海洋工程结构物设计虚拟仿真实验平台建设及其在教学中的应用

陈振雷 石凡 于春令

摘  要：虚拟仿真实验可以为教师提供更多的教学资源和教学手段，帮助其更好地组织和实施教学活动，提高学生的学习效果和参与度。基于其丰富多样的教学资源和灵活的教学方法，虚拟仿真实验在当前的教学活动中扮演着越来越重要的角色。该文以船舶与海洋工程结构物设计学科的课程改革为背景，详细阐述结合工程案例的虚拟仿真实验平台建设过程及其在教学中的应用。该文所建立的海洋工程结构物虚拟仿真实验能够帮助学生更加深入了解船舶与海洋工程结构物设计方法与流程，提高学生实际工程设计、分析的能力。

关键词：虚拟仿真实验；教学平台；工程案例；教学效果；工程设计

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：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

虚拟仿真实验是一种基于计算机模拟技术和模型仿真的虚拟实验方法。它通过在计算机环境中创建虚拟的实验场景帮助人们体验在真实环境中的各项实验操作，能够为各个领域的研究人员和学习者提供高效、安全、灵活的实验平台[1-2]。

在虚拟仿真实验中，学习者在虚拟环境下可以通过虚拟设备或界面对各种实验操作进行控制和调整，如操控虚拟仪器、调整实验参数或观察实验现象。相比于传统的实验方式，虚拟仿真实验能够提供更加多样化的实验环境，它能够帮助学习者模拟和研究不同的实验情况，观察和分析不同实验条件对结果的影响。另外，虚拟仿真实验还具有低成本、低风险、可重复和易于学习等多方面的优点，因此，该实验方法已经被广泛应用于各个领域，包括如科学研究、工程设计、教育培训等各个方面。通过虚拟仿真实验，研究人员和学习者可以在虚拟世界中快速进行各项实验操作来分析和学习各种实验项目，帮助改进理论模型、优化设计方案和提高实践技能[3-4]。

虚拟仿真实验目前在教学活动中已经起到了十分重要的作用，成为教学活动中的一个必不可少的教学环节，能够为教师和学生提供多方面的支持[5-6]。

丰富的教学资源：虚拟仿真实验可以提供丰富多样的教学资源，包括虚拟实验场景、模拟器、交互式学习材料和实验数据等。这些資源可以作为教师教学的辅助工具，丰富教学内容，帮助教师更好地展示和解释教学内容，提高学生的学习积极性，帮助学生更好地进入到学习状态中。

强化学习活动：虚拟仿真实验可以用于设计和组织各类学习活动，如实验课、小组讨论、问题分析与解决等。教师可以根据学生的学习进度和需求，选择和设计合适的虚拟实验活动，加深学生对课程理论知识的理解，帮助学生更好地掌握所学内容。

自主学习支持：虚拟仿真实验可以为学生提供一个更加自由的学习环境。教师可以根据教学计划为学生提供虚拟实验的指导文档、教程和任务，引导学生在课程学习前后独立完成相关实验的学习和操作。教学过程中，教师还可以通过虚拟仿真实验平台监测和评估学生的自主学习过程进展，及时给出指导和建议。

教学评估和反馈：虚拟仿真实验平台能够帮助教师记录学生在虚拟仿真实验过程中的操作和结果。根据仿真教学平台中记录的学生实验数据，教师能够及时有效地了解学生在实验过程中对所学实验内容的掌握程度。据此，教师能够更好地了解到学生在学习过程中可能存在的问题，可以及时给予学生反馈和指导，帮助他们更好地掌握实验技能和理论知识。

教学创新和研究：虚拟仿真实验能够为教师提供一个用于教学创新的研究平台。教师可以通过设计和开发虚拟实验内容、探索实验数据的分析方法和应用等，拓展教学方法，丰富教学内容，提升教学水平和专业能力。

总的来说，虚拟仿真实验可以为教师提供更多的教学资源和教学手段，帮助他们更好地组织和实施教学活动，提高学生的学习效果和参与度。同时，虚拟仿真实验也为教师的教学创新和教学研究提供了机会和支持。为了培养学生的工程实践能力和提高学生的创新意识，宁波大学船舶与海洋工程系基于结构物设计方向建设了“海洋工程结构物设计、运行分析虚拟仿真实验”的虚拟仿真教学项目。本文将详细阐述该虚拟仿真实验平台的建设过程及其在教学中的应用。

一  平台介绍

（一）  项目背景

基于数值模拟方法的船海工程结构物设计是一种先进的设计方法，其利用数学模型和计算机仿真技术，对船舶和海洋工程结构物进行全面的设计和分析。

在這种设计方法中，首先需要建立数学模型来描述船舶或海洋工程结构物的行为。这些模型通常涉及流体力学、固体力学及相应结构分析等多个学科领域的知识。通过对实际问题进行抽象和简化，建立合适的数学方程和边界条件，可以准确地描述结构物在不同工况下的运动、受力和变形等情况。

然后利用计算机仿真软件，将数学模型转化为计算模型，并进行数值计算。通过数值方法，可以对结构物的性能进行预测和评估，包括船舶的航行性能、动力性能、海洋工程结构物的强度、稳定性和可靠性等方面。

为了提高学生在船海工程结构物设计相关课程方面的学习效果和实践能力，我们建立了“海洋工程结构物设计、运行分析虚拟仿真实验”教学网站。该教学网站是基于船舶与海洋工程结构物设计方向的仿真教学平台，为学生提供了一个安全、高效、全面的学习平台，以促进他们对结构物设计领域的深入理解和实践能力，为未来的研究和学习奠定坚实的基础。

（二）  教学目标

虚拟仿真实验平台主要包括以下三个方面的教学内容。

1）借助于SPD三维设计软件的教学与实操环节，结合船舶与海洋工程结构物设计规范与标准以及相关专业理论基础知识[7-8]，实现结构物三维模型建立与虚拟装配，让学生了解船舶与海洋工程结构物设计方法与流程。

2）利用Hypermesh、Fluent、Abaqus等工程仿真分析软件，对某船舶与海洋工程结构物三维模型进行设计工况下力学性能仿真建模计算[9-10]，并对应力场、应变场、流场计算结果进行后处理分析与评估，让学生掌握结构物的力学性能分析方法。

3）利用虚拟仿真教学环境的实时交互功能，通过改变结构物的关键设计参数以及典型设计工况参数，对比分析结构物的强度与稳定性，让学生掌握结构物力学性能的优化评估方法。

本虚拟实验仿真教学平台旨在通过以上教学内容，让学生通过实际操作和分析，逐步掌握船舶与海洋工程结构物设计的方法和流程，同时也能够理解和应用相关的理论知识。虚拟仿真实验平台为学生提供了一个综合性的学习平台，能够更好地促进其对船舶与海洋工程结构物设计领域的深入理解和实践能力的培养。

二  实验内容

（一）  仿真实验

本虚拟仿真实验教学平台主要包括以下三部分仿真教学实验。

1）船体结构建模设计。以某26000DWT散货船为例，采用SPD三维设计软件，结合船舶与海洋工程结构物设计规范与标准，以及相关专业理论基础知识，进行船舶结构的三维模型建立与装配。利用SPD三维设计软件，学生可以根据船舶与海洋工程结构物设计规范以及相关理论基础知识，对该散货船的结构进行三维建模。他们将学习如何创建船舶的主体结构，包括船体外壳、船舱、甲板等主要部分。通过在软件中使用几何图形、曲线和曲面等工具，学生可以逐步绘制出船舶各个结构部分的几何特征。

通过这一实践过程，学生能够通过SPD三维设计软件获得对该散货船结构的全面了解。他们将学习如何应用设计规范和标准以及相关专业理论基础知识，进行船舶结构的三维模型建立与装配。这为他们进一步深入学习船舶结构设计和分析提供了良好的基础。

2）船舶结构物强度仿真分析。选取上述散货船船体中典型横剖面刚架、舷侧板架、船底外板为例，采用Hypermesh、Abaqus前后处理及仿真分析软件，对其进行设计工况下仿真建模及应力应变计算，并进行相应后处理分析与评估。基于Hypermesh软件，学生将学习船体结构中刚架、舷侧板架及船底外板的三维网格划分过程中；同时学生还将学习使用Abaqus软件来建立相应的数值模型，包括船体结构的材料属性、接触条件和加载条件等，并运行仿真计算。在仿真计算完成后，学生将进行相应的后处理分析与评估。他们可以通过Abaqus软件提供的后处理工具，对应力场、应变场进行可视化展示，并针对结构的强度、变形等方面进行评估。

通过以上的仿真建模、应力应变计算和后处理分析与评估过程，学生将能够深入了解该散货船船体中典型横剖面刚架、舷侧板架、船底外板的力学性能。他们可以分析结构的强度和稳定性，并针对性地进行优化设计，以提高船体的性能和可靠性。

3）船舶流体性能仿真分析。选取长21 m、舷高2.6 m的小船为计算分析对象，采用ICEM CFD、ANSYS Fluent两款工程仿真分析软件，就网格数量、航行速度、吃水深度等因素进行船舶阻力性能CFD计算与分析。图1为船舶流体性能仿真分析界面。首先，在ICEM CFD软件中，学生将根据小船的几何形状和尺寸，创建相应的计算域。然后进行网格划分，以构建合适的计算网格。学生需考虑网格的精细程度，确保足够细致的划分以捕捉小船的细节，并保证CFD仿真计算的收敛性及准确性。

此外，学生将利用ANSYS Fluent软件进行船舶阻力性能的CFD计算与分析。他们将设定航行速度、吃水深度等边界条件，并进行仿真计算。Fluent软件将根据初始设定的条件和计算网格，模拟小船在水域中的航行过程。

在仿真计算完成后，学生将进行相应的后处理分析与评估。他们可以通过Fluent软件提供的后处理工具，分析小船周围的流场、压力分布、力与阻力情况等，并根据计算结果评估小船的阻力性能。通过比较不同网格数量、航行速度和吃水深度等因素对阻力的影响，学生可以深入了解这些因素对小船性能的影响程度。

通过以上的船舶阻力性能的CFD计算与分析，学生可以获得关于小船的阻力特性、流场分布等方面的重要信息。他们可以根据仿真结果评估小船的航行性能，针对性地进行设计优化，以提高小船的推进效率和航行稳定性。

（二）  实际工程案例分析

本平台同时给出了某空调阀板的工程案例分析。该案例旨在分析该阀板在工作过程中的疲劳失效过程，建立相应的阀板有限元仿真模型并实现阀板疲劳断裂过程的故障再现，从而理清阀板的失效机理。本案例将基于所建立的仿真模型对阀板进行结构优化设计以提高其工作寿命，结合有限元计算验证分析过程的合理性，并进行结构优化直至满足要求。整个仿真过程主要分为三个阶段：有限元模型建立、强度分析及疲勞分析。图2为该阀板的CAD及失效模型。

通过分析空调阀板在工作过程中的疲劳失效过程，学生可以深入理解材料疲劳与断裂机制，以及与其相关的工程设计原则。这有助于学生理解材料性能、结构设计的理论知识及其与实际应用的关系。其次，通过建立相应的阀板有限元仿真模型，并实现阀板疲劳断裂过程的故障再现，学生能够亲身体验到有限元分析方法在解决工程问题中的重要性和实用性。他们可以学习如何使用专业的仿真软件进行结构设计和强度分析，并理解仿真结果与实际工程问题的对应关系。此外，通过基于所建立的仿真模型对空调阀板进行结构优化设计，学生可以了解到工程设计中的优化思路和方法。他们将学习如何定量评估不同设计方案的性能指标，并通过有限元计算验证优化结构的合理性。这有助于培养学生的工程设计能力和创新思维。最后，整个仿真过程分为有限元模型建立、强度分析和疲劳分析三个阶段，通过逐步实施不同的分析任务，学生可以掌握一个完整的工程仿真流程。他们将学会如何做出合理的假设和简化，并学习到如何选择合适的材料参数和加载条件，这有助于提升学生的问题解决能力和工程实践能力。

（b）  吸气阀板开裂前       （c）  吸气阀板开裂后

三  教学应用

该虚拟仿真实验平台主要面向船舶与海洋工程结构物设计方向的学生，整个教学实施过程总共分为4个部分，具体实施过程如下。

（一）  课前预习

该虚拟仿真实验平台为网上公开的教学资源，24小时向学生开放。在开始虚拟仿真实验教学之前，要求学生提前浏览虚拟仿真实验网站的相关内容，预习关于SPD三维设计软件、流体力学及固体力学仿真计算的相关知识，做好虚拟仿真实验的相关准备。

（二）  实验教学

该虚拟仿真实验教学需要结合工程力学、流体力学、结构力学和船体结构等相关课程展开，在开始虚拟仿真实验之前，授课教师需要讲解相关船体结构、数值计算方法、数学物理方法等相关知识，帮助学生更好地理解虚拟仿真实验的学习目标、学习内容和注意事项。同时教师还需要演练整个虚拟仿真实验过程，与学生进行充分讨论，帮助学生分析并解决实验中遇到的各种问题。

（三）  案例练习

完成课程学习后，继续引导学生开展课后的自主练习过程。在虚拟仿真实验平台提供的实际工程案例基础上，向学生布置练习任务，要求学生复现案例中的工程仿真流程，学会实际工程案例中模型建立、强度分析和疲劳分析等仿真分析方法。同时要求学生在规定时间内提交仿真模型、计算文件并撰写相应的学习报告。练习过程要求所有学生必须独立自主完成。

（四）  综合评价

教师根据学生提交的分析结果和学习报告进行考核评估，指出存在的问题并给出相应的考核分数。同时教师需要分析学生的整体学习情况并询问学生在虚拟仿真实验平台中的学习感受，找出课程教学中可能存在的问题后进行课程总结并在下一次课程教学前及时改正。

四  结束语

本文所建立的海洋工程结构物设计、运行分析虚拟仿真实验是面向船舶与海洋工程结构物设计方向学生的教学实验平台，具有以下特点。①学生可以根据自身情况，在课程学习前后反复观看实验平台中的相关内容，并在遇到问题时可以在实验平台中积极留言向学科教师咨询。该实验平台能够为学生提供一个相对自由和轻松的学习环境，使学生的学习能够不受时间和地点的限制。②该实验教学平台主要包括仿真教学实验和实际工程案例分析，能够为教师的课堂理论教学进行补充和扩展，让学生在获得课堂知识的同时，也能够了解到工程实际问题及其解决方法，对提高工科学生的工程分析能力和解决问题能力有较好的促进作用。

参考文献：

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