兵器工程虚拟仿真实验教学体系的构建

曹红松, 刘 闯, 张会锁, 刘鹏飞

(中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051)

1 兵器工程实体教学和实验中的制约问题

兵器类实验是兵器专业(武器系统与发射工程、探测制导与控制技术、弹药工程与爆炸技术、地面武器机动工程等7个专业)学生的必修课程,包括基础类、综合类、研究类以及设计类4个层面的实验。在以往的真实实验教学中遇到了很多实际问题。

(1) 高危实验。火炸药静爆实验、火炮发射外弹道实验等属于高危实验,涉及的专用设备多、实验成本高,学校往往不具备开设真实实验的条件。

(2) 实验机理无法展现。例如火药燃烧规律、弹箭飞行过程中空气作用机理、战斗部爆炸毁伤元产生的机理等无法用真实实验再现。

(3) 不能紧跟新式兵器的发展。受资金、场地的限制,很多新式武器未装备实验室,现有武器台套数有限,学生参与程度低或者只能观看一些演示实验,无法满足学生实际动手实验的需要。

(4) 兵器设计类软件未能应用于实验教学,许多优质的虚拟实验教学资源无法开放共享。

由于很多实物实验教学不具可行性,不利于培养学生的实践动手能力和创新意识。

2 兵器工程虚拟仿真实验教学平台建设

2010年5月,中北大学依托军工专业的优势和良好的产学研合作平台,正式成立了兵器工程虚拟仿真实验教学中心。中心在实验室建设、软硬件配置、虚拟实验教学课件研发、教学网站建设、虚拟仿真实验教学队伍建设等方面取得了丰硕成果。2013年，中心被评为山西省兵器工程虚拟仿真实验教学中心。中心借助本校特有的兵器技术优势和军民融合产学研合作机制,规划建设了虚拟演示类、作用机理仿真类、兵器设计类、兵器测试类等4类实验教学资源,搭建了兵器虚拟拆装及原理演示、兵器作用机理仿真、兵器半实物仿真、兵器创新设计4个实验平台,初步形成了兵器基础综合类实验和测试类实验虚实结合、兵器作用机理类实验纯虚拟仿真、兵器创新性设计实验虚拟设计的虚拟仿真实验教学特色和优势。

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2.1 虚拟仿真实验教学平台结构

实验平台提供给学生虚实结合的兵器虚拟观摩、拆装练习、兵器作用过程中各类虚拟仿真、半实物仿真与验证、先进虚拟样机设计的学习平台,主要承担教学计划内的兵器概论、自动武器动力学、火炮设计、弹药设计、弹丸终点效应、兵器测试等30门课程的实验以及62个实验教学项目的任务,涵盖了本科生专业基础类、综合类、研究类、专业设计类课程的全部内容,形成了较完整的实验教学体系,平台结构如图1所示。

图1 兵器工程虚拟仿真实验教学平台结构

2.2 兵器虚拟拆装及原理演示实验平台

兵器虚拟拆装及原理演示平台采用先进的虚拟现实技术、多媒体技术、网络技术,能够形象、生动地展现兵器结构及其作用原理。该平台主要支持基础性及综合性兵器类实验的教学任务,通常与真实实验结合——课内进行真实实验,课外进行虚拟实验。目前该平台有课件48个,涵盖兵器虚拟观摩、分解演示及虚拟拆装练习,支持枪、炮、弹药、引信类的兵器概论、自动武器概论、陆战机动平台构造等8门课程的18个实验项目。实验中心对中北大学常规兵器科技馆的全部馆藏兵器进行了数字化,部分兵器可进行网上三维多角度旋转、缩放等虚拟操作,例如枪械虚拟拆装练习系统和轻机枪的击发发射过程演示课件。

(1) 枪械虚拟拆装练习系统。自行研发了多套虚拟拆装课件,支持本科生“兵器概论”课程的枪械虚拟拆装实验。学生可以在网上对乌兹冲锋枪等枪械分步进行虚拟分解,也可以在视景仿真实验室的沉浸式虚拟拆装实验平台上进行枪械虚拟拆装练习。

(2) 轻机枪击发发射原理演示课件。自主研发了包括轻机枪在内的多套枪械击发发射过程演示课件,能形象、生动地展现击发时内部机构的动作、火药燃烧、弹丸的运动等过程(见图2)。

图2 轻机枪击发发射过程演示

2.3 兵器作用机理仿真实验平台

该实验平台支持自动武器的动力学原理、火炮发射动力学、弹药终点效应、弹箭空气动力学、兵器有限元基础等12门专业理论课程的实验教学,每门课程大约有2学时的实验,共有23项26学时实验。

兵器作用机理仿真实验对兵器作用过程中火药燃烧、炸药爆炸、运动中的激波作用等复杂的物理、化学机理进行数值仿真,包括机构动作、发射过程中火药燃烧、弹药爆炸过程等,还可以进行参数优化和影响因子分析。该实验平台可将教师的科研成果转化为教学课件,指导学生进行兵器设计的数字仿真,既能通过仿真实验研究兵器作用机理,又能让学生学习计算机辅助设计和仿真技术。典型的实验项目是火炮发射时药筒的受力分析实验和弹箭飞行外流场仿真实验。

(1) 火炮发射时药筒的受力分析实验。通过科研合作开发的弹药膛内发射时药筒的动力学过程仿真系统,最终转化为本科生的“有限元理论及应用”“火炮发射动力学”等课程实验,利用有限元法揭示了药筒在高膛压下的膨胀、塑性变形(见图3)和回弹的作用机理,解决了实验现象通过真实实验不可见的问题。

(2) 弹箭飞行外流场仿真实验。将科研成果弹箭外流场仿真计算方法[7-9]转化为本科生“弹箭空气动力学”课程实验,通过流体力学仿真技术揭示不同飞行速度下火箭弹弹体的外流场特性(见图4),可为弹箭的外形设计提供优化方案。

图4 弹体飞行时的气流速度云图

2.4 兵器半实物仿真实验平台

兵器半实物仿真实验平台包括半实物仿真实验和兵器虚拟测试类实验。半实物仿真实验是通过软硬件设备模拟兵器作用的环境,对数值仿真的结果进行实验验证。开发的内外弹道计算及终点效应计算软件配合实验视频,可进行虚拟兵器测试类实验,支持兵器类专业的弹道学、终点效应5个虚拟实验。可以对不同兵器的实验参数进行设置和修改,察看实验曲线、参数等实验结果,从而解决了弹道实验成本高、需要专业靶场的问题。以下为典型的半实物仿真实验系统。

(1) 制导弹药导航制导环境模拟实验系统。如图5所示,对火箭弹控制系统进行半实物仿真的主要目的是研究控制系统各部件动态特性及各部件对精度的影响,验证控制系统数学模型的正确性[10]。半实物仿真实验可以在室内模拟制导弹药在靶场或真实战场的飞行情况,弥补了外场实验成本高、危险性高的问题,可以通过改变控制参数使学生参与半实物仿真实验设计,开拓学生的创新能力。

图5 制导弹药导航制导环境模拟实验系统

(2) 外弹道虚拟实验系统。如图6所示,基于视景仿真技术的外弹道虚拟实验软件[11],可进行虚拟靶场、兵器的选择,外弹道实验参数设置,实验结果的统计、外弹道曲线的察看,支持本科生“弹道学”课程实验。兵器测试类实验通常属于高成本、高风险、严重受条件限制的实验,虚拟兵器测试实验解决了高危实验缺乏真实实验环境的问题,同时又培养了学生的设计能力、动手能力和工程应用能力。

图6 外弹道虚拟实验系统

2.5 兵器设计类实验平台

该类实验平台由教师开发的具有自主知识产权的设计软件、购买的虚拟现实开发平台软件Vizard、Visionary Render以及配套硬件设备组成,支持自动武器设计、火炮设计、弹药设计等5门课程的虚拟设计实验,支持学生的毕业设计。实验中心教学科研团队基于校企合作项目开发的兵器设计仿真系统具有实用性,学生可利用该系统进行创新设计。兵器设计类实验平台是学生利用虚拟现实技术、三维建模技术等先进技术进行兵器创新设计的平台。

(1) 智能弹药作战使用仿真系统。如图7所示,本中心开发的智能弹药作战使用仿真软件,以三维视景方式仿真弹药的布撒、目标的探测及毁伤的过程。通过修改参数进行作战场所、攻击弹药的选择,仿真作战效果,从而培养学生的设计能力。该系统支持弹药专业本科生的课程设计实验。

图7 智能弹药作战使用仿真系统

(2) 基于虚拟现实平台的兵器创新设计。虚拟现实技术实验平台是一个功能完备、设备先进、具有鲜明特色的虚拟交互平台,具备良好的科研环境和教学实验环境。借助该平台,学生既能学习虚拟现实技术和沉浸环境下的交互技术,也能在其硬件平台上进行开发,为本科生的课程实践、课程验证等提供优质的实验操作平台,以培养学生的实践和创新能力。

3 虚拟仿真实验教学中心特色与创新

3.1 军工特色

以中北大学办学思想为指导,面向行业、服务军工、服务国防建设。在实验教学过程中,针对很多课程的真实实验难以完成或不具备真实的实验条件的问题,例如爆炸实验、火箭弹发射外场实验、真实实验无法观察兵器作用机理等问题,通过虚拟仿真、动画演示进行兵器作用机理、兵器虚拟测试等实验得到了解决,实现了虚实结合、优势互补。

3.2 自主开发

虚拟仿真实验教学中心注重实验教学资源的自主开发和科研成果的转化,先后开发了具有完全自主知识产权的兵器虚拟拆装实训课件、枪炮内外弹道设计计算、基于虚拟视景的外弹道实验系统、成型装药战斗部设计软件、火炮虚拟样机设计数字化平台、弹药CAD/CAE系统等大型实验平台用于实验教学。实验教学资源涵盖了本科生兵器概论等基础课、自动武器动力学等理论课、弹丸设计等设计课以及兵器测试等实验课程教学,可支持学生的毕业设计；形成了完整的实验教学体系，以及兵器基础综合类实验虚实结合、兵器作用机理类实验纯虚拟仿真、兵器创新性设计实验虚拟设计、兵器测试类实验虚实结合、兵器知识层次递推的实验教学模式。

3.3 教学与科研结合,注重科研成果转化

中心与10余家企业合作,形成了“技术研究—科研成果—社会服务—实验教学”的“产、学、研、用”良性循环。在学校指导下,中心采取共同开发、共建实验室、优势互补等多种方式开展与企业的长期、深度合作,形成了共建、共管的资源建设新模式。

产学研合作一方面为企业的兵器设计、生产及试验解决了科研难题,提高了企业效益；另一方面合作产生的科研成果极大地丰富了教学资源,将其转化为教学课件,为学生进行虚拟仿真兵器设计、虚拟兵器测试实验创造了条件。大量的设计软件为本科生提供了创新设计平台,结合创新设计大赛、兵器设计大赛等赛事,培养学生的创新能力和综合工程素质。

4 结语

兵器工程虚拟仿真实验教学中心将紧紧抓住军民融合、科技强军的发展机遇,进一步加强信息化建设,拓展与高校、科研院所的合作范围,深化校企合作,扩展虚拟仿真实验教学资源,完善共建共享机制[12-13],提升资源建设效益。