結構試驗設計平臺開發及在實驗教學中的應用

曲先強，謝耀國，劉紅兵，張 猛，李中英

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學煙臺研究院，山東 煙臺 264000；3.哈爾濱工程大學國資處，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

2015年起教育部在國家級實驗教學示范中心的基礎上，啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，國家級虛擬仿真實驗教學中心是高等教育信息化建設與實驗教學示范中心建設的有機結合，是現代教學信息技術手段與實驗教學深度融合的產物。國家級虛擬仿真實驗教學的重點是采用現代化教學信息手段，結合現代化、信息化實驗教學資源，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，達到真實實驗不具備或難以完成的教學效果，讓所有學生能夠獨立在虛擬仿真的軟件環境中開展實驗，以達到教學大綱所要求的認知與實踐效果。國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設開啟了虛擬仿真技術在實驗教學中應用的新篇章，激發了實驗教學的虛擬仿真技術研發的新高潮[1]。

1 國內外現狀

目前我國已經在相關領域進行了多次實踐與研究，并取得了一定的成果，侯慧等[2]對虛擬仿真實驗的發展現狀進行了歸納，探討發展虛擬仿真實驗的必要性，總結了虛擬仿真實驗建設的不足之處，分析虛擬仿真實驗未來的發展方式。肖仕鑫等[3]基于現有虛擬仿真實驗案例，從實驗教學理念、實驗教學內容、實驗教學資源、實驗教學方法、實驗教學流程五個維度，提出了四條教學策略。張敏[4]等總結了六方面高質量虛擬仿真實驗教學課程內涵和特征，對課程建設和應用提供參考。

在材料學工程實驗教學領域，馬曉等[5]結合材料學科專業特色，采用“線上+線下+虛仿+實操”的混合式教學法，對航宇材料結構分析虛擬仿真實驗教學進行了設計和實踐。侯瓊[6]等基于Unity3D的WebGL開發了輕質結構材料力學性能虛擬教學實驗平臺，有效解決了新材料設計實驗教學難度大、成本高、耗時長等問題。

在船舶工程實驗教學領域，宋磊等[7]將不同的船舶類型與實驗水池進行結合，使學生可以直接自主設計船模阻力實驗,全方位參與實驗實踐，突破了傳統船模阻力實驗教學中設施設備的限制。楊玉峰等[8]分析了目前航海儀器實驗教學中存在的問題，提出基于虛擬仿真技術建設航海儀器綜合仿真訓練系統，開展虛擬仿真實驗教學探索，使原理性實驗可視化、單一驗證性實驗更加直觀、綜合性設計性實驗能夠動態展示。

在土木工程實驗教學領域，趙群[10]從土木工程虛擬仿真實驗教學體系的構建和現狀出發，對現階段中國土木工程虛擬仿真實驗教學進行了簡要探析，并對土木工程虛擬仿真實驗教學體系構建提出了建議。

從現有研究成果來看，廣大高等教育工作者充分利用各種虛擬仿真手段，開發了系列的基于虛擬仿真技術的實驗課程，從實驗教學的理念、內容、方法、流程等多個維度，全面提升了實驗課程的內涵。

在大型結構類實驗教學中仍存在如下困難：需要用到大型設備，臺套數少、現場操作環境危險，調試復雜，作業時間長，運行成本高。由于試驗設施和模型條件限制，通常僅能把學生分為幾組，開展演示教學，學生不能參與試驗設計和試驗操作，只能參與部分試驗數據采集與處理的工作，這種教學方法不能考核到每一個學生，也不能覆蓋整個試驗流程，導致教學效果不佳。

針對這種情況，結合實驗室現有試驗條件，設計了一套實驗教學的軟件系統，覆蓋了模型設計、加載方案設計、測試方案設計等功能，與三維設計軟件與有限元分析關鍵建立接口，為實驗教學提供了一套簡單有效的虛擬仿真手段。

2 現有實驗設施介紹

目前，大型工程結構類實驗中主要采用PXJ型全數字多通道協調加載系統，該系統主要參考了美國MTS公司Aero-90TM 系統，并根據計算機軟硬件發展技術，采用VRTX嵌入式實時操作系統而研制。該系統研制起點高，具有高可靠性、高通用性等優點，可根據不同用戶的需求配置加載通道數和獨立試驗數。該系統主要有以下部分組成：加載平臺、作動器、液壓站以及測量控制系統組成。

2.1 加載平臺

加載平臺共有2套，跨度4m，高度10m，每套加載架配備一個加載橫梁，其中加載架下端設有間隔為0.5m的承載地鉚孔，估計整體可承受2000KN的拉壓力。

2.2 作動器

作動器共有6臺，技術參數如下：

10t的伺服作動器1臺，配備1臺液壓子站；

25t伺服作動器2臺，配備2臺液壓子站；

50t伺服作動器2臺，配備2臺液壓子站；

100t伺服作動器1臺，配備1臺液壓子站。

2.3 測量控制系統

利用PXJ型全數字多通道協調加載系統可完成1～6通道協調加載，加載的范圍在0～100噸。本系統主要功能是多通道協調加載，可以完成鐵路以及航空、航天、飛機、航海、船舶等大型復雜結構系統的疲勞與靜力試驗，較好地解決了分布于結構試件的多通道作動器輸出力或位移進行同步或異步的協調控制。

3 結構試驗設計仿真平臺開發

3.1 結構試驗設計仿真平臺開發總體思路

本結構試驗設計仿真平臺采用單機運行結構，成品軟件為Windows系統下的典型軟件安裝包，用戶可在本系統支持的操作系統上安裝并使用本系統。為了保證系統開發過程和使用過程的良好品質，本結構試驗設計仿真平臺設計時將遵循規范性原則、實用性原則、開放性原則。

3.2 結構試驗設計仿真平臺的組成

3.2.1 平臺配置文件

（1）軟件的目錄組成與文件說明。

“Models”文件夾中存放了各種機械部件的3DS格式模型及其約束面配置文件；

“EntityInfo.ini”配置文件描述了這些機械部件的分類、個數以及具體的文件名等信息，軟件啟動時將對此文件進行解析，根據解析的結果，在界面上顯示出可供用戶使用的部件信息。

（2）模型繪制與約束面配置。

當Models文件夾中沒有用戶所需的模型時，用戶需自行繪制模型并定義配套的約束面文件，說明如下：

①模型的繪制。推薦使用3DSMAX軟件進行模型繪制工作，如下圖1所示。繪制完成后，使用軟件的文件導出功能，導出3DS格式的模型文件，即可得到3DS模型文件。

圖1 利用3DSMAX軟件繪制模型

②約束面配置的說明。得到模型的3DS文件后，需要編寫模型的約束面配置文件，約束面配置文件的文件名需與3DS模型文件名相同，否則本軟件將無法搜索到配置文件。

新繪制的模型可以在這個文件中進行描述，用戶也可添加新的實體類別。配置好實體信息配置文件后，啟動本軟件，即可在界面中看到對應的實體資源。

3.2.2 平臺界面及開發實例

平臺界面設計包括狀態欄、實體資源欄以及工作區，狀態欄包括文件、編輯、視圖、幫助等常規功能，文件欄主要用作文件的打開、存儲、導入導出等，視圖欄主要對工作區的顯示內容進行設置。實體資源欄顯示可以導入的各種模型，包括作動器、加載器、方箱、平臺、立柱、吊車、試件、傳感器、試驗工裝等，工作區主要用于顯示試驗方案，是主體顯示區。目前該試驗設計仿真平臺可完成包括船典型結構疲勞試驗（圖2、圖4，P220）、沖擊試驗（圖3，P220）在內的多種復雜結構多類型試驗。

圖2 某船上層建筑的典型結構疲勞試驗加載方案

圖3 某核電蒸汽管防甩件沖擊試驗方案

圖4 某風力發電基座疲勞試驗方案

4 在實驗教學中的應用

結構試驗設計仿真平臺的使用幫助文件，提前隨課程要求發給學生，讓學生課前預習，掌握軟件的基本使用，學生在課程前需要掌握三維設計軟件和結構有限元分析軟件的使用。

4.1 方案設計

學生拿到實驗項目后，需要針對實驗目的，掌握結構試驗技術中的模型設計方法，在三維設計軟件中完成模型設計，然后導入結構試驗設計仿真平臺中，根據實際結構的邊界條件，從實體資源中選擇合適的固定方式，從而通過方箱、立柱、平臺和輔助工裝的組合，達到合理的固定方案設計，再選擇合適的加載工具和測試方案，完成試驗方案設計。

4.2 結果校核

根據試驗方案設計，把模型導入結構有限元分析軟件，開展仿真計算，驗證邊界條件、加載方案以及測試方案的合理性，完全滿足試驗目的后，給出仿真結果，作為試驗結果，完成報告撰寫。

4.3 成績考核

根據學生提交的實驗報告和試驗模型，綜合考慮方案設計、結果校核等因素，給出課程成績。

5 總結

結構試驗設計仿真系統是一個基于現有的多點協調加載系統而設計的三維視景仿真軟件，它包含一個大型結構加載實驗平臺、各種加載設備、多種輔助工裝和多種結構試件的綜合系統。該軟件可靈活構建各種典型結構類實驗項目，實現結構試件的多點加載試驗方案三維視景顯示；同時可根據新型結構試驗的需要，添加新試驗試件和新輔助工裝，設計新的結構試驗項目。本結構試驗設計仿真系統具有以下優點：

（1）結構設計軟件的擴展性與開放性。本結構試驗設計仿真系統充分考慮后續新加試驗項目的擴展性，方便用戶根據需要隨時添加新的仿真試件、輔助工裝等，從而實現方便設計新的結構試驗項目。

（2）實現了大型結構試驗方案虛擬仿真設計。本結構試驗設計仿真系統可在任何一臺主流電腦上安裝，該軟件上手容易，利用該軟件學生可方便地進行典型結構類試驗方案的設計。

（3）自由設計新的結構試驗方案。利用該功能學生可根據新類型結構試驗的需要，自己動手設計虛擬仿真試件、輔助工裝等，并將之納入原系統中，進而自由設計和搭建新的結構試驗項目，這就加深了學生對典型工程結構類試驗的認識，也大大提高了學生的實際動手設計結構類試驗的能力，也較好的培養了學生的創新能力，同時在現場結構實驗課進行之前進行虛擬結構試驗方案的設計，讓每個學生都能全面、深刻的理解整個實驗方案設計及其過程，使學生到現場進行結構實驗時，很容易理解并掌握整個結構試驗的過程及內涵，極大地提高了教學效率和質量。