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過程設備廣泛應用于石油、化工、醫藥、食品等行業，對于國民經濟的發展至關重要。過程裝備與控制工程專業是專門培養過程設備行業從業人員的本科專業。無論是當前我國普遍實施的工程教育專業認證，還是新時代下企業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的學生具備良好的創新意識，并能夠運用現代工具分析、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的核心課程，涉及石油、化工食品、醫藥、環保等設備設計的理論基礎，是培養本專業學生工程與創新能力的重要載體，而綜合性、創新性的實驗教學則是培養本專業學生的工程實踐與創新能力的重要環節[2]。過程設備設計的典型特點是理論性強、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，激發學生的學習興趣。我校過程裝備與控制工程專業的過程設備設計實驗教學，以傳統驗證性實驗為主，難以滿足創新型、復合型人才培養的要求。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傳統內壓容器應力測試實驗

回轉薄壁殼體、平板及不連續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。該部分內容的傳統實驗項目為內壓容器應力測試。傳統實驗針對不同形式的封頭以及封頭與筒體連接區域的邊緣應力進行測試，分析總結應力的分布規律，以驗證理論分析結果，并加深學生對邊緣應力的理解。然而傳統實驗教學所采用的容器結構單一、固定不變，不便于開展創新性實驗教學。同時，由于傳統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。傳統驗證性的過程設備設計實驗教學已經難以滿足本專業創新型、復合型人才培養的需求。

2融合CAE技術的實驗教學

針對上述傳統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，以及易于開展創新性研究的優勢，結合啟發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，設計恰當的應變片布置方案，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CAE技術探索不同結構形式、參數下容器的應力分布，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代分析工具的能力，更培養了學生聯系理論與實際的能力。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律，如圖1所示。學生通過分析與總結外壁應力的分布規律，發現筒體與封頭連接區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)可以直觀地發現封頭與筒體在連接部位的變形協調，并且發現變形協調后的筒體形狀與環向應力分布的輪廓形狀一致，進而認識到環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，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域布置較為密集的測試點，而在邊緣區外，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。學生發現兩種應力結果的分布規律一致，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仿真結果又可指導實驗測試，確定結構中需測試的關鍵部位。經過分析討論，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融入傳統實驗教學，能夠激發學習興趣，克服傳統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，更能夠培養學生發現問題的能力，啟發學生的創新意識。

3結語

將CAE技術融入過程設備設計的傳統實驗教學中，可進一步強化學生的課堂理論知識，培養學生的創新能力，并使學生應用分析理論與現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，張衛義，等．基于工程應用能力培養的過程設備設計課程改革與實踐[J]．化工高等教育，2015，32(04)：34-37+91．

[5]馬菊蓮．過程設備設計基礎實驗教學的改革與實踐[J]．實驗技術與管理，2009，26(10)：135-137．

[6]王海峰，董金善，周勇軍，等．數值模擬方法在過程設備設計教學中的探索與實踐[J]．化工高等教育，2013(6)：85-88．

[7]俞建峰，崔政偉，王東祥，等．過程設備設計課程實踐性教學方法的改革與探索[J]．當代教育理論與實踐，2016，8(10)：55-57．

[8]沈利民，李海生，劉煥勝，等．有限元分析軟件在過程設備設計教學中的應用研究[J]．廣東化工，2015，42(02)：146-147．

作者:盧海山 王志奇 彭德其 單位:湘潭大學