǒng)及應(yīng)用”、“有限元分析方法”、“材料加工CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ)”、“材料成型自動化基礎(chǔ)”等作為基礎(chǔ)平臺課程先行開設(shè)，安排在第三或第四學期。在開設(shè)專業(yè)課時，編寫包含傳統(tǒng)實驗和仿真實驗的實驗教材(“金屬壓力加工實驗指導(dǎo)書”和“鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心實驗指導(dǎo)書”)供學生實驗時學習，并配置PLC實驗中心和虛擬仿真實驗室方便教師和學生進行相關(guān)仿真實驗。為了提高專業(yè)課程實驗教學的效果，考慮到課程的相互銜接性和完整性，完善各門課程實驗環(huán)節(jié)的改革，探討從專業(yè)基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的基于虛擬仿真實驗教學環(huán)節(jié)的設(shè)計，通過不同的實驗項目(開設(shè)項目一覽表如表1所示)逐步提升學生的操作能力和實踐經(jīng)驗，提高學生的工程實踐能力。

表1 專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開設(shè)的實驗情況

2 虛擬實驗教學平臺設(shè)計

我校材控專業(yè)教學平臺的設(shè)計宗旨是，針對我校材料成型及控制工程專業(yè)的教學特點，加強教師的主導(dǎo)作用，強調(diào)實踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的能力為中心，提高學生的工程訓(xùn)練水平和實踐應(yīng)用能力。基于該原則，虛擬仿真平臺有4個部分組成。專業(yè)基礎(chǔ)+ 軟件基礎(chǔ)+基礎(chǔ)仿真訓(xùn)練+綜合仿真訓(xùn)練。專業(yè)基礎(chǔ)主要是驗證、鞏固和補充課堂講授的理論知識，使學生通過視頻建立起對材料成型及控制工程專業(yè)的感性認識，使學生能夠熟悉今后所從事的的主要工作方向。軟件基礎(chǔ)主要是通過軟件介紹和分析，讓學生選擇自己感興趣的軟件(4個選1個)自主學習模型建立的方法和步驟，從而具備仿真基礎(chǔ)能力?；A(chǔ)仿真訓(xùn)練是通過仿真軟件設(shè)計和實現(xiàn)的演示實驗，用以幫助學生在實驗過程中更直觀地看到實驗的步驟和實驗結(jié)果。綜合仿真訓(xùn)練主要是一些結(jié)合本專業(yè)的特點，突出課程內(nèi)容的專業(yè)性和職業(yè)指向性的應(yīng)用案例仿真。四個部分循序漸進地將學生引入到實驗場景中，為學生營造真實的實驗氛圍，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力。

3 虛擬實驗教學案例分析

以特種軋制工藝中的環(huán)軋仿真為例，首先通過理論講解讓學生明白環(huán)軋工藝的特點，結(jié)合運動簡化模型[11-13]見圖1，對運動過程進行分析[14-16]，并通過某軸承企業(yè)的現(xiàn)場環(huán)件軋制過程的視頻，讓學生能夠基于有限模擬軟件建立起軋制的模型見圖2， 通過定義邊界條件和初始條件，并采用C3D8RT將坯料離散，然后選取材料并建立工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)與現(xiàn)實實驗基本一致的工藝參數(shù)和性能特征，在檢查無錯的基礎(chǔ)上進行運行。

圖1 導(dǎo)向輥的運動簡化示意圖

圖2 徑軸向環(huán)件軋制的幾何模型

在運行的過程中可能會出現(xiàn)很多次錯誤，在每次報錯時記錄下報錯的原因，并進行更正，不斷調(diào)整模型和參數(shù)，直到可以運行出來。在該基礎(chǔ)上對軋制過程進行工藝參數(shù)改進，按照現(xiàn)場的軋制工藝進行模擬仿真，并對得到的結(jié)果進行處理從而得到如圖3～6所示的模擬結(jié)果，通過這些參數(shù)的變化可以分析整個軋制過程中溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分布，為軋制工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖3 環(huán)件在軋制過程中等效應(yīng)變的分布云圖

圖4 環(huán)件在軋制過程中溫度的分布云圖

圖5 成形環(huán)件橫截面上的軋制力分布情況

圖6 成形環(huán)件橫截面上的軋制力分布情況

通過環(huán)件軋制工藝的建模和仿真，學生能夠充分認識到特種軋制過程中環(huán)件和軋輥的運行規(guī)律，并清晰獲得軋制過程中工藝參數(shù)改進對軋制過程的影響，為其工藝課程的理解和提升打下了堅實基礎(chǔ)，也為其今后走上工作崗位嚴格執(zhí)行工藝參數(shù)，認真制定工藝制度，合理優(yōu)化工藝改革提供了有力保障。

4 結(jié) 語

在整個虛擬仿真實驗過程中，我們對學生進行了抽卷調(diào)查，根據(jù)學生反饋結(jié)果顯示學生的興趣度由原來的29.5%提高到了87.2%，教學效果良好，同時根據(jù)鋼鐵企業(yè)調(diào)研反饋結(jié)果顯示，基于該平臺就業(yè)的2010級學生更能扎根于現(xiàn)場，企業(yè)的一次離職率在10%以下遠低于其他高校，大大地提高了企業(yè)對學校的認可度。2011屆共有學生187人，就業(yè)率為97.65%，在學校處于前列。

總之通過我校材料成型及控制工程專業(yè)虛擬實驗教學的改革與實踐，充分證明該虛擬教學平臺提高了學生實際操作能力, 積累了實踐經(jīng)驗, 鍛煉了學生分析解決問題的能力。

[1] 李 平,毛昌杰,徐 進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)提高高校實驗教學信息化水平[J]. 實驗室研究與探索，2013,32(11):5-8.

[2] 李 紅,陳步云,徐理軍,等.構(gòu)建實驗教學質(zhì)量評價體系 提升實驗教學質(zhì)量[J]. 實驗室研究與探索，2009,28(6):234-236.

[3] 余建潮. 依托實驗教學示范中心 加強學生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2009,30(3):117-119.

[4] 朱光俊,楊治立,楊艷華. 校企聯(lián)合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)機制探析[J]. 職業(yè)與教育，2012(26):39-40.

[5] 袁曉麗,萬 新,杜長坤,等.仿真技術(shù)在冶金工程專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用[J]. 重慶科技學院學報(社會科學版)，2013 (3):191-193.

[6] 柏 偉,冉曉宇. 新建本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量保障體系的思考[J]. 中國成人教育，2008(1):45-46.

[7] 冒國兵,張光勝,劉 琪. 材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學環(huán)節(jié)的改革探索[J]. 實驗技術(shù)與管理，

[8] 楊曉平,武曉峰,周 岐. 材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學改革的思考與探索[J]. 遼寧工業(yè)大學學報(社會科學版)，2012,14(3):127-129.

[9] 張敬南,張镠鐘. 實驗教學中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J]. 實驗技術(shù)與管理，2013,30(12):101-104.

[10] 邵 琰,劉敏超. 虛擬仿真教學實驗平臺在應(yīng)用型大學的搭建及虛擬仿真技術(shù)在化工類課程教學中的探索性研究[J]. 廣東化工，2015,42(14):243-244.

[11] 華 林,梅雪松,吳序堂. 環(huán)件軋制運動學規(guī)律和參數(shù)[J].熱加工工藝,1998(2): 20-22.

[12] J L Song, A L Dowson, M H Jacobs,etal. Coupled thermo-mechanical finite-element modeling of hot ring rolling process [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 121:332-340.

[13] 王 斌,朱興林,劉 東,等. 斜截面異型環(huán)件軋制過程數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2013,42(7): 133-139.

[14] Hiroshi Utsunomiya, Yoshihiro Saito, Tomoaki Shinoda,etal. Elastic-plastic finite element analysis of cold ring rolling process [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 125-126:613-618.

[15] Zhou G, Hua L, Qian D S. 3D coupled thermo-mechanical FE analysis of roll size effects on the radial-axial ring rolling process[J].Computational Materials Science,2011(30):911-924.

[16] Zhu S, Yang H, Guo L G，etal. Investigation of deformation degree and initial forming temperature dependences of microstructure in hot ring rolling of TA15 titanium alloy by multi-scale simulations[J].Computational Materials Science, 2012(65):221-229.

Design of Experimental Teaching Platform Based on Virtual Simulation Technology

LUOXiao-dong,YINLi-meng,WANGQing-xia,XUWen-lin

(College of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331， China)

Virtual simulation technology can realistically simulate the real world, to cultivate students’ innovative practice ability, improve experiment teaching effect. In view of the problems existing in the experimental teaching of materials processing and controlling engineering, we designed the virtual experiment teaching platform. In our design the virtual experiment teaching platform divided into professional foundation, software infrastructure, basic simulation training and comprehensive simulation training. The four modules step gradually in-depth all aspects of teaching, and are from part to integrate, from easy to difficult, can complete all kinds of rolling process. Taking the special rolling process simulation as an example, a detailed analysis of the process of modeling and process simulation are introduced. With the help of the teaching platform, it can solve the insufficient equipment and the cost, at the same time, it can stimulate students’ interest in learning, improve students’ practical ability.

virtual simulation; materials processing and controlling engineering; practical teaching; modular teaching; case analysis

2015-05-18

2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心(教高司函〔2013〕94號)；2014年重慶市本科高?！叭匦袆佑媱潯碧厣珜I(yè)群(渝教研〔2014〕7號)；2014重慶科技學院特色專業(yè)(201402)；2014重慶科技學院精品資源共享課(201408)；2016重慶科技學院教改項目(2016025)

羅曉東(1981-)，男，河南許昌人，博士在讀，講師，主要從事塑性加工相關(guān)教學和科研工作，

Tel.：13637992925；E-mail：lxd336@163.com。

TB 31; TG 33

A

1006-7167(2016)04-0104-04