過程設備設計實驗教學改革與實踐

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過程設備廣泛應用于石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，對于國民經(jīng)濟的發(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)過程設備行業(yè)從業(yè)人員的本科專業(yè)。無論是當前我國普遍實施的工程教育專業(yè)認證，還是新時代下企業(yè)對工程技術(shù)人才的實際需求，均明確需要過程裝備與控制工程專業(yè)的學生具備良好的創(chuàng)新意識，并能夠運用現(xiàn)代工具分析、處理復雜工程問題[1]。過程設備設計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)保等設備設計的理論基礎，是培養(yǎng)本專業(yè)學生工程與創(chuàng)新能力的重要載體，而綜合性、創(chuàng)新性的實驗教學則是培養(yǎng)本專業(yè)學生的工程實踐與創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[2]。過程設備設計的典型特點是理論性強、內(nèi)容抽象，同時學生力學基礎有限，因此學生對該課程及實驗的興趣較低。眾多高校教育工作者進行了教學改革嘗試[3-5]。為進一步提高教學內(nèi)容的創(chuàng)新性與實踐性，部分教育工作者嘗試將CAE技術(shù)引入過程設備設計的教學實踐中[6-8]，以幫助學生理解基本概念及難點問題，激發(fā)學生的學習興趣。我校過程裝備與控制工程專業(yè)的過程設備設計實驗教學，以傳統(tǒng)驗證性實驗為主，難以滿足創(chuàng)新型、復合型人才培養(yǎng)的要求。結(jié)合筆者的教育實踐，該文以內(nèi)壓容器應力測試實驗為例，通過融合CAE仿真技術(shù)，探索過程設備設計的綜合性、創(chuàng)新性實驗教學的改革與實踐，以提升實驗教學的效果與質(zhì)量。

1傳統(tǒng)內(nèi)壓容器應力測試實驗

回轉(zhuǎn)薄壁殼體、平板及不連續(xù)應力分析等內(nèi)容是過程設備設計的重點與難點之一，是壓力容器設計的理論基礎。該部分內(nèi)容的傳統(tǒng)實驗項目為內(nèi)壓容器應力測試。傳統(tǒng)實驗針對不同形式的封頭以及封頭與筒體連接區(qū)域的邊緣應力進行測試，分析總結(jié)應力的分布規(guī)律，以驗證理論分析結(jié)果，并加深學生對邊緣應力的理解。然而傳統(tǒng)實驗教學所采用的容器結(jié)構(gòu)單一、固定不變，不便于開展創(chuàng)新性實驗教學。同時，由于傳統(tǒng)實驗教學多年來一直受驗證型實驗教學模式以及“重理論、輕實踐”傳統(tǒng)思維定勢的影響，使實驗教學以驗證理論教學結(jié)論為主，導致實驗教學形式過于簡單，學生對實驗的興趣不高，不能達到實驗教學目的。傳統(tǒng)驗證性的過程設備設計實驗教學已經(jīng)難以滿足本專業(yè)創(chuàng)新型、復合型人才培養(yǎng)的需求。

2融合CAE技術(shù)的實驗教學

針對上述傳統(tǒng)實驗教學存在的不足，筆者在教學實踐的基礎上，充分利用CAE技術(shù)不受實驗教學的設備、時間和空間局限，以及易于開展創(chuàng)新性研究的優(yōu)勢，結(jié)合啟發(fā)式和學生主題式教學法，以內(nèi)壓容器應力測試實驗為例，設計了融合CAE仿真技術(shù)的綜合實驗教學流程，整體流程為：(1)實驗課前，學生預習實驗內(nèi)容，完成所測試容器的CAE仿真分析，設計恰當?shù)膽兤贾梅桨福⒆珜戭A習報告。(2)實驗課中，實驗教師指導學生利用應變電測法完成容器外壁應力測試，并對比實驗測試與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)實驗課后，指導學生進行拓展研究，即針對復雜工程案例，利用CAE技術(shù)探索不同結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)下容器的應力分布，并完成實驗報告。具體的教學實施過程如下。實驗前，學生需要思考如何將實際的受壓容器抽象為可以計算的CAE模型。在這一過程中，學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度。學生通過對比實體、殼體，二維、三維等CAE模型的不同特點，并結(jié)合實驗容器的結(jié)構(gòu)與載荷及約束特點，選擇了1/4三維殼體模型；根據(jù)理論教學中的邊緣應力分布特性，確定了模型中的筒體長度；結(jié)合容器在內(nèi)壓作用下的變形特點，確定了模型的約束形式。在建立仿真模型的過程中，不僅鍛煉了學生運用現(xiàn)代分析工具的能力，更培養(yǎng)了學生聯(lián)系理論與實際的能力。通過求解所建立的仿真模型，得到了容器外壁的應力分布規(guī)律，如圖1所示。學生通過分析與總結(jié)外壁應力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)筒體與封頭連接區(qū)域的應力具有顯著的局部特性，并與理論課堂中的分析結(jié)果進行對比，進一步加深了對邊緣應力分布特性的直觀認識，也了解了不同結(jié)構(gòu)形式的封頭所導致的邊緣應力大小不同。同時，學生通過變形圖(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)向應力分布的輪廓形狀一致，進而認識到環(huán)向應力導致殼體的周向長度被拉長，但封頭與筒體的拉伸程度不一致導致了邊緣應力，從而對邊緣應力的產(chǎn)生有了更加直觀、深入地理解。結(jié)合利用CAE仿真得到的邊緣應力分布曲線，學生認為，為了在實驗測試中獲得較為準確的邊緣應力分布，應在存在邊緣應力的區(qū)域布置較為密集的測試點，而在邊緣區(qū)外，可布置少量測試點。實驗過程中，實驗教師指導學生利用應變電測法測量容器外壁應力，并繪制沿容器母線的外壁應力分布曲線，與CAE仿真結(jié)果對比。學生發(fā)現(xiàn)兩種應力結(jié)果的分布規(guī)律一致，但部分測試點的誤差較大，學生們通過分析，認為可能原因有：容器局部形狀不規(guī)則、封頭存在拉伸減薄、應變片粘貼誤差等。通過對比，學生更加深刻地理解了CAE仿真與實驗測試的關(guān)系：CAE仿真具有成本低、周期短、查看結(jié)果方便等特點，然而工程中的CAE仿真需要通過實驗測試來驗證模型及分析結(jié)果是否正確。同時，CAE仿真結(jié)果又可指導實驗測試，確定結(jié)構(gòu)中需測試的關(guān)鍵部位。經(jīng)過分析討論，學生意識到結(jié)合二者是解決工程實際問題的有效途徑，同時學生也普遍表示，將CAE融入傳統(tǒng)實驗教學，能夠激發(fā)學習興趣，克服傳統(tǒng)實驗教學模式中的單調(diào)乏味。實驗結(jié)束后，學生進一步利用CAE技術(shù)研究了復雜容器結(jié)構(gòu)的應力分布。例如部分學生對某工程案例中，內(nèi)壓作用下橢圓封頭開孔接管部位的應力進行了分析，更加清晰地認識了開孔接管部位的應力集中情況，并進一步討論了接管與封頭壁厚的變化對應力集中程度的影響。這種拓展性的研究，不僅能夠鍛煉學生解決問題的能力，更能夠培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力，啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識。

3結(jié)語

將CAE技術(shù)融入過程設備設計的傳統(tǒng)實驗教學中，可進一步強化學生的課堂理論知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，并使學生應用分析理論與現(xiàn)代工具解決工程實際中容器應力分析相關(guān)問題的能力得到訓練，同時也能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，開闊學生的學術(shù)視野。

參考文獻

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作者:盧海山 王志奇 彭德其 單位:湘潭大學