過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

1、過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐過(guò)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(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)是專(zhuān)門(mén)培養(yǎng)過(guò)程設(shè)備行業(yè)從業(yè)人員的本科專(zhuān)業(yè)。無(wú)論是當(dāng)前我國(guó)普遍實(shí)施的工程教育專(zhuān)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(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)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(wèn)題1。過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)作為過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)的典型特點(diǎn)

2、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(guò)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(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我校過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的過(guò)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(mǎn)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?xún)?nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)融合CAE仿真技術(shù)，探索過(guò)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

3、連續(xù)應(yīng)力分析等內(nèi)容是過(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)難以滿(mǎn)足本專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才

4、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(kāi)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?xún)?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(xiě)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

5、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(guò)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(guò)程中，學(xué)生需要解決的問(wèn)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(guò)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(guò)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。

6、通過(guò)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(guò)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(guò)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，

7、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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)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)

8、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(guò)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題的能力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。 3結(jié)語(yǔ) 將CAE技術(shù)融入過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可進(jìn)

9、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(wèn)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(kāi)闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。 參考文獻(xiàn) 1余壽文工程教育評(píng)估與認(rèn)證及其思考J高等工程教育研究，2015(03)：1-6+24 2賈永霞創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究與實(shí)踐J實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37(12)：206-208 3龔曙光，周衛(wèi)平，謝桂蘭，等封頭邊緣應(yīng)力自動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的研制J實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004(10)：30-33 4趙杰，呂濤，張衛(wèi)義，等基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐J化工高等教育，2015，32(04)：3

10、4-37+91 5馬菊蓮過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐J實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26(10)：135-137 6王海峰，董金善，周勇軍，等數(shù)值模擬方法在過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)中的探索與實(shí)踐J化工高等教育，2013(6)：85-88 7俞建峰，崔政偉，王東祥，等過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程實(shí)踐性教學(xué)方法的改革與探索J當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2016，8(10)：55-57 8沈利民，李海生，劉煥勝，等有限元分析軟件在過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用研究J廣東化工，2015，42(02)：146-147 4 1、最靈夢(mèng)想是一個(gè)天真的詞，實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想是個(gè)殘酷的詞。21.2.232.23.202119:4319:43:532月

11、-2119:432、只有收獲，才能檢驗(yàn)耕耘的好處；只有貢獻(xiàn)，方可衡量人生的價(jià)值。二二一二二一年二月二十三日2021年2月23日星期二3、不要放棄，你要配的上自己的野心，也不要辜負(fù)了所受的苦難。19:432.23.202119:432.23.202119:4319:43:532.23.202119:432.23.20214、找一個(gè)理由，否認(rèn)憂(yōu)傷，笑容就會(huì)燦爛到無(wú)所不在。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:535、成功與不成功之間有時(shí)距離很短只要后者再向前幾步。二月 21星期二, 二月 23, 20212/23/20216、只要努力抬起你的雙腳，勝利

12、將屬于你。7時(shí)43分7時(shí)43分23-2月-212.23.20217、青春如此華美，卻在煙火在散場(chǎng)。21.2.2321.2.2321.2.23。2021年2月23日星期二二二一二二一年二月二十三日8、真正沒(méi)有資格談明天的人，是那個(gè)不懂得珍惜今日的人。19:4319:43:532.23.2021星期二, 二月 23, 20211、你始終不屬于我，屬于我的只是我自己。21.2.232.23.202119:4319:43:532月-2119:432、一份信心，一份努力，一份成功；十分信心，十分努力，十分成功。二二一二二一年二月二十三日2021年2月23日星期二3、你是唯一的，你是十分獨(dú)特的，你就是你生

13、命中的第一名。19:432.23.202119:432.23.202119:4319:43:532.23.202119:432.23.20214、要跟成功者有同樣的結(jié)果，就必須采取同樣的行動(dòng)。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:535、我們的生命，就是以不斷出發(fā)的姿勢(shì)得到重生。二月 21星期二, 二月 23, 20212/23/20216、只要站起來(lái)的次數(shù)比倒下去的次數(shù)多，那就是成功。7時(shí)43分7時(shí)43分23-2月-212.23.20217、自知之明是最難得的知識(shí)。21.2.2321.2.2321.2.23。2021年2月23日星期二二二一二二一年二月二十三日8、勇氣通往天堂，怯懦通往地獄。19:4319:43:532.23.2021星期二, 二月 23, 20211、最靈繁的人也看不見(jiàn)自己的背脊。21.2.232.23.202119:4319:43:532月-2119:432、最困難的事情就是認(rèn)識(shí)自己。二二一二二一年二月二十三日2021年2月23日星期二3、有勇氣承擔(dān)命運(yùn)這才是英雄好漢。19:432.23.202119:432.23.202119:4319:43:532.23.202119:432.23.20214、與肝膽人共事，無(wú)字句處讀書(shū)。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:53