核工程與核技術(shù)專業(yè)虛擬實(shí)習(xí)教學(xué)方式研究

王 虎，陳建華

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012)

實(shí)踐教學(xué)是大學(xué)生教育的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不但可以使大學(xué)生在課本上學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況操作得到結(jié)合，而且增加了學(xué)生對(duì)日后工作的初步認(rèn)識(shí)，提高其畢業(yè)后的工作能力。增強(qiáng)對(duì)死板抽象的專業(yè)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，起到了課堂教學(xué)模式不可替代的作用。通過(guò)實(shí)習(xí)使學(xué)生了解本專業(yè)的具體工作和系統(tǒng)設(shè)備的工作的工況與流程。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。但是由于受企業(yè)體制改革、教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制，而且因?yàn)楹穗姀S的特殊性和敏感性，學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)不能進(jìn)入核電站現(xiàn)場(chǎng)，核電專業(yè)在安排和實(shí)施生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中存在一些問(wèn)題，因此探索如何進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)造力具有極其重要的意義。

鑒于這種情況，本文提出將3D Max建模軟件和VRP虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于本專業(yè)的教學(xué)過(guò)程，以三維建模和動(dòng)畫的形式，體現(xiàn)核電廠系統(tǒng)的工作流程、設(shè)備的布置和工作工況。模擬核電站現(xiàn)場(chǎng)，讓大學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中以最直接的感官接觸核電站。它以電腦軟件的形式，以最直接的方式增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，優(yōu)化教師的課堂教學(xué)過(guò)程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1 軟件介紹［1-3］

1.1 3ds Max

3ds Max，其全稱為3D Studio Max，是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。與其他同類型軟件相比較，它有如下優(yōu)點(diǎn):⑴功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性好，尤其在建模和角色動(dòng)畫方面具備很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，另外豐富的插件也是其一大亮點(diǎn)。⑵與強(qiáng)大的功能相比，3ds Max可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單最容易上手的3D軟件。⑶與其他軟件配合流暢，例如3ds Max可以與我們下面談到的VRP完美的配合在一起。⑷做出來(lái)的效果非常的逼真。在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。擁有強(qiáng)大功能的3ds Max被廣泛地應(yīng)用于電視及娛樂(lè)業(yè)中，而在國(guó)內(nèi)發(fā)展的相對(duì)比較成熟的建筑效果圖和建筑動(dòng)畫制作中，3ds MAX的使用率更是占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

1.2 VRP

VRP是VR-Platform的簡(jiǎn)稱。VR-Platform三維互動(dòng)仿真平臺(tái)是由中視典數(shù)字科技獨(dú)立開(kāi)發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一款三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件，可廣泛的應(yīng)用于視景仿真、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計(jì)、軍事模擬等行業(yè)。該軟件適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見(jiàn)即所得，他的出現(xiàn)將給正在發(fā)展的VR產(chǎn)業(yè)注入新的活力。VRP并且可以和3ds Max無(wú)縫集成，將3ds Max中的模型直接導(dǎo)入VRP中。VRP軟件可以將模型放置在一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)，模擬核電廠內(nèi)部布置，最后形成一個(gè)應(yīng)用程序，以方便同學(xué)使用、學(xué)習(xí)。

2 核電廠一回路系統(tǒng)設(shè)備虛擬建模裝配的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)建模

在3ds Max命令菜單中，我們可以選擇創(chuàng)建各種基本幾何體和線條圖形。通過(guò)將這些基本模型進(jìn)行修改和組合，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、布爾、陣列、擠出、車削、倒角、圓角等一系列命令操作完成系統(tǒng)設(shè)備的零部件設(shè)備的繪制。最后我們將這些零部件整合起來(lái)，構(gòu)成我們的系統(tǒng)設(shè)備。

我們?cè)谶@里的模型主要是根據(jù)大亞灣核電站核島部分的RCP系統(tǒng)進(jìn)行建模［4］。一回路冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備主要包括反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、冷卻劑主泵和穩(wěn)壓器。一回路冷卻劑溫度進(jìn)口溫度為292℃，出口溫度為327℃;系統(tǒng)工作絕對(duì)壓力為15.5 MPa;系統(tǒng)總?cè)莘e為283 m3。反應(yīng)堆壓力容器的內(nèi)徑為4000 mm，高度為13200 mm;壓力容器內(nèi)有燃料組件157個(gè)，每個(gè)組件內(nèi)控制棒位數(shù)61。蒸汽發(fā)生器下部直徑為3446 mm，上部直徑為4484 mm，總高度為20848 mm;冷卻劑進(jìn)口溫度327℃，出口溫度293℃;蒸汽發(fā)生器內(nèi)有導(dǎo)熱管4474根，直徑為19 mm。反應(yīng)堆冷卻劑主泵揚(yáng)程97.2 m，NPSH為1.25 MPa，泵入口溫度為293℃，轉(zhuǎn)速為1485 r/min，水容積為4 m3。穩(wěn)壓器運(yùn)行絕對(duì)壓力為15.5 MPa，溫度為345℃，外部直徑2350 mm。系統(tǒng)設(shè)備參照大亞灣320教材數(shù)據(jù)，按照1 1的比例進(jìn)行繪制。

在此，我們一回路冷卻劑系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器為例。蒸汽發(fā)生器主要由下封頭、換熱管、干燥器和蒸汽發(fā)生器外殼組成。首先我們繪制下封頭，先制作一個(gè)半球體，將之掏空，只余外部殼體，再將蒸汽發(fā)生器的進(jìn)出口管與半球殼體塌陷在一起。最后將一塊隔板放在進(jìn)出口管之間，將冷卻劑入口腔室和出口腔室隔斷。蒸汽發(fā)生器的導(dǎo)熱管是由4474分U形管構(gòu)成，并且在隔板上有與之對(duì)稱的8948個(gè)孔，以將導(dǎo)熱管插入。在這里數(shù)量大，模型所占特征數(shù)也多，這使得導(dǎo)熱管模塊的模型文件占用了很大空間，影響了計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行速度，所以我們?cè)谶@里只做出一部分導(dǎo)熱管來(lái)代表真實(shí)工況下的生氣發(fā)生器導(dǎo)熱管。之后的干燥器和蒸汽發(fā)生器外殼我們就可以用3ds Max將其制作出來(lái)，見(jiàn)圖1。

2.2 VRP 操作

安裝VRP插件后，3ds Max中的模型可以直接導(dǎo)入到VRP插件中。核電廠模型在VRP中可以通過(guò)裝配實(shí)現(xiàn)契合，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。之后在場(chǎng)景中設(shè)置攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)化，將這些模型通過(guò)VRP的制作形成真實(shí)的場(chǎng)景，制作出讓人身臨其境的視頻。同時(shí)在場(chǎng)景中加入各種功能的按鈕，通過(guò)這些按鈕實(shí)現(xiàn)這些功能的鏈接。并且我們可以在模型上添加設(shè)備系統(tǒng)的工作工況視頻，還可以在頁(yè)面上加載系統(tǒng)工作流程視頻。給實(shí)踐學(xué)習(xí)中的大學(xué)生清晰、簡(jiǎn)明的專業(yè)知識(shí)感觀。軟件制作和軟件效果見(jiàn)圖2～圖3。

圖1 蒸汽發(fā)生器模型

圖2 虛擬實(shí)習(xí)基地軟件開(kāi)發(fā)初始操作界面

圖3 虛擬實(shí)習(xí)基地視頻操作界面

最后輸出一個(gè)應(yīng)用程序，老師和同學(xué)可以直接打開(kāi)這個(gè)應(yīng)用程序，根據(jù)所需要的內(nèi)容來(lái)操作點(diǎn)擊按鈕，將之前加入的功能實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

以三維虛擬平臺(tái)形式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出核電站一回路設(shè)備和系統(tǒng)布置，可以使學(xué)生置身在虛擬的環(huán)境之中，身臨其境的瀏覽反應(yīng)堆廠房布置和設(shè)備構(gòu)造，從而實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生的認(rèn)知質(zhì)量，把課本上學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況操作能力得到得到結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

［1］蘇建，徐觀.基于Solidworks平臺(tái)的四輪定位儀檢定裝置三維動(dòng)畫仿真，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造［J］.2007(5):72-73.

［2］劉國(guó)良.3ds Max完全學(xué)習(xí)寶典［M］.電子工業(yè)出版社，2007:122-159.

［3］江洪，楊勇等.Solidworks實(shí)例解析——曲線、曲面、仿真、渲染［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:26-58.

［4］馬進(jìn).核能發(fā)電原理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007:13-61