曲先强，谢耀国，刘红兵，张 猛，李中英

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学烟台研究院，山东 烟台 264000；3.哈尔滨工程大学国资处，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

2015年起教育部在国家级实验教学示范中心的基础上，启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，国家级虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化建设与实验教学示范中心建设的有机结合，是现代教学信息技术手段与实验教学深度融合的产物。国家级虚拟仿真实验教学的重点是采用现代化教学信息手段，结合现代化、信息化实验教学资源，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，达到真实实验不具备或难以完成的教学效果，让所有学生能够独立在虚拟仿真的软件环境中开展实验，以达到教学大纲所要求的认知与实践效果。国家级虚拟仿真实验教学中心的建设开启了虚拟仿真技术在实验教学中应用的新篇章，激发了实验教学的虚拟仿真技术研发的新高潮[1]。

1 国内外现状

目前我国已经在相关领域进行了多次实践与研究，并取得了一定的成果，侯慧等[2]对虚拟仿真实验的发展现状进行了归纳，探讨发展虚拟仿真实验的必要性，总结了虚拟仿真实验建设的不足之处，分析虚拟仿真实验未来的发展方式。肖仕鑫等[3]基于现有虚拟仿真实验案例，从实验教学理念、实验教学内容、实验教学资源、实验教学方法、实验教学流程五个维度，提出了四条教学策略。张敏[4]等总结了六方面高质量虚拟仿真实验教学课程内涵和特征，对课程建设和应用提供参考。

在材料学工程实验教学领域，马晓等[5]结合材料学科专业特色，采用“线上+线下+虚仿+实操”的混合式教学法，对航宇材料结构分析虚拟仿真实验教学进行了设计和实践。侯琼[6]等基于Unity3D的WebGL开发了轻质结构材料力学性能虚拟教学实验平台，有效解决了新材料设计实验教学难度大、成本高、耗时长等问题。

在船舶工程实验教学领域，宋磊等[7]将不同的船舶类型与实验水池进行结合，使学生可以直接自主设计船模阻力实验,全方位参与实验实践，突破了传统船模阻力实验教学中设施设备的限制。杨玉峰等[8]分析了目前航海仪器实验教学中存在的问题，提出基于虚拟仿真技术建设航海仪器综合仿真训练系统，开展虚拟仿真实验教学探索，使原理性实验可视化、单一验证性实验更加直观、综合性设计性实验能够动态展示。

在土木工程实验教学领域，赵群[10]从土木工程虚拟仿真实验教学体系的构建和现状出发，对现阶段中国土木工程虚拟仿真实验教学进行了简要探析，并对土木工程虚拟仿真实验教学体系构建提出了建议。

从现有研究成果来看，广大高等教育工作者充分利用各种虚拟仿真手段，开发了系列的基于虚拟仿真技术的实验课程，从实验教学的理念、内容、方法、流程等多个维度，全面提升了实验课程的内涵。

在大型结构类实验教学中仍存在如下困难：需要用到大型设备，台套数少、现场操作环境危险，调试复杂，作业时间长，运行成本高。由于试验设施和模型条件限制，通常仅能把学生分为几组，开展演示教学，学生不能参与试验设计和试验操作，只能参与部分试验数据采集与处理的工作，这种教学方法不能考核到每一个学生，也不能覆盖整个试验流程，导致教学效果不佳。

针对这种情况，结合实验室现有试验条件，设计了一套实验教学的软件系统，覆盖了模型设计、加载方案设计、测试方案设计等功能，与三维设计软件与有限元分析关键建立接口，为实验教学提供了一套简单有效的虚拟仿真手段。

2 现有实验设施介绍

目前，大型工程结构类实验中主要采用PXJ型全数字多通道协调加载系统，该系统主要参考了美国MTS公司Aero-90TM 系统，并根据计算机软硬件发展技术，采用VRTX嵌入式实时操作系统而研制。该系统研制起点高，具有高可靠性、高通用性等优点，可根据不同用户的需求配置加载通道数和独立试验数。该系统主要有以下部分组成：加载平台、作动器、液压站以及测量控制系统组成。

2.1 加载平台

加载平台共有2套，跨度4m，高度10m，每套加载架配备一个加载横梁，其中加载架下端设有间隔为0.5m的承载地铆孔，估计整体可承受2000KN的拉压力。

2.2 作动器

作动器共有6台，技术参数如下：

10t的伺服作动器1台，配备1台液压子站；

25t伺服作动器2台，配备2台液压子站；

50t伺服作动器2台，配备2台液压子站；

100t伺服作动器1台，配备1台液压子站。

2.3 测量控制系统

利用PXJ型全数字多通道协调加载系统可完成1～6通道协调加载，加载的范围在0～100吨。本系统主要功能是多通道协调加载，可以完成铁路以及航空、航天、飞机、航海、船舶等大型复杂结构系统的疲劳与静力试验，较好地解决了分布于结构试件的多通道作动器输出力或位移进行同步或异步的协调控制。

3 结构试验设计仿真平台开发

3.1 结构试验设计仿真平台开发总体思路

本结构试验设计仿真平台采用单机运行结构，成品软件为Windows系统下的典型软件安装包，用户可在本系统支持的操作系统上安装并使用本系统。为了保证系统开发过程和使用过程的良好品质，本结构试验设计仿真平台设计时将遵循规范性原则、实用性原则、开放性原则。

3.2 结构试验设计仿真平台的组成

3.2.1 平台配置文件

（1）软件的目录组成与文件说明。

“Models”文件夹中存放了各种机械部件的3DS格式模型及其约束面配置文件；

“EntityInfo.ini”配置文件描述了这些机械部件的分类、个数以及具体的文件名等信息，软件启动时将对此文件进行解析，根据解析的结果，在界面上显示出可供用户使用的部件信息。

（2）模型绘制与约束面配置。

当Models文件夹中没有用户所需的模型时，用户需自行绘制模型并定义配套的约束面文件，说明如下：

①模型的绘制。推荐使用3DSMAX软件进行模型绘制工作，如下图1所示。绘制完成后，使用软件的文件导出功能，导出3DS格式的模型文件，即可得到3DS模型文件。

图1 利用3DSMAX软件绘制模型

②约束面配置的说明。得到模型的3DS文件后，需要编写模型的约束面配置文件，约束面配置文件的文件名需与3DS模型文件名相同，否则本软件将无法搜索到配置文件。

新绘制的模型可以在这个文件中进行描述，用户也可添加新的实体类别。配置好实体信息配置文件后，启动本软件，即可在界面中看到对应的实体资源。

3.2.2 平台界面及开发实例

平台界面设计包括状态栏、实体资源栏以及工作区，状态栏包括文件、编辑、视图、帮助等常规功能，文件栏主要用作文件的打开、存储、导入导出等，视图栏主要对工作区的显示内容进行设置。实体资源栏显示可以导入的各种模型，包括作动器、加载器、方箱、平台、立柱、吊车、试件、传感器、试验工装等，工作区主要用于显示试验方案，是主体显示区。目前该试验设计仿真平台可完成包括船典型结构疲劳试验（图2、图4，P220）、冲击试验（图3，P220）在内的多种复杂结构多类型试验。

图2 某船上层建筑的典型结构疲劳试验加载方案

图3 某核电蒸汽管防甩件冲击试验方案

图4 某风力发电基座疲劳试验方案

4 在实验教学中的应用

结构试验设计仿真平台的使用帮助文件，提前随课程要求发给学生，让学生课前预习，掌握软件的基本使用，学生在课程前需要掌握三维设计软件和结构有限元分析软件的使用。

4.1 方案设计

学生拿到实验项目后，需要针对实验目的，掌握结构试验技术中的模型设计方法，在三维设计软件中完成模型设计，然后导入结构试验设计仿真平台中，根据实际结构的边界条件，从实体资源中选择合适的固定方式，从而通过方箱、立柱、平台和辅助工装的组合，达到合理的固定方案设计，再选择合适的加载工具和测试方案，完成试验方案设计。

4.2 结果校核

根据试验方案设计，把模型导入结构有限元分析软件，开展仿真计算，验证边界条件、加载方案以及测试方案的合理性，完全满足试验目的后，给出仿真结果，作为试验结果，完成报告撰写。

4.3 成绩考核

根据学生提交的实验报告和试验模型，综合考虑方案设计、结果校核等因素，给出课程成绩。

5 总结

结构试验设计仿真系统是一个基于现有的多点协调加载系统而设计的三维视景仿真软件，它包含一个大型结构加载实验平台、各种加载设备、多种辅助工装和多种结构试件的综合系统。该软件可灵活构建各种典型结构类实验项目，实现结构试件的多点加载试验方案三维视景显示；同时可根据新型结构试验的需要，添加新试验试件和新辅助工装，设计新的结构试验项目。本结构试验设计仿真系统具有以下优点：

（1）结构设计软件的扩展性与开放性。本结构试验设计仿真系统充分考虑后续新加试验项目的扩展性，方便用户根据需要随时添加新的仿真试件、辅助工装等，从而实现方便设计新的结构试验项目。

（2）实现了大型结构试验方案虚拟仿真设计。本结构试验设计仿真系统可在任何一台主流电脑上安装，该软件上手容易，利用该软件学生可方便地进行典型结构类试验方案的设计。

（3）自由设计新的结构试验方案。利用该功能学生可根据新类型结构试验的需要，自己动手设计虚拟仿真试件、辅助工装等，并将之纳入原系统中，进而自由设计和搭建新的结构试验项目，这就加深了学生对典型工程结构类试验的认识，也大大提高了学生的实际动手设计结构类试验的能力，也较好的培养了学生的创新能力，同时在现场结构实验课进行之前进行虚拟结构试验方案的设计，让每个学生都能全面、深刻的理解整个实验方案设计及其过程，使学生到现场进行结构实验时，很容易理解并掌握整个结构试验的过程及内涵，极大地提高了教学效率和质量。