过程设备设计实验教学改革与实践

过程设备广泛应用于石油、化工、医药、食品等行业，对于国民经济的发展至关重要。过程装备与控制工程专业是专门培养过程设备行业从业人员的本科专业。无论是当前我国普遍实施的工程教育专业认证，还是新时代下企业对工程技术人才的实际需求，均明确需要过程装备与控制工程专业的学生具备良好的创新意识，并能够运用现代工具分析、处理复杂工程问题[1]。过程设备设计作为过程装备与控制工程专业的核心课程，涉及石油、化工食品、医药、环保等设备设计的理论基础，是培养本专业学生工程与创新能力的重要载体，而综合性、创新性的实验教学则是培养本专业学生的工程实践与创新能力的重要环节[2]。过程设备设计的典型特点是理论性强、内容抽象，同时学生力学基础有限，因此学生对该课程及实验的兴趣较低。众多高校教育工作者进行了教学改革尝试[3-5]。为进一步提高教学内容的创新性与实践性，部分教育工作者尝试将CAE技术引入过程设备设计的教学实践中[6-8]，以帮助学生理解基本概念及难点问题，激发学生的学习兴趣。我校过程装备与控制工程专业的过程设备设计实验教学，以传统验证性实验为主，难以满足创新型、复合型人才培养的要求。结合笔者的教育实践，该文以内压容器应力测试实验为例，通过融合CAE仿真技术，探索过程设备设计的综合性、创新性实验教学的改革与实践，以提升实验教学的效果与质量。

1传统内压容器应力测试实验

回转薄壁壳体、平板及不连续应力分析等内容是过程设备设计的重点与难点之一，是压力容器设计的理论基础。该部分内容的传统实验项目为内压容器应力测试。传统实验针对不同形式的封头以及封头与筒体连接区域的边缘应力进行测试，分析总结应力的分布规律，以验证理论分析结果，并加深学生对边缘应力的理解。然而传统实验教学所采用的容器结构单一、固定不变，不便于开展创新性实验教学。同时，由于传统实验教学多年来一直受验证型实验教学模式以及“重理论、轻实践”传统思维定势的影响，使实验教学以验证理论教学结论为主，导致实验教学形式过于简单，学生对实验的兴趣不高，不能达到实验教学目的。传统验证性的过程设备设计实验教学已经难以满足本专业创新型、复合型人才培养的需求。

2融合CAE技术的实验教学

针对上述传统实验教学存在的不足，笔者在教学实践的基础上，充分利用CAE技术不受实验教学的设备、时间和空间局限，以及易于开展创新性研究的优势，结合启发式和学生主题式教学法，以内压容器应力测试实验为例，设计了融合CAE仿真技术的综合实验教学流程，整体流程为：(1)实验课前，学生预习实验内容，完成所测试容器的CAE仿真分析，设计恰当的应变片布置方案，并撰写预习报告。(2)实验课中，实验教师指导学生利用应变电测法完成容器外壁应力测试，并对比实验测试与CAE仿真的结果，分析与总结两种方法的异同与优劣。(3)实验课后，指导学生进行拓展研究，即针对复杂工程案例，利用CAE技术探索不同结构形式、参数下容器的应力分布，并完成实验报告。具体的教学实施过程如下。实验前，学生需要思考如何将实际的受压容器抽象为可以计算的CAE模型。在这一过程中，学生需要解决的问题有：选择怎样的CAE建模方式；如何确定模型的约束条件；如何确定模型中的筒体长度。学生通过对比实体、壳体，二维、三维等CAE模型的不同特点，并结合实验容器的结构与载荷及约束特点，选择了1/4三维壳体模型；根据理论教学中的边缘应力分布特性，确定了模型中的筒体长度；结合容器在内压作用下的变形特点，确定了模型的约束形式。在建立仿真模型的过程中，不仅锻炼了学生运用现代分析工具的能力，更培养了学生联系理论与实际的能力。通过求解所建立的仿真模型，得到了容器外壁的应力分布规律，如图1所示。学生通过分析与总结外壁应力的分布规律，发现筒体与封头连接区域的应力具有显著的局部特性，并与理论课堂中的分析结果进行对比，进一步加深了对边缘应力分布特性的直观认识，也了解了不同结构形式的封头所导致的边缘应力大小不同。同时，学生通过变形图(如图2、3所示)可以直观地发现封头与筒体在连接部位的变形协调，并且发现变形协调后的筒体形状与环向应力分布的轮廓形状一致，进而认识到环向应力导致壳体的周向长度被拉长，但封头与筒体的拉伸程度不一致导致了边缘应力，从而对边缘应力的产生有了更加直观、深入地理解。结合利用CAE仿真得到的边缘应力分布曲线，学生认为，为了在实验测试中获得较为准确的边缘应力分布，应在存在边缘应力的区域布置较为密集的测试点，而在边缘区外，可布置少量测试点。实验过程中，实验教师指导学生利用应变电测法测量容器外壁应力，并绘制沿容器母线的外壁应力分布曲线，与CAE仿真结果对比。学生发现两种应力结果的分布规律一致，但部分测试点的误差较大，学生们通过分析，认为可能原因有：容器局部形状不规则、封头存在拉伸减薄、应变片粘贴误差等。通过对比，学生更加深刻地理解了CAE仿真与实验测试的关系：CAE仿真具有成本低、周期短、查看结果方便等特点，然而工程中的CAE仿真需要通过实验测试来验证模型及分析结果是否正确。同时，CAE仿真结果又可指导实验测试，确定结构中需测试的关键部位。经过分析讨论，学生意识到结合二者是解决工程实际问题的有效途径，同时学生也普遍表示，将CAE融入传统实验教学，能够激发学习兴趣，克服传统实验教学模式中的单调乏味。实验结束后，学生进一步利用CAE技术研究了复杂容器结构的应力分布。例如部分学生对某工程案例中，内压作用下椭圆封头开孔接管部位的应力进行了分析，更加清晰地认识了开孔接管部位的应力集中情况，并进一步讨论了接管与封头壁厚的变化对应力集中程度的影响。这种拓展性的研究，不仅能够锻炼学生解决问题的能力，更能够培养学生发现问题的能力，启发学生的创新意识。

3结语

将CAE技术融入过程设备设计的传统实验教学中，可进一步强化学生的课堂理论知识，培养学生的创新能力，并使学生应用分析理论与现代工具解决工程实际中容器应力分析相关问题的能力得到训练，同时也能够有效激发学生的学习兴趣，开阔学生的学术视野。

参考文献

[1]余寿文．工程教育评估与认证及其思考[J]．高等工程教育研究，2015(03)：1-6+24．

[2]贾永霞．创新性实验教学的探究与实践[J]．实验室研究与探索，2018，37(12)：206-208．

[3]龚曙光，周卫平，谢桂兰，等．封头边缘应力自动测试实验装置的研制[J]．实验室研究与探索，2004(10)：30-33．

[4]赵杰，吕涛，张卫义，等．基于工程应用能力培养的过程设备设计课程改革与实践[J]．化工高等教育，2015，32(04)：34-37+91．

[5]马菊莲．过程设备设计基础实验教学的改革与实践[J]．实验技术与管理，2009，26(10)：135-137．

[6]王海峰，董金善，周勇军，等．数值模拟方法在过程设备设计教学中的探索与实践[J]．化工高等教育，2013(6)：85-88．

[7]俞建峰，崔政伟，王东祥，等．过程设备设计课程实践性教学方法的改革与探索[J]．当代教育理论与实践，2016，8(10)：55-57．

[8]沈利民，李海生，刘焕胜，等．有限元分析软件在过程设备设计教学中的应用研究[J]．广东化工，2015，42(02)：146-147．

作者:卢海山 王志奇 彭德其 单位:湘潭大学