過程設備設計實驗教學改革與實踐

1、過程設備設計實驗教學改革與實踐過程設備廣泛應用于石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展至關重要。過程裝備與控制工程專業(yè)是專門培養(yǎng)過程設備行業(yè)從業(yè)人員的本科專業(yè)。無論是當前我國普遍實施的工程教育專業(yè)認證，還是新時代下企業(yè)對工程技術人才的實際需求，均明確需要過程裝備與控制工程專業(yè)的學生具備良好的創(chuàng)新意識，并能夠運用現(xiàn)代工具分析、處理復雜工程問題1。過程設備設計作為過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，涉及石油、化工食品、醫(yī)藥、環(huán)保等設備設計的理論基礎，是培養(yǎng)本專業(yè)學生工程與創(chuàng)新能力的重要載體，而綜合性、創(chuàng)新性的實驗教學則是培養(yǎng)本專業(yè)學生的工程實踐與創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)2。過程設備設計的典型特點

2、是理論性強、內容抽象，同時學生力學基礎有限，因此學生對該課程及實驗的興趣較低。眾多高校教育工作者進行了教學改革嘗試3-5。為進一步提高教學內容的創(chuàng)新性與實踐性，部分教育工作者嘗試將CAE技術引入過程設備設計的教學實踐中6-8，以幫助學生理解基本概念及難點問題，激發(fā)學生的學習興趣。我校過程裝備與控制工程專業(yè)的過程設備設計實驗教學，以傳統(tǒng)驗證性實驗為主，難以滿足創(chuàng)新型、復合型人才培養(yǎng)的要求。結合筆者的教育實踐，該文以內壓容器應力測試實驗為例，通過融合CAE仿真技術，探索過程設備設計的綜合性、創(chuàng)新性實驗教學的改革與實踐，以提升實驗教學的效果與質量。 1傳統(tǒng)內壓容器應力測試實驗 回轉薄壁殼體、平板及不

3、連續(xù)應力分析等內容是過程設備設計的重點與難點之一，是壓力容器設計的理論基礎。該部分內容的傳統(tǒng)實驗項目為內壓容器應力測試。傳統(tǒng)實驗針對不同形式的封頭以及封頭與筒體連接區(qū)域的邊緣應力進行測試，分析總結應力的分布規(guī)律，以驗證理論分析結果，并加深學生對邊緣應力的理解。然而傳統(tǒng)實驗教學所采用的容器結構單一、固定不變，不便于開展創(chuàng)新性實驗教學。同時，由于傳統(tǒng)實驗教學多年來一直受驗證型實驗教學模式以及“重理論、輕實踐”傳統(tǒng)思維定勢的影響，使實驗教學以驗證理論教學結論為主，導致實驗教學形式過于簡單，學生對實驗的興趣不高，不能達到實驗教學目的。傳統(tǒng)驗證性的過程設備設計實驗教學已經(jīng)難以滿足本專業(yè)創(chuàng)新型、復合型人才

4、培養(yǎng)的需求。 2融合CAE技術的實驗教學 針對上述傳統(tǒng)實驗教學存在的不足，筆者在教學實踐的基礎上，充分利用CAE技術不受實驗教學的設備、時間和空間局限，以及易于開展創(chuàng)新性研究的優(yōu)勢，結合啟發(fā)式和學生主題式教學法，以內壓容器應力測試實驗為例，設計了融合CAE仿真技術的綜合實驗教學流程，整體流程為：(1)實驗課前，學生預習實驗內容，完成所測試容器的CAE仿真分析，設計恰當?shù)膽兤贾梅桨?，并撰寫預習報告。(2)實驗課中，實驗教師指導學生利用應變電測法完成容器外壁應力測試，并對比實驗測試與CAE仿真的結果，分析與總結兩種方法的異同與優(yōu)劣。(3)實驗課后，指導學生進行拓展研究，即針對復雜工程案例，利用

5、CAE技術探索不同結構形式、參數(shù)下容器的應力分布，并完成實驗報告。具體的教學實施過程如下。實驗前，學生需要思考如何將實際的受壓容器抽象為可以計算的CAE模型。在這一過程中，學生需要解決的問題有：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度。學生通過對比實體、殼體，二維、三維等CAE模型的不同特點，并結合實驗容器的結構與載荷及約束特點，選擇了1/4三維殼體模型；根據(jù)理論教學中的邊緣應力分布特性，確定了模型中的筒體長度；結合容器在內壓作用下的變形特點，確定了模型的約束形式。在建立仿真模型的過程中，不僅鍛煉了學生運用現(xiàn)代分析工具的能力，更培養(yǎng)了學生聯(lián)系理論與實際的能力。

6、通過求解所建立的仿真模型，得到了容器外壁的應力分布規(guī)律，如圖1所示。學生通過分析與總結外壁應力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)筒體與封頭連接區(qū)域的應力具有顯著的局部特性，并與理論課堂中的分析結果進行對比，進一步加深了對邊緣應力分布特性的直觀認識，也了解了不同結構形式的封頭所導致的邊緣應力大小不同。同時，學生通過變形圖(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，并且發(fā)現(xiàn)變形協(xié)調后的筒體形狀與環(huán)向應力分布的輪廓形狀一致，進而認識到環(huán)向應力導致殼體的周向長度被拉長，但封頭與筒體的拉伸程度不一致導致了邊緣應力，從而對邊緣應力的產(chǎn)生有了更加直觀、深入地理解。結合利用CAE仿真得到的邊緣應力分布曲線，

7、學生認為，為了在實驗測試中獲得較為準確的邊緣應力分布，應在存在邊緣應力的區(qū)域布置較為密集的測試點，而在邊緣區(qū)外，可布置少量測試點。實驗過程中，實驗教師指導學生利用應變電測法測量容器外壁應力，并繪制沿容器母線的外壁應力分布曲線，與CAE仿真結果對比。學生發(fā)現(xiàn)兩種應力結果的分布規(guī)律一致，但部分測試點的誤差較大，學生們通過分析，認為可能原因有：容器局部形狀不規(guī)則、封頭存在拉伸減薄、應變片粘貼誤差等。通過對比，學生更加深刻地理解了CAE仿真與實驗測試的關系：CAE仿真具有成本低、周期短、查看結果方便等特點，然而工程中的CAE仿真需要通過實驗測試來驗證模型及分析結果是否正確。同時，CAE仿真結果又可指導

8、實驗測試，確定結構中需測試的關鍵部位。經(jīng)過分析討論，學生意識到結合二者是解決工程實際問題的有效途徑，同時學生也普遍表示，將CAE融入傳統(tǒng)實驗教學，能夠激發(fā)學習興趣，克服傳統(tǒng)實驗教學模式中的單調乏味。實驗結束后，學生進一步利用CAE技術研究了復雜容器結構的應力分布。例如部分學生對某工程案例中，內壓作用下橢圓封頭開孔接管部位的應力進行了分析，更加清晰地認識了開孔接管部位的應力集中情況，并進一步討論了接管與封頭壁厚的變化對應力集中程度的影響。這種拓展性的研究，不僅能夠鍛煉學生解決問題的能力，更能夠培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力，啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識。 3結語 將CAE技術融入過程設備設計的傳統(tǒng)實驗教學中，可進

9、一步強化學生的課堂理論知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，并使學生應用分析理論與現(xiàn)代工具解決工程實際中容器應力分析相關問題的能力得到訓練，同時也能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，開闊學生的學術視野。 參考文獻 1余壽文工程教育評估與認證及其思考J高等工程教育研究，2015(03)：1-6+24 2賈永霞創(chuàng)新性實驗教學的探究與實踐J實驗室研究與探索，2018，37(12)：206-208 3龔曙光，周衛(wèi)平，謝桂蘭，等封頭邊緣應力自動測試實驗裝置的研制J實驗室研究與探索，2004(10)：30-33 4趙杰，呂濤，張衛(wèi)義，等基于工程應用能力培養(yǎng)的過程設備設計課程改革與實踐J化工高等教育，2015，32(04)：3

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11、-2119:432、只有收獲，才能檢驗耕耘的好處；只有貢獻，方可衡量人生的價值。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，也不要辜負了所受的苦難。19:432.23.202119:432.23.202119:4319:43:532.23.202119:432.23.20214、找一個理由，否認憂傷，笑容就會燦爛到無所不在。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:535、成功與不成功之間有時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43分7時43分23-2月-212.23.20217、青春如此華美，卻在煙火在散場。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、真正沒有資格談明天的人，是那個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果，就必須采取同樣的行動。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:535、我們的生命，就是以不斷出發(fā)的姿勢得到重生。二月 21星期二, 二月 23, 20212/23/20216、只要站起來的次數(shù)比倒下去的次數(shù)多，那就是成功。7時43分7時43分23-2月-212.23.20217、自知之明是最難得的知識。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識自己。二二一二二一年二月二十三日2021年2月23日星期二3、有勇氣承擔命運這才是英雄好漢。19:432.23.202119:432.23.202119:4319:43:532.23.202119:432.23.20214、與肝膽人共事，無字句處讀書。2.23.20212.23.202119:4319:4319:43:5319:43:53