炸药摩擦感度测试系统虚拟实验教学平台建设

冀威 徐宇轩 王韬

摘 要：随着高等教育的深化改革和招生规模的急剧扩大，国内的高校普遍陷入实验教学的困境。基于此，本文利用虚拟现实、可视化和网络通信等技术软件开发了炸药摩擦感度测试虚拟实验教学平台。通过利用该平台进行摩擦感度测试系统及设备组成的认知、实验操作过程、系统组装等过程，解决了爆炸性实验教学受危险性、实验成本和实验室场地等资源限制的难题，能够较好地适应新时代教学改革的需求，对改革传统教学方法、共享教育资源、提高教学水平和节约投资等方面都具有重要的实践意义。

关键词：3Dmax软件; 虚拟仿真技术; 摩擦感度测试; 实验教学

中图分类号：TQ560            文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）2-170-002

炸药摩擦感度是指在摩擦作用下，炸药发生燃烧或爆炸的难易程度。摩擦感度是炸药能否实用的关键性能之一，是炸药安全性和作用可靠性的一个重要指标[1，2]。摩擦感度作为特种能源工程与技术的专业实验课程，由于炸药的物理、化学性质（如聚集状态、表面状况、熔点、硬度等）均可影响炸药的摩擦感度[3，4]，此外传统的实验教学方法陈旧，管理上技术力量薄弱，设备落后，实验室利用率较低，学生的实践时间受到限制，在加上摩擦感度本身实验的准备周期较长、实验人数较多、成本较高，因此在实验过程中存在的不安全因素较多，因此在教学实践环节中，一般通过演示展示实验过程，学生完成数据处理后即结束实验，缺少动手能力，这不利于培养学生的实践能力和创新能力。随着计算机技术的迅速发展，虚拟仿真技术成为解决这些难题的有效手段[5-8]。

教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，在2013年开展建设国家级虚拟仿真实验教学中心，每年批准建设100个国家级虚拟实验教学平台[10]。虚拟现实的概念提出于20世纪70年代，90年代初开始受到广泛重视，并得到了快速发展， 目前已经发展成涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术、心理学、人类工程学等学科领域的一项综合技术。虚拟实验用其独特的优势解决了这些问题。它采用仿真的方法，综合运用人机交互、多媒体集成、网络、虚拟现实等技术，充分发挥了现代信息技术的集成性、可视性和交互性，打破了传统实验教学在时空上的限制，扩展了实验内容的深度和广度，减小了实物实验对实验者造成伤害、对环境造成危害和对实验设备造成损耗的可能性。另外，虚拟实验中，计算机可以不厌其烦的重复一些工作，获取各种可能的结果。同时，虚拟实验还可以模拟一些一般情况下难以实施的实验，或将错误结果模拟出来，使实验者知道相应错误操作带来的严重后果。它有益于校际之间、学校与社会之间的技术信息交流。

因此，为满足特种能源工程与技术专业实践教学的实际需求，培养出高级复合型应用人才，本文利用三维虚拟技术、人机交互和数据库等技术，以实验室MGY摆锤式摩擦感度仪为对象，建立摩擦感度测试系统虚拟教学平台，生动地展示摩擦感度测试过程以及炸药的装配等过程，加深学生对摩擦感度实验原理和操作过程等认识和理解，对改革传统教学方法、共享教育资源、提高教学水平和节约投资等方面都具有重要意义。

1.虚拟实验教学平台的构建

立足于特种能源工程与技术专业的实验教学实际需求，以培养适应21世纪我国国防现代化建设和特种能源发展需求的，德智体美全面发展的、高素质应用型高级专业人才为目标，分析论证摩擦感度实验的设计方案，对实验原理、实验过程和实验相关设备进行虚拟仿真设计，达到完成实验教学的目的。

1.1装置实验及原理

摩擦感度实验是在MGY摆锤式摩擦感度仪上进行的。摩擦感度测试系统包括加载缸、压杆、爆炸箱体、摩擦带、摩擦装置、鉴定块、压缩机和控制箱等模板组成。摩擦感度仪的基本原理是在两滑柱间放置炸药试样，在恒定的挤压压力和悬置一定角度的摆锤自由下落的外力共同作用下，使上下滑柱间发生水平移动产生摩擦力对炸药试样作用，观察爆炸与否。

1.2摩擦感度仪仿真模型的建立

首先以实验室MGY摆锤式摩擦感度仪为对象，利用3Dmax软件对摩擦装置主体部件、炸药试样、摩擦装置（滑柱和滑柱套）、击杆、冲击缸、控制箱等主要组成部件，对连接设备的各种部件进行1：1的仿真建模，原景还原实验室摩擦感度测试装置。同时利用Virtools软件平台构建摩擦感度测试系统虚拟教学平台，对一些难以讲解的仪器内部构造结构，通过三维图像形象的表达出摩擦感度的工作原理。分析摩擦装置操作过程和样品是否爆炸判据，对实验过程每个步骤进行全方位的展示。通过对摩擦感度测试系统虚拟教学平台的操作，使学生在寓教于乐中学习，达到无成本安全操作的目的。

2.虚拟教学实验平台的组成

摩擦感度测试系统虚拟教学平台包括装置系统展示、自由巡检、虚拟操作和设备虚拟组装等。

2.1装置系统展示

将摩擦感度测试装置各个模板单独孤立起来，以三维动图的形式展示出来，使各个模板的組成、安装、拆装和模具安放位置等清晰无误地展现在学生面前。学生可以通过鼠标左右键改变观察视角和大小，来学习掌握整个装置的组成，增强学生对摩擦装置及工作原理的认识。

2.2自由巡检

学生可以在整个模板中虚景遨游，自由巡检，通过鼠标操作对整个实验过程进行虚拟运行，深化对设备及工作原理的理解。巡检重要组件时，还可以对组件（如摩擦装置、摩擦装置摆放位置）的内部构造有一个系统的理解，以充分了解摩擦装置的结构特性。

2.3虚拟操作

学生以各个操作步骤为基准，模拟摩擦感度测试过程，可以通过控制界面对炸药颗粒样品选择过程、称量过程、模具组装等过程进行控制。之后与现场试验作对比，尽量把实际操作过程中可能带来的风险降为零。虚拟操作过程包括：炸药颗粒样品准备、摩擦装置组装、实验过程、爆炸判据等。

2.3.1试样的选取。对于挤压成型的各种火炸药，应先粉碎，对于均质炸药用實验筛选取0.2-0.45mm的药粒;对于复合固体推进剂，应先去掉方坯药20mm边皮，沿浇注方向取样，沿浇注方向取样，用切片机切成厚度0.55mm的药片;对于单质炸药，直接筛取尺寸在0.2-0.45mm的炸药药粒。

选取试样后，所有试样都需均匀分散在表面皿内（厚度不超过3mm），放在水浴烘箱或真空烘箱中烘干，干燥温度40-60℃，干燥时间2-4h;烘干后放在干燥器中冷却2h待用。试样选取的过程采用ANSYS前处理程序建立药片模型和干燥模型，根据试样的不同选择不同的处理方式。

2.3.2摩擦装置准备。摩擦感度仪的关键部件摩擦装置包括上、下滑柱和套杆，以及长击杆，依据实际测量尺寸对其进行仿真模型的建立。将符合要求的滑柱套、滑柱用航空洗涤汽油、工业丙酮洗涤干净，再用干净的绸布擦拭干净，放在干燥器内待用。将选取好的试样小心的倒入装有下滑柱的滑柱套内，适当晃动在将上滑柱轻轻放入，并轻轻转动2圈，保证试样均匀分布在整个滑柱面上。

2.3.3实验过程。摩擦感度仪主要通过液压管道自动加载及卸载压力。液压系统主要包含速度调节杆、压力调节杆、加压和卸压按钮、启动和停止按钮以及相应的指示灯等控制部件， 按实际尺寸构建并应用不同颜色区分功能。实验过程中首先开启通风设备按钮，将装好试样的摩擦装置放入摩擦感度仪的燃烧室内，关闭透明防护罩。将摆锤升至测试角固定。启动“加载启动”按钮，使试样在滑柱套内被加压到规定压力，然后将击杆沿导向孔推进至顶住上滑柱，按规定摆角释放摆锤撞击击杆，使得上滑柱滑移一定距离。观察试样受摩擦作用时发生的现象。按下卸载按钮，系统自动恢复到初始状态，依次测完25发实验。

2.3.4爆炸判据。试样受摩擦作用时发生的现象有两种：发火或者不发火。

因此判断是否发火的判据是：

发火包括全爆、半爆、燃烧和分解。其中全爆是指有明显的爆炸声、冒烟、药剂爆炸完全，击柱面留有爆炸物残渣。半爆是指有爆炸声、冒烟、有剩余药剂，击柱面留有燃烧物残渣和少量药剂。燃烧是指有火焰、冒烟、药剂燃烧完全和不完全，击柱面留有燃烧物残渣。分解是指看不见冒烟、药剂变色，且预留大部分药剂;击柱上面留有轻微的黑色反应物残渣。

不发火：没有爆炸声、不冒烟、药剂不变色。

2.3.5数据处理。实验结束后，用爆炸百分数表示出实验结果，通常进行两组平行实验并进行对比。两组实验结果的算术平均值作为该实验炸药试样的摩擦感度值。最后比较参与摩擦感度实验的各种炸药爆炸百分比，就能大致确定参与实验的各种炸药摩擦感度的大小。一组（25发）实验的爆炸概率点估计值（简称爆炸概率）计算公式为：

P=X/25，式中：P为爆炸概率;X为25发实验中发生爆炸的次数。

2.4设备虚拟组装

考虑到试验的完整性和综合性要求，虚拟仿真平台设置了虚拟整机装置环节。首先模拟系统给出MGY摆锤式摩擦感度仪的全部配件，学生按照固定顺序进行安装（装配顺序依次是：实验平台、螺杆、防护罩、主体杆件、螺帽、摆锤、液压管道、压力表等部件模型。摩擦装置装配顺序是滑柱套、下滑柱、药片、上滑柱），熟练后自主完成装配，系统按照装配完成情况进行打分，从而使学生可以完整无误的组装完成。摩擦感度测试系统虚拟教学平台可以原景还原摩擦感度仪操作过程的各个环节及其数据的处理过程，摆脱传统的教学环节，真正达到身临其境的教学效果。

3.结论

摩擦感度测试系统虚拟教学平台充分发挥了计算机仿真技术的优势，克服了炸药摩擦感度实验过程中高危险、高成本的缺点，虚拟操作过程形象的展示了实验过程环节，使学生更好的与实际试验过程相结合。“虚实结合，先虚后实”的新的实验教学模式实现了复杂操作系统—局部细节认知—整体特性反复认知的过程，使学生对理论知识的理解更加深入，提高其实验兴趣和动手操作能力，为特种能源工程与技术专业学生提供虚拟实验条件，开设静电感度试验、爆速、爆压等实验课程。

基金项目：西南科技大学素质类专项资助项目：219/17xn0016

参考文献：

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