陳闖

摘 要 針對兵器科學與技術(shù)專業(yè)研究生學位課爆轟物理學課程的教學內(nèi)容抽象、知識點多、理論性強且難以理解的問題，探索一種基于虛擬仿真技術(shù)的可視化教學方法。借助Autodyn虛擬仿真軟件，設(shè)計了爆轟物理學中非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞兩個典型的教學案例，將抽象的理論以直觀的方式講解，使學生清晰的理解炸藥沖擊起爆的機理與馬赫波的形成過程。該方法能充分地提高學生的理論與實踐能力，教學效果也有了明顯的提升。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 爆轟物理學 可視化 Autodyn 教學方法

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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

爆轟物理學是一門研究炸藥爆炸現(xiàn)象的發(fā)生、爆轟的傳播規(guī)律以及爆炸效應(yīng)等有關(guān)內(nèi)容的課程，是兵器類專業(yè)研究生必備的基礎(chǔ)知識，也是從事各種民用爆炸技術(shù)工作者所必備的基礎(chǔ)知識。爆轟物理學是兵器科學與技術(shù)相關(guān)專業(yè)研究生的一門必修課。它涉及爆轟的激發(fā)、穩(wěn)定與不穩(wěn)定爆轟波的傳播，以及爆炸對介質(zhì)和目標的直接作用等問題的化學與物理內(nèi)涵、相關(guān)理論表述以及爆炸過程的實驗研究技術(shù)和方法。[1]

爆轟物理學課程研究的問題屬于高壓物理領(lǐng)域，主要研究炸藥的爆轟理論及其對介質(zhì)的作用，唯一有效的辦法是實驗測量，但對爆轟問題來說，這既是耗時又昂貴的，并且存在一定的危險性。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為爆轟問題等高瞬態(tài)現(xiàn)象的研究提供了一種新的途徑，虛擬仿真技術(shù)[2-3]的應(yīng)用不僅極大的節(jié)省了實驗經(jīng)費，也為研究人員獲得了完美的虛擬實驗結(jié)果，觀測到了實驗中無法觀測到的現(xiàn)象和參數(shù)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學課程的教學可以更好的幫助學生理解與運用課程中的理論，還可以讓學生學會對試驗方案的科學制定、試驗過程中測點的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導。

本文將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學課程的教學，結(jié)合凝聚炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞等實際教學內(nèi)容，幫助學生理解非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆和爆轟波的非正規(guī)斜碰撞產(chǎn)生馬赫波的問題，逐步實現(xiàn)以提高學生分析問題能力為目標的教學模式轉(zhuǎn)變，對于幫助學生在未來的科研工作中進行創(chuàng)新研究具有重要的意義。

1 虛擬仿真技術(shù)

隨著計算機應(yīng)用和軟件技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相關(guān)科研單位在爆轟物理領(lǐng)域取得了大量卓有成效的科研成果，開發(fā)了多款經(jīng)典的軟件，如美國世紀動力公司研發(fā)的Autodyn、美國勞倫斯利弗莫爾國防實驗室開發(fā)的LS-DYNA、清華大學開發(fā)的MPM3D、北京理工大學開發(fā)的MMIC2D和MMIC3D等。這些軟件已經(jīng)在國防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域有了非常廣泛的應(yīng)用。[4]

虛擬仿真技術(shù)解決實際工程問題的基本流程基本一致，包括研究對象的確立、選擇合適的數(shù)值分析程序、形成計算模型、上機試算、計算、輸出結(jié)果等部分。其中計算模型的建立工作是整個虛擬仿真的核心任務(wù)，這其中涵蓋了模型的簡化、算法的選擇、材料參數(shù)的設(shè)定、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的選取等諸多部分。

目前，Autodyn等軟件可以與通用CAD集成使用，即將CAD軟件完成的結(jié)構(gòu)方案導入后自動生成網(wǎng)格，極大提高了設(shè)計的水平和效率。另外，多CPU并行計算及分布式處理技術(shù)也為解決大型且復(fù)雜的工程問題提供便捷的渠道。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于爆轟物理學的課堂教學，不僅可以讓學生學習爆轟物理的相關(guān)知識，還可以將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于自己的科研課題，將研究生的教學與科研有機結(jié)合到一起。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學課程教學實踐

基于Autodyn軟件的虛擬仿真平臺，結(jié)合教材中的知識點，設(shè)計相關(guān)實際教學案例。下面以爆轟物理學課程教學中涉及的兩個知識點為例，利用虛擬仿真技術(shù)引導學生對爆轟物理學課程的學習。

2.1 非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆

凝聚炸藥的沖擊起爆問題是爆轟物理學領(lǐng)域令人關(guān)注的前沿性課題，該問題可以歸結(jié)為炸藥在沖擊波作用下的起爆。在傳統(tǒng)的教學中，教師只能粗略的講解起爆的機理、定量的起爆判據(jù)，起爆機理中涉及臨界起爆壓力和起爆深度等概念，這些概念對初學者而言難以理解透徹。利用虛擬仿真技術(shù)可以將非均質(zhì)炸藥沖擊起爆問題進行可視化仿真，通過動態(tài)的過程讓學生清晰看到炸藥的起爆。

傳統(tǒng)的教學中只是對沖擊起爆的定義及判據(jù)等理論進行講解，學生很難透徹的理解，特別是沒有相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)的學生。那么這里通過壓力曲線就能清晰的看到炸藥內(nèi)部壓力的變化，從而判斷炸藥的起爆情況。為了提高學生的實踐能力，開設(shè)虛擬實驗專題教學，讓學生掌握虛擬實驗的作用，從網(wǎng)格的劃分到邊界條件和初始條件的確定，最終計算求解得到實驗結(jié)果，學生不僅從中學會了沖擊起爆這個復(fù)雜的爆轟領(lǐng)域問題，更從中學到了分析問題的方法，使其對理論教學起到補充和促進作用。

2.2 爆轟波的馬赫碰撞

對稱兩點起爆形成的爆轟波在對稱面上經(jīng)歷著正碰撞、正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞過程。兩點同時起爆后，爆轟波將以相同爆速向炸藥內(nèi)部傳播，爆轟波最先發(fā)生正碰撞，隨著爆轟波在炸藥中的傳播，爆轟波之間將產(chǎn)生一夾角，碰撞點逐漸向右移動，即為正規(guī)斜碰撞。當碰撞入射角達到一定值，爆轟波碰撞后形成馬赫波，產(chǎn)生馬赫桿。

馬赫波的產(chǎn)生條件是需要解決的關(guān)鍵問題。當入射角增大到約44.5入射角達到臨界值即為正規(guī)斜碰撞與馬赫碰撞的分界點。講授爆轟波碰撞形成馬赫波的知識點時，學生很難理解馬赫波產(chǎn)生的條件，傳統(tǒng)的講授采用教材中的爆轟波傳播軌跡，但理解起來較生硬，而應(yīng)用虛擬仿真便可將這一復(fù)雜的過程再現(xiàn)，利用Autodyn軟件模擬馬赫波形成的過程，另外可以結(jié)合經(jīng)典的馬赫波波形進行對比使學生更加明確爆轟波碰撞產(chǎn)生馬赫波的問題。

以上兩個實例充分的證明了將虛擬仿真技術(shù)運用到爆轟物理學課程教學中的必要性，學生通過發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，自主設(shè)計與教學內(nèi)容有關(guān)的虛擬實驗，并在專業(yè)的虛擬仿真平臺上實現(xiàn)、驗證創(chuàng)新設(shè)計的效果。

3 結(jié)論

本文將虛擬仿真技術(shù)引入兵器類專業(yè)研究生爆轟物理學課程的理論教學中，形成一種基于虛擬仿真技術(shù)的爆轟物理學課程可視化的教學方法。通過非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆、爆轟波的馬赫碰撞兩個典型的案例演示，將抽象知識點進行可視化展現(xiàn)，讓學生能夠直觀理解課程內(nèi)容，并引導學生如何進行虛擬仿真操作，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)聽課到學生能夠親自操作的轉(zhuǎn)變。這種教學方法使學生真正參與到課堂的教學中，這也極大地提升了學生的學習興趣和主動性，提高教師教學質(zhì)量的同時也促進了教師與學生的交流。

參考文獻

[1] 張寶平，張慶明，黃風雷.爆轟物理學[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

[2] 黃景濤，徐迎曦，邱聯(lián)奎，等.基于虛擬仿真環(huán)境的微機原理與接口技術(shù)課堂教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2016（6）：108-109.

[3] 楊清文，房施東，李春海.火箭炮兵器結(jié)構(gòu)與原理課程虛擬仿真教學平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2018（3）：109-111.

[4] 門建兵，蔣建偉，王樹有.爆炸沖擊數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京理工大學出版社，2015.