崔 勇, 富 立, 劉穎異， 王秋生

(北京航空航天大學(xué) a.自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院; b.機械與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，北京 100191)

0 引 言

多物理場虛擬仿真技術(shù)的興起和高速發(fā)展，為高校實驗教學(xué)工作帶來了巨大的變革[1]。在一些實驗環(huán)節(jié)，甚至完全無需進行物理實驗，就可以將實驗內(nèi)容進行準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測。這種實驗方式的革新不僅可以大幅縮短冗長的實驗周期，同時能夠節(jié)省大量制作實驗樣機的費用。同時，多物理場虛擬仿真實驗教學(xué)具備“學(xué)科交叉融合”的典型特征。而當(dāng)前“雙一流”建設(shè)和“新工科”建設(shè)的重要目標(biāo)之一是為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供多樣化、創(chuàng)新復(fù)合型卓越工程科技人才[2-6]。多物理場虛擬仿真實驗可為創(chuàng)新復(fù)合型“雙一流”和“新工科”人才培養(yǎng)提供重要保障，實驗的開展可以使學(xué)生既能運用所掌握的知識去解決現(xiàn)有學(xué)科的問題，還有能力學(xué)習(xí)其他學(xué)科的知識、新技術(shù)，從而有能力去解決未來發(fā)展出現(xiàn)的新問題[7-15]。

現(xiàn)代檢測技術(shù)實驗課程是我校面向研究生開設(shè)的校級實驗課程，共32學(xué)時。其主要任務(wù)是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進一步加深對典型物理對象檢測原理的理解。但是，已有的實驗內(nèi)容仍然圍繞應(yīng)變、電壓、電流、溫度、濕度等傳統(tǒng)檢測對象以及傳統(tǒng)的檢測方法。這些實驗內(nèi)容的設(shè)置，在當(dāng)前 “雙一流”和“新工科”建設(shè)背景下，已經(jīng)不能滿足創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)，落后于當(dāng)前科技發(fā)展的趨勢。因此，非常需要增加新的實驗內(nèi)容幫助學(xué)生建立多學(xué)科交叉的意識，養(yǎng)成在多學(xué)科空間觀察、思考問題的習(xí)慣。

本文的教學(xué)研究工作依托國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(機械與控制工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心)開展，設(shè)計并開發(fā)了3種虛擬仿真實驗。所設(shè)計的虛擬仿真實驗?zāi)軌蚴沟脤W(xué)生直觀地從多個角度理解典型檢測系統(tǒng)工作原理。同時，由于實驗耦合了材料學(xué)、電子學(xué)以及機械學(xué)等多學(xué)科背景知識，對幫助學(xué)生建立多學(xué)科交叉融合的意識，養(yǎng)成在多學(xué)科空間觀察、思考問題的習(xí)慣起到了重要作用。

1 PVDF微執(zhí)行器虛擬仿真實驗設(shè)計

微執(zhí)行器是微型檢測系統(tǒng)和微型無人系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，微執(zhí)行器的實現(xiàn)牽涉到材料、機械、電等多個學(xué)科，是典型的多學(xué)科交叉應(yīng)用。因此，以微執(zhí)行器為典型研究對象，將其引入到課程中，實現(xiàn)多學(xué)科交叉的實驗內(nèi)容設(shè)計。但是，傳統(tǒng)的微執(zhí)行器實驗教學(xué)由于需要復(fù)雜昂貴的微機械設(shè)計、微機械材料、微細(xì)加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)以及微測量等環(huán)節(jié)，因此較難面向?qū)W生廣泛開展。本文設(shè)計了一種基于有限元軟件的PVDF納米薄膜微執(zhí)行器虛擬仿真實驗(見圖1)。利用該有限元虛擬仿真模型，學(xué)生可以任意調(diào)整壓電材料特性(密度，相對介電矩陣，壓電應(yīng)變矩陣、柔度矩陣等)、壓電材料的尺寸(長度、寬度和高度)、壓電電壓以及壓電結(jié)構(gòu)(單層、串聯(lián)、并聯(lián)、混合等),從而使得學(xué)生具有非常高的靈活性去自主實現(xiàn)不同材料特性、不同機械結(jié)構(gòu)的微執(zhí)行器。

圖1 基于PVDF材料的微執(zhí)行器實驗設(shè)計

2 直流電場傳感器虛擬仿真實驗設(shè)計

基于場磨結(jié)構(gòu)的直流電場傳感器廣泛應(yīng)用于當(dāng)前智能電網(wǎng)的電磁環(huán)境檢測中。針對原有實驗存在的直流電場檢測機理理解較為抽象、傳感器標(biāo)定復(fù)雜且具有一定的危險性的問題(標(biāo)定用直流電壓0～50 kV)。本文基于有限元軟件開發(fā)了面向直流電場檢測的多物理場(機械-電磁場)虛擬仿真模型(見圖2)。學(xué)生可以利用該虛擬仿真模型完成直流電場傳感器的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(葉片瓣數(shù)、葉片間距等參數(shù))以及電場傳感器的虛擬標(biāo)定、虛擬裝配等實驗內(nèi)容。同時可將虛擬仿真的結(jié)果與傳感器所測量的真實結(jié)果進行比對，加深對直流電場檢測原理的理解。

(a) 實驗所用場磨結(jié)構(gòu)直流電場傳感器

(b) 所開發(fā)的虛擬仿真實驗部分結(jié)果(改變傳感器葉片瓣數(shù))

3 電暈電流檢測裝置的虛擬仿真實驗設(shè)計

電暈電流是表征特高壓輸電工程線路電暈放電情況最直接的參數(shù)，其精確的檢測方法對于特高壓輸電電磁環(huán)境、外絕緣和電暈特性的研究具有重要意義。但是,一方面，電暈電流檢測裝置需要安裝在±800 kV等級以上的特高壓輸電線路中，屬于高危或極端環(huán)境，所以高校實驗場地?zé)o法開展此類實驗教學(xué)；另一方面，電暈電流監(jiān)測裝置價格昂貴、精密、易損壞,裝置臺套數(shù)少, 所以在實際教學(xué)中無法保證每個學(xué)生動手進行實際操作,很難達(dá)到滿意的教學(xué)效果。因此本文基于有限元軟件開發(fā)了面向電暈電流檢測傳感器的虛擬仿真模型(見圖3)。學(xué)生可以利用該虛擬仿真模型實現(xiàn)傳感器的均壓環(huán)尺寸、子導(dǎo)線分裂數(shù)、子導(dǎo)線半徑等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，并虛擬觀測該虛擬檢測裝置的耐壓能力以及電場分布參數(shù)數(shù)值。

1.絕緣法蘭，2.屏蔽環(huán)，3.子分裂電阻，4.金屬法蘭，5.均壓環(huán)，6.管母線

(d) 部分虛擬仿真結(jié)果(傳感器的固定桿間距對檢測結(jié)果的影響分析)

圖3 電暈電流檢測實驗設(shè)計

4 結(jié) 語

面向我校多個學(xué)科的研究生(控制科學(xué)、電子信息、儀器、航空宇航等)，經(jīng)過7年多的實驗內(nèi)容持續(xù)迭代建設(shè)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)驗證，所開發(fā)構(gòu)建的多物理場實驗環(huán)境和實驗對象充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗教學(xué)獨特、不可替代的作用，極大地增加了學(xué)生對多學(xué)科學(xué)習(xí)的熱情和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生從多尺度、多場角度考慮問題的科學(xué)習(xí)慣。同時，學(xué)生通過完成虛擬仿真實驗進一步培養(yǎng)了自己獨立思考的能力 ,非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。最后，通過虛擬仿真實驗手段,進行虛實結(jié)合的實驗訓(xùn)練,極大地提高了學(xué)生解決科研問題的興趣,為學(xué)生未來從事科研活動打下堅實的基礎(chǔ)。