導(dǎo)語：過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

過程設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。過程裝備與控制工程專業(yè)是專門培養(yǎng)過程設(shè)備行業(yè)從業(yè)人員的本科專業(yè)。無論是當(dāng)前我國(guó)普遍實(shí)施的工程教育專業(yè)認(rèn)證，還是新時(shí)代下企業(yè)對(duì)工程技術(shù)人才的實(shí)際需求，均明確需要過程裝備與控制工程專業(yè)的學(xué)生具備良好的創(chuàng)新意識(shí)，并能夠運(yùn)用現(xiàn)代工具分析、處理復(fù)雜工程問題[1]。過程設(shè)備設(shè)計(jì)作為過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，涉及石油、化工食品、醫(yī)藥、環(huán)保等設(shè)備設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，是培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生工程與創(chuàng)新能力的重要載體，而綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[2]。過程設(shè)備設(shè)計(jì)的典型特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，同時(shí)學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)有限，因此學(xué)生對(duì)該課程及實(shí)驗(yàn)的興趣較低。眾多高校教育工作者進(jìn)行了教學(xué)改革嘗試[3-5]。為進(jìn)一步提高教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性與實(shí)踐性，部分教育工作者嘗試將CAE技術(shù)引入過程設(shè)備設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐中[6-8]，以幫助學(xué)生理解基本概念及難點(diǎn)問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我校過程裝備與控制工程專業(yè)的過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，難以滿足創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求。結(jié)合筆者的教育實(shí)踐，該文以內(nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，通過融合CAE仿真技術(shù)，探索過程設(shè)備設(shè)計(jì)的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果與質(zhì)量。

1傳統(tǒng)內(nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

回轉(zhuǎn)薄壁殼體、平板及不連續(xù)應(yīng)力分析等內(nèi)容是過程設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一，是壓力容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。該部分內(nèi)容的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為內(nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)試。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同形式的封頭以及封頭與筒體連接區(qū)域的邊緣應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，分析總結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律，以驗(yàn)證理論分析結(jié)果，并加深學(xué)生對(duì)邊緣應(yīng)力的理解。然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采用的容器結(jié)構(gòu)單一、固定不變，不便于開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年來一直受驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以及“重理論、輕實(shí)踐”傳統(tǒng)思維定勢(shì)的影響，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證理論教學(xué)結(jié)論為主，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式過于簡(jiǎn)單，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣不高，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。傳統(tǒng)驗(yàn)證性的過程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)難以滿足本專業(yè)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求。

2融合CAE技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

針對(duì)上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，筆者在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，充分利用CAE技術(shù)不受實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備、時(shí)間和空間局限，以及易于開展創(chuàng)新性研究的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合啟發(fā)式和學(xué)生主題式教學(xué)法，以內(nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)了融合CAE仿真技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，整體流程為：(1)實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成所測(cè)試容器的CAE仿真分析，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)變片布置方案，并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。(2)實(shí)驗(yàn)課中，實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生利用應(yīng)變電測(cè)法完成容器外壁應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試與CAE仿真的結(jié)果，分析與總結(jié)兩種方法的異同與優(yōu)劣。(3)實(shí)驗(yàn)課后，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展研究，即針對(duì)復(fù)雜工程案例，利用CAE技術(shù)探索不同結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)下容器的應(yīng)力分布，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。具體的教學(xué)實(shí)施過程如下。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生需要思考如何將實(shí)際的受壓容器抽象為可以計(jì)算的CAE模型。在這一過程中，學(xué)生需要解決的問題有：選擇怎樣的CAE建模方式；如何確定模型的約束條件；如何確定模型中的筒體長(zhǎng)度。學(xué)生通過對(duì)比實(shí)體、殼體，二維、三維等CAE模型的不同特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)容器的結(jié)構(gòu)與載荷及約束特點(diǎn)，選擇了1/4三維殼體模型；根據(jù)理論教學(xué)中的邊緣應(yīng)力分布特性，確定了模型中的筒體長(zhǎng)度；結(jié)合容器在內(nèi)壓作用下的變形特點(diǎn)，確定了模型的約束形式。在建立仿真模型的過程中，不僅鍛煉了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代分析工具的能力，更培養(yǎng)了學(xué)生聯(lián)系理論與實(shí)際的能力。通過求解所建立的仿真模型，得到了容器外壁的應(yīng)力分布規(guī)律，如圖1所示。學(xué)生通過分析與總結(jié)外壁應(yīng)力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)筒體與封頭連接區(qū)域的應(yīng)力具有顯著的局部特性，并與理論課堂中的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步加深了對(duì)邊緣應(yīng)力分布特性的直觀認(rèn)識(shí)，也了解了不同結(jié)構(gòu)形式的封頭所導(dǎo)致的邊緣應(yīng)力大小不同。同時(shí)，學(xué)生通過變形圖(如圖2、3所示)可以直觀地發(fā)現(xiàn)封頭與筒體在連接部位的變形協(xié)調(diào)，并且發(fā)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)后的筒體形狀與環(huán)向應(yīng)力分布的輪廓形狀一致，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到環(huán)向應(yīng)力導(dǎo)致殼體的周向長(zhǎng)度被拉長(zhǎng)，但封頭與筒體的拉伸程度不一致導(dǎo)致了邊緣應(yīng)力，從而對(duì)邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生有了更加直觀、深入地理解。結(jié)合利用CAE仿真得到的邊緣應(yīng)力分布曲線，學(xué)生認(rèn)為，為了在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中獲得較為準(zhǔn)確的邊緣應(yīng)力分布，應(yīng)在存在邊緣應(yīng)力的區(qū)域布置較為密集的測(cè)試點(diǎn)，而在邊緣區(qū)外，可布置少量測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生利用應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量容器外壁應(yīng)力，并繪制沿容器母線的外壁應(yīng)力分布曲線，與CAE仿真結(jié)果對(duì)比。學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種應(yīng)力結(jié)果的分布規(guī)律一致，但部分測(cè)試點(diǎn)的誤差較大，學(xué)生們通過分析，認(rèn)為可能原因有：容器局部形狀不規(guī)則、封頭存在拉伸減薄、應(yīng)變片粘貼誤差等。通過對(duì)比，學(xué)生更加深刻地理解了CAE仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的關(guān)系：CAE仿真具有成本低、周期短、查看結(jié)果方便等特點(diǎn)，然而工程中的CAE仿真需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試來驗(yàn)證模型及分析結(jié)果是否正確。同時(shí)，CAE仿真結(jié)果又可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定結(jié)構(gòu)中需測(cè)試的關(guān)鍵部位。經(jīng)過分析討論，學(xué)生意識(shí)到結(jié)合二者是解決工程實(shí)際問題的有效途徑，同時(shí)學(xué)生也普遍表示，將CAE融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中的單調(diào)乏味。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)一步利用CAE技術(shù)研究了復(fù)雜容器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。例如部分學(xué)生對(duì)某工程案例中，內(nèi)壓作用下橢圓封頭開孔接管部位的應(yīng)力進(jìn)行了分析，更加清晰地認(rèn)識(shí)了開孔接管部位的應(yīng)力集中情況，并進(jìn)一步討論了接管與封頭壁厚的變化對(duì)應(yīng)力集中程度的影響。這種拓展性的研究，不僅能夠鍛煉學(xué)生解決問題的能力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3結(jié)語

將CAE技術(shù)融入過程設(shè)備設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的課堂理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并使學(xué)生應(yīng)用分析理論與現(xiàn)代工具解決工程實(shí)際中容器應(yīng)力分析相關(guān)問題的能力得到訓(xùn)練，同時(shí)也能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

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作者:盧海山 王志奇 彭德其 單位:湘潭大學(xué)