陳振雷 石凡 于春令

摘? 要：虛擬仿真實驗可以為教師提供更多的教學資源和教學手段，幫助其更好地組織和實施教學活動，提高學生的學習效果和參與度?；谄湄S富多樣的教學資源和靈活的教學方法，虛擬仿真實驗在當前的教學活動中扮演著越來越重要的角色。該文以船舶與海洋工程結構物設計學科的課程改革為背景，詳細闡述結合工程案例的虛擬仿真實驗平臺建設過程及其在教學中的應用。該文所建立的海洋工程結構物虛擬仿真實驗能夠幫助學生更加深入了解船舶與海洋工程結構物設計方法與流程，提高學生實際工程設計、分析的能力。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；教學平臺；工程案例；教學效果；工程設計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2024）10-0027-04

Abstract： Virtual simulation experiments can provide teachers with more teaching resources and methods， help them better organize and implement teaching activities， and improve students' learning effectiveness and participation. Based on its rich and diverse teaching resources and flexible teaching methods， virtual simulation experiments play an increasingly important role in current teaching activities. This article takes the curriculum reform of the discipline of ship and marine engineering structure design as the background， and elaborates in detail on the construction process of a virtual simulation experimental platform combined with engineering cases and its application in teaching. The virtual simulation experiment of marine engineering structures established in this article can help students gain a deeper understanding of the design methods and processes of ships and marine engineering structures， and improve their practical engineering design and analysis abilities.

Keywords： virtual simulation experiment; teaching platform; engineering cases; teaching effectiveness; engineering design

虛擬仿真實驗是一種基于計算機模擬技術和模型仿真的虛擬實驗方法。它通過在計算機環(huán)境中創(chuàng)建虛擬的實驗場景幫助人們體驗在真實環(huán)境中的各項實驗操作，能夠為各個領域的研究人員和學習者提供高效、安全、靈活的實驗平臺[1-2]。

在虛擬仿真實驗中，學習者在虛擬環(huán)境下可以通過虛擬設備或界面對各種實驗操作進行控制和調(diào)整，如操控虛擬儀器、調(diào)整實驗參數(shù)或觀察實驗現(xiàn)象。相比于傳統(tǒng)的實驗方式，虛擬仿真實驗能夠提供更加多樣化的實驗環(huán)境，它能夠幫助學習者模擬和研究不同的實驗情況，觀察和分析不同實驗條件對結果的影響。另外，虛擬仿真實驗還具有低成本、低風險、可重復和易于學習等多方面的優(yōu)點，因此，該實驗方法已經(jīng)被廣泛應用于各個領域，包括如科學研究、工程設計、教育培訓等各個方面。通過虛擬仿真實驗，研究人員和學習者可以在虛擬世界中快速進行各項實驗操作來分析和學習各種實驗項目，幫助改進理論模型、優(yōu)化設計方案和提高實踐技能[3-4]。

虛擬仿真實驗目前在教學活動中已經(jīng)起到了十分重要的作用，成為教學活動中的一個必不可少的教學環(huán)節(jié)，能夠為教師和學生提供多方面的支持[5-6]。

豐富的教學資源：虛擬仿真實驗可以提供豐富多樣的教學資源，包括虛擬實驗場景、模擬器、交互式學習材料和實驗數(shù)據(jù)等。這些資源可以作為教師教學的輔助工具，豐富教學內(nèi)容，幫助教師更好地展示和解釋教學內(nèi)容，提高學生的學習積極性，幫助學生更好地進入到學習狀態(tài)中。

強化學習活動：虛擬仿真實驗可以用于設計和組織各類學習活動，如實驗課、小組討論、問題分析與解決等。教師可以根據(jù)學生的學習進度和需求，選擇和設計合適的虛擬實驗活動，加深學生對課程理論知識的理解，幫助學生更好地掌握所學內(nèi)容。

自主學習支持：虛擬仿真實驗可以為學生提供一個更加自由的學習環(huán)境。教師可以根據(jù)教學計劃為學生提供虛擬實驗的指導文檔、教程和任務，引導學生在課程學習前后獨立完成相關實驗的學習和操作。教學過程中，教師還可以通過虛擬仿真實驗平臺監(jiān)測和評估學生的自主學習過程進展，及時給出指導和建議。

教學評估和反饋：虛擬仿真實驗平臺能夠幫助教師記錄學生在虛擬仿真實驗過程中的操作和結果。根據(jù)仿真教學平臺中記錄的學生實驗數(shù)據(jù)，教師能夠及時有效地了解學生在實驗過程中對所學實驗內(nèi)容的掌握程度。據(jù)此，教師能夠更好地了解到學生在學習過程中可能存在的問題，可以及時給予學生反饋和指導，幫助他們更好地掌握實驗技能和理論知識。

教學創(chuàng)新和研究：虛擬仿真實驗能夠為教師提供一個用于教學創(chuàng)新的研究平臺。教師可以通過設計和開發(fā)虛擬實驗內(nèi)容、探索實驗數(shù)據(jù)的分析方法和應用等，拓展教學方法，豐富教學內(nèi)容，提升教學水平和專業(yè)能力。

總的來說，虛擬仿真實驗可以為教師提供更多的教學資源和教學手段，幫助他們更好地組織和實施教學活動，提高學生的學習效果和參與度。同時，虛擬仿真實驗也為教師的教學創(chuàng)新和教學研究提供了機會和支持。為了培養(yǎng)學生的工程實踐能力和提高學生的創(chuàng)新意識，寧波大學船舶與海洋工程系基于結構物設計方向建設了“海洋工程結構物設計、運行分析虛擬仿真實驗”的虛擬仿真教學項目。本文將詳細闡述該虛擬仿真實驗平臺的建設過程及其在教學中的應用。

一? 平臺介紹

（一）? 項目背景

基于數(shù)值模擬方法的船海工程結構物設計是一種先進的設計方法，其利用數(shù)學模型和計算機仿真技術，對船舶和海洋工程結構物進行全面的設計和分析。

在這種設計方法中，首先需要建立數(shù)學模型來描述船舶或海洋工程結構物的行為。這些模型通常涉及流體力學、固體力學及相應結構分析等多個學科領域的知識。通過對實際問題進行抽象和簡化，建立合適的數(shù)學方程和邊界條件，可以準確地描述結構物在不同工況下的運動、受力和變形等情況。

然后利用計算機仿真軟件，將數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為計算模型，并進行數(shù)值計算。通過數(shù)值方法，可以對結構物的性能進行預測和評估，包括船舶的航行性能、動力性能、海洋工程結構物的強度、穩(wěn)定性和可靠性等方面。

為了提高學生在船海工程結構物設計相關課程方面的學習效果和實踐能力，我們建立了“海洋工程結構物設計、運行分析虛擬仿真實驗”教學網(wǎng)站。該教學網(wǎng)站是基于船舶與海洋工程結構物設計方向的仿真教學平臺，為學生提供了一個安全、高效、全面的學習平臺，以促進他們對結構物設計領域的深入理解和實踐能力，為未來的研究和學習奠定堅實的基礎。

（二）? 教學目標

虛擬仿真實驗平臺主要包括以下三個方面的教學內(nèi)容。

1）借助于SPD三維設計軟件的教學與實操環(huán)節(jié)，結合船舶與海洋工程結構物設計規(guī)范與標準以及相關專業(yè)理論基礎知識[7-8]，實現(xiàn)結構物三維模型建立與虛擬裝配，讓學生了解船舶與海洋工程結構物設計方法與流程。

2）利用Hypermesh、Fluent、Abaqus等工程仿真分析軟件，對某船舶與海洋工程結構物三維模型進行設計工況下力學性能仿真建模計算[9-10]，并對應力場、應變場、流場計算結果進行后處理分析與評估，讓學生掌握結構物的力學性能分析方法。

3）利用虛擬仿真教學環(huán)境的實時交互功能，通過改變結構物的關鍵設計參數(shù)以及典型設計工況參數(shù)，對比分析結構物的強度與穩(wěn)定性，讓學生掌握結構物力學性能的優(yōu)化評估方法。

本虛擬實驗仿真教學平臺旨在通過以上教學內(nèi)容，讓學生通過實際操作和分析，逐步掌握船舶與海洋工程結構物設計的方法和流程，同時也能夠理解和應用相關的理論知識。虛擬仿真實驗平臺為學生提供了一個綜合性的學習平臺，能夠更好地促進其對船舶與海洋工程結構物設計領域的深入理解和實踐能力的培養(yǎng)。

二? 實驗內(nèi)容

（一）? 仿真實驗

本虛擬仿真實驗教學平臺主要包括以下三部分仿真教學實驗。

1）船體結構建模設計。以某26000DWT散貨船為例，采用SPD三維設計軟件，結合船舶與海洋工程結構物設計規(guī)范與標準，以及相關專業(yè)理論基礎知識，進行船舶結構的三維模型建立與裝配。利用SPD三維設計軟件，學生可以根據(jù)船舶與海洋工程結構物設計規(guī)范以及相關理論基礎知識，對該散貨船的結構進行三維建模。他們將學習如何創(chuàng)建船舶的主體結構，包括船體外殼、船艙、甲板等主要部分。通過在軟件中使用幾何圖形、曲線和曲面等工具，學生可以逐步繪制出船舶各個結構部分的幾何特征。

通過這一實踐過程，學生能夠通過SPD三維設計軟件獲得對該散貨船結構的全面了解。他們將學習如何應用設計規(guī)范和標準以及相關專業(yè)理論基礎知識，進行船舶結構的三維模型建立與裝配。這為他們進一步深入學習船舶結構設計和分析提供了良好的基礎。

2）船舶結構物強度仿真分析。選取上述散貨船船體中典型橫剖面剛架、舷側板架、船底外板為例，采用Hypermesh、Abaqus前后處理及仿真分析軟件，對其進行設計工況下仿真建模及應力應變計算，并進行相應后處理分析與評估?；贖ypermesh軟件，學生將學習船體結構中剛架、舷側板架及船底外板的三維網(wǎng)格劃分過程中；同時學生還將學習使用Abaqus軟件來建立相應的數(shù)值模型，包括船體結構的材料屬性、接觸條件和加載條件等，并運行仿真計算。在仿真計算完成后，學生將進行相應的后處理分析與評估。他們可以通過Abaqus軟件提供的后處理工具，對應力場、應變場進行可視化展示，并針對結構的強度、變形等方面進行評估。

通過以上的仿真建模、應力應變計算和后處理分析與評估過程，學生將能夠深入了解該散貨船船體中典型橫剖面剛架、舷側板架、船底外板的力學性能。他們可以分析結構的強度和穩(wěn)定性，并針對性地進行優(yōu)化設計，以提高船體的性能和可靠性。

3）船舶流體性能仿真分析。選取長21 m、舷高2.6 m的小船為計算分析對象，采用ICEM CFD、ANSYS Fluent兩款工程仿真分析軟件，就網(wǎng)格數(shù)量、航行速度、吃水深度等因素進行船舶阻力性能CFD計算與分析。圖1為船舶流體性能仿真分析界面。首先，在ICEM CFD軟件中，學生將根據(jù)小船的幾何形狀和尺寸，創(chuàng)建相應的計算域。然后進行網(wǎng)格劃分，以構建合適的計算網(wǎng)格。學生需考慮網(wǎng)格的精細程度，確保足夠細致的劃分以捕捉小船的細節(jié)，并保證CFD仿真計算的收斂性及準確性。

此外，學生將利用ANSYS Fluent軟件進行船舶阻力性能的CFD計算與分析。他們將設定航行速度、吃水深度等邊界條件，并進行仿真計算。Fluent軟件將根據(jù)初始設定的條件和計算網(wǎng)格，模擬小船在水域中的航行過程。

在仿真計算完成后，學生將進行相應的后處理分析與評估。他們可以通過Fluent軟件提供的后處理工具，分析小船周圍的流場、壓力分布、力與阻力情況等，并根據(jù)計算結果評估小船的阻力性能。通過比較不同網(wǎng)格數(shù)量、航行速度和吃水深度等因素對阻力的影響，學生可以深入了解這些因素對小船性能的影響程度。

通過以上的船舶阻力性能的CFD計算與分析，學生可以獲得關于小船的阻力特性、流場分布等方面的重要信息。他們可以根據(jù)仿真結果評估小船的航行性能，針對性地進行設計優(yōu)化，以提高小船的推進效率和航行穩(wěn)定性。

（二）? 實際工程案例分析

本平臺同時給出了某空調(diào)閥板的工程案例分析。該案例旨在分析該閥板在工作過程中的疲勞失效過程，建立相應的閥板有限元仿真模型并實現(xiàn)閥板疲勞斷裂過程的故障再現(xiàn)，從而理清閥板的失效機理。本案例將基于所建立的仿真模型對閥板進行結構優(yōu)化設計以提高其工作壽命，結合有限元計算驗證分析過程的合理性，并進行結構優(yōu)化直至滿足要求。整個仿真過程主要分為三個階段：有限元模型建立、強度分析及疲勞分析。圖2為該閥板的CAD及失效模型。

通過分析空調(diào)閥板在工作過程中的疲勞失效過程，學生可以深入理解材料疲勞與斷裂機制，以及與其相關的工程設計原則。這有助于學生理解材料性能、結構設計的理論知識及其與實際應用的關系。其次，通過建立相應的閥板有限元仿真模型，并實現(xiàn)閥板疲勞斷裂過程的故障再現(xiàn)，學生能夠親身體驗到有限元分析方法在解決工程問題中的重要性和實用性。他們可以學習如何使用專業(yè)的仿真軟件進行結構設計和強度分析，并理解仿真結果與實際工程問題的對應關系。此外，通過基于所建立的仿真模型對空調(diào)閥板進行結構優(yōu)化設計，學生可以了解到工程設計中的優(yōu)化思路和方法。他們將學習如何定量評估不同設計方案的性能指標，并通過有限元計算驗證優(yōu)化結構的合理性。這有助于培養(yǎng)學生的工程設計能力和創(chuàng)新思維。最后，整個仿真過程分為有限元模型建立、強度分析和疲勞分析三個階段，通過逐步實施不同的分析任務，學生可以掌握一個完整的工程仿真流程。他們將學會如何做出合理的假設和簡化，并學習到如何選擇合適的材料參數(shù)和加載條件，這有助于提升學生的問題解決能力和工程實踐能力。

（b）? 吸氣閥板開裂前? ? ? ?（c）? 吸氣閥板開裂后

三? 教學應用

該虛擬仿真實驗平臺主要面向船舶與海洋工程結構物設計方向的學生，整個教學實施過程總共分為4個部分，具體實施過程如下。

（一）? 課前預習

該虛擬仿真實驗平臺為網(wǎng)上公開的教學資源，24小時向?qū)W生開放。在開始虛擬仿真實驗教學之前，要求學生提前瀏覽虛擬仿真實驗網(wǎng)站的相關內(nèi)容，預習關于SPD三維設計軟件、流體力學及固體力學仿真計算的相關知識，做好虛擬仿真實驗的相關準備。

（二）? 實驗教學

該虛擬仿真實驗教學需要結合工程力學、流體力學、結構力學和船體結構等相關課程展開，在開始虛擬仿真實驗之前，授課教師需要講解相關船體結構、數(shù)值計算方法、數(shù)學物理方法等相關知識，幫助學生更好地理解虛擬仿真實驗的學習目標、學習內(nèi)容和注意事項。同時教師還需要演練整個虛擬仿真實驗過程，與學生進行充分討論，幫助學生分析并解決實驗中遇到的各種問題。

（三）? 案例練習

完成課程學習后，繼續(xù)引導學生開展課后的自主練習過程。在虛擬仿真實驗平臺提供的實際工程案例基礎上，向?qū)W生布置練習任務，要求學生復現(xiàn)案例中的工程仿真流程，學會實際工程案例中模型建立、強度分析和疲勞分析等仿真分析方法。同時要求學生在規(guī)定時間內(nèi)提交仿真模型、計算文件并撰寫相應的學習報告。練習過程要求所有學生必須獨立自主完成。

（四）? 綜合評價

教師根據(jù)學生提交的分析結果和學習報告進行考核評估，指出存在的問題并給出相應的考核分數(shù)。同時教師需要分析學生的整體學習情況并詢問學生在虛擬仿真實驗平臺中的學習感受，找出課程教學中可能存在的問題后進行課程總結并在下一次課程教學前及時改正。

四? 結束語

本文所建立的海洋工程結構物設計、運行分析虛擬仿真實驗是面向船舶與海洋工程結構物設計方向?qū)W生的教學實驗平臺，具有以下特點。①學生可以根據(jù)自身情況，在課程學習前后反復觀看實驗平臺中的相關內(nèi)容，并在遇到問題時可以在實驗平臺中積極留言向?qū)W科教師咨詢。該實驗平臺能夠為學生提供一個相對自由和輕松的學習環(huán)境，使學生的學習能夠不受時間和地點的限制。②該實驗教學平臺主要包括仿真教學實驗和實際工程案例分析，能夠為教師的課堂理論教學進行補充和擴展，讓學生在獲得課堂知識的同時，也能夠了解到工程實際問題及其解決方法，對提高工科學生的工程分析能力和解決問題能力有較好的促進作用。

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