卓越計劃背景下過程裝備與控制工程專業(yè)壓力容器實驗課程改革

徐書根， 趙延靈， 王振波， 曲 燕

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

實驗課程改革

卓越計劃背景下過程裝備與控制工程專業(yè)壓力容器實驗課程改革

徐書根， 趙延靈， 王振波， 曲 燕

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

為了提高過程裝備與控制工程專業(yè)技術(shù)人才的實踐能力，實現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”所要達(dá)到的目標(biāo)，對專業(yè)核心課程——壓力容器實驗課程進(jìn)行改革，提出了包括“基礎(chǔ)實驗—虛擬設(shè)計和制造—力學(xué)仿真—拓展創(chuàng)新”的多層次專業(yè)實驗體系，有望提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的實踐意識和創(chuàng)新意識。

卓越計劃； 過程裝備與控制過程； 壓力容器實驗； 力學(xué)仿真； 虛擬設(shè)計

過程裝備與控制工程專業(yè)的前身是化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)。1998 年3 月，教育部正式將化工設(shè)備與機(jī)械本科專業(yè)及相關(guān)專業(yè)更名為過程裝備與控制工程專業(yè)，新專業(yè)是以過程裝備設(shè)計為主體，以過程原理與裝備控制技術(shù)應(yīng)用為其兩翼的大類學(xué)科交叉型專業(yè)。本專業(yè)主要培養(yǎng)具備化學(xué)工程、機(jī)械工程、控制工程和管理工程等方面的知識，能在化工、石油、能源、輕工、環(huán)保、醫(yī)藥、食品、機(jī)械及勞動安全等部門從事工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)營管理以及工程科學(xué)研究等方面工作的高級工程技術(shù)人才[1-2]。

教育部提出的卓越工程師教育培養(yǎng)計劃(以下簡稱“卓越計劃”)，是為貫徹落實黨的十七大提出的走中國特色新型工業(yè)化道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家、建設(shè)人力資源強(qiáng)國等戰(zhàn)略部署，貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》實施的高等教育重大計劃。卓越計劃對高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才、調(diào)整人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、推動教育教學(xué)改革、增強(qiáng)畢業(yè)生就業(yè)能力具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用。其目標(biāo)之一就是以實施卓越計劃為突破口，促進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新，全面提高我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，努力建設(shè)具有世界先進(jìn)水平、中國特色的社會主義現(xiàn)代高等工程教育體系，促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國[3-5]。

1 壓力容器類實驗體系規(guī)劃

自2010年60所院校首批獲批卓越計劃立項以來，各高校的工科專業(yè)參與的積極性很高[6]。我校過程裝備與控制工程專業(yè)是2013年獲批卓越計劃立項的專業(yè)。獲批以后，我校利用自身的石油石化行業(yè)特色和優(yōu)勢，進(jìn)一步明確了過程裝備與控制工程創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的內(nèi)涵，著力加強(qiáng)工科學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在上述目標(biāo)實現(xiàn)過程中，實踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，也是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必由之路。許多高校均提出通過實驗教學(xué)的改革來面對卓越計劃培養(yǎng)學(xué)生的訴求[7-9]。

過程裝備設(shè)計是本專業(yè)的主體，所開設(shè)的壓力容器實驗課程在培養(yǎng)學(xué)生對過程裝備設(shè)計、檢驗和使用的深化認(rèn)識，具有重要的作用。然而，當(dāng)前實驗教學(xué)多采用驗證演示性教學(xué)方法，學(xué)生依照要求僅是按部就班完成實驗，實驗報告和結(jié)果都相同，學(xué)生獨(dú)立思考的創(chuàng)新性思維沒有得到鍛煉。長期以來，實驗教學(xué)經(jīng)費(fèi)普遍不足，致使實驗室、校內(nèi)實驗基地建設(shè)相對滯后，無法達(dá)到卓越計劃的培養(yǎng)目標(biāo)，從而嚴(yán)重影響實驗教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)定與提升。在保留原來基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，引入計算機(jī)虛擬制造和力學(xué)模擬，提出 “基礎(chǔ)實驗—虛擬設(shè)計和制造—力學(xué)仿真—拓展創(chuàng)新” 多層次專業(yè)實驗體系，為學(xué)生的實踐能力發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2 基礎(chǔ)實驗

根據(jù)學(xué)校的實驗條件，保留原有的基礎(chǔ)實驗課程。目前能夠開設(shè)的基礎(chǔ)實驗課程主要包括3個實驗類型：內(nèi)壓容器薄膜應(yīng)力測試、壓力容器爆破實驗和外壓圓筒失穩(wěn)實驗。

2.1 內(nèi)壓容器應(yīng)力測試

利用應(yīng)變片測量薄壁容器承受內(nèi)壓作用時，圓筒體及封頭上的應(yīng)力分布。該裝置能夠比較在不同壓力情況下應(yīng)力的分布情況，并分析理論推導(dǎo)與實測差異原因，了解“應(yīng)變電測法”測定容器應(yīng)力的基本原理和測試技術(shù)，基本裝置如圖1所示。

2.2 壓力容器爆破實驗

主要目的包括了解壓力容器在內(nèi)壓下爆破的全過程，掌握壓力容器爆破實驗測試的基本技能。需要配備的設(shè)備儀表有高壓泵、動態(tài)電阻應(yīng)變儀、函數(shù)記錄儀等，實驗爆破后的圓筒如圖2所示。

2.3 外壓容器的失穩(wěn)實驗

主要實驗內(nèi)容為觀察薄壁容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象，測定圓柱形薄壁容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定的臨界壓力，觀察試件失穩(wěn)后的波形和波束，與理論值進(jìn)行比較，并分析誤差原因。需要配備的設(shè)備及儀器有：真空泵、穩(wěn)壓罐、控制閥、游標(biāo)卡尺、壁厚千分尺和直尺、壓力傳感器，動態(tài)應(yīng)變儀和函數(shù)記錄儀等。失穩(wěn)后的短圓筒形貌如圖3所示。

圖1 內(nèi)壓容器應(yīng)力測試裝置

圖2 內(nèi)壓圓筒爆破后的斷口形貌

圖3 外壓短圓筒失穩(wěn)后的形貌

3 虛擬設(shè)計和制造實驗

虛擬制造技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗到使用的整個生命周期的模擬和仿真。在壓力容器設(shè)計中，許多學(xué)生會對一些容器的結(jié)構(gòu)不夠了解。在上課過程中，很難有機(jī)會到企業(yè)去實際考察。另外，針對平面的工程制圖，如何能夠直觀再現(xiàn)，以便在真實制造之前就能夠了解設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)、接管法蘭、人孔和手孔等附件的具體結(jié)構(gòu),都是必須面對的問題。

ProE和Solidworks等三維建模軟件為壓力容器的虛擬設(shè)計和制造提供了可能。針對復(fù)雜的壓力容器，如換熱器和反應(yīng)罐，嘗試了其建模效果，如圖4所示。因此，讓學(xué)生掌握基本的三維建模技巧，能夠直觀表現(xiàn)壓力容器的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，使得呆板枯燥的二維圖紙能夠立體呈現(xiàn)，既能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也能為學(xué)生將來走向工作崗位進(jìn)行壓力容器的設(shè)計和有限元分析提供堅實的基礎(chǔ)。

圖4 壓力容器的虛擬設(shè)計模型

4 力學(xué)仿真實驗

在壓力容器設(shè)計教學(xué)中，應(yīng)力分析是強(qiáng)度設(shè)計的基礎(chǔ)問題。根據(jù)GB150—2011《壓力容器》的常規(guī)設(shè)計方法，并根據(jù)薄膜理論可以方便計算兩向應(yīng)力狀態(tài)，然后根據(jù)第一強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計計算。然而，先進(jìn)的壓力容器設(shè)計理論開始傾向于關(guān)注局部的應(yīng)力狀態(tài)。利用有限元理論，通過成熟的商業(yè)軟件ANSYS或ABAQUS分析壓力容器局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)JB4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005R)進(jìn)行分析設(shè)計，逐漸成為高壓容器或者承受交變載荷設(shè)計的主要方法。

因此，針對該部分內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生掌握基本壓力容器的有限元應(yīng)力分析，有助于提高學(xué)生的設(shè)計能力，并為將來工作后從事設(shè)計工作或者繼續(xù)攻讀研究生深造奠定基礎(chǔ)。壓力容器的應(yīng)力分析實例如圖5所示。其中圖5(a)為圓筒—封頭—接管的整體應(yīng)力云圖，圖5(b)為應(yīng)力線性化的路徑，圖5(c)為應(yīng)力線性化的結(jié)果。

圖5 壓力容器分析設(shè)計的有限元分析

5 拓展創(chuàng)新實驗

根據(jù)《教育部財政部關(guān)于“十二五”期間實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》(教高〔2011〕6號)[10]和《教育部關(guān)于批準(zhǔn)實施“十二五”期間“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”2012年建設(shè)項目的通知》(教高函〔2012〕2號)[4]，教育部決定在“十二五”期間實施國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃內(nèi)容包括創(chuàng)新訓(xùn)練項目、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目和創(chuàng)業(yè)實踐項目3類。其中創(chuàng)新訓(xùn)練項目是本科生個人或團(tuán)隊，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，自主完成創(chuàng)新性研究項目設(shè)計、研究條件準(zhǔn)備和項目實施、研究報告撰寫、成果(學(xué)術(shù))交流等工作。教育部要求高校重視大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃實施的條件建設(shè)。參與計劃高校的示范性實驗教學(xué)中心、各類開放實驗室和各級重點(diǎn)實驗室，要向參與項目的學(xué)生免費(fèi)提供實驗場地和實驗儀器設(shè)備。

壓力容器的大型化、高參數(shù)和長周期運(yùn)行，以及新的服務(wù)對象都給整個行業(yè)的發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。除了傳統(tǒng)的石化、化工和化肥等領(lǐng)域，壓力容器也廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域的回收艙、軍工深海領(lǐng)域的蛟龍?zhí)柾鈿ぁ⑿履茉搭I(lǐng)域的高壓儲氫容器和車載儲氫容器等國計民生的各個重要領(lǐng)域[11]。對大學(xué)生創(chuàng)新實踐來說，提供一個開放的能夠自主研發(fā)的壓力容器實驗中心，去研究壓力容器的新功能和新應(yīng)用，對整個專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)和創(chuàng)新試點(diǎn)都是大有裨益的。

因此，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐為契機(jī)，爭取學(xué)校和國家的政策和經(jīng)費(fèi)支持，在開設(shè)專業(yè)實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目，讓有興趣的學(xué)生真正參與到力所能及的壓力容器方面的創(chuàng)新設(shè)計、制造和檢驗、失效分析等相關(guān)的領(lǐng)域，切實推進(jìn)卓越計劃背景下大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。

6 多層次實驗體系的實施

由于卓越計劃班級為2個班，且在選拔過程中注重實踐意識強(qiáng)的學(xué)生，因此，推進(jìn)4個不同層次的實驗計劃是可行的。在考核安排上，可以分為基礎(chǔ)考核和創(chuàng)新考核2個層面。其中基礎(chǔ)考核包含前3個層面，即每個學(xué)生都要通過基礎(chǔ)實驗、虛擬設(shè)計和制造、力學(xué)仿真的基本技能等考核。創(chuàng)新考核主要是針對有興趣、有能力的學(xué)生，他們能夠完成基礎(chǔ)實驗的同時繼續(xù)完成拓展創(chuàng)新項目，在大學(xué)階段就能夠鍛煉出創(chuàng)新意識和實踐意識，成長為一名真正卓越的工程師。

7 結(jié)束語

過程裝備與控制工程專業(yè)在“卓越計劃”的要求下，開展核心課程的實驗改革探索，具有必要性和可行性。提出了“基礎(chǔ)實驗—虛擬設(shè)計和制造—力學(xué)仿真—拓展創(chuàng)新” 多層次專業(yè)實驗體系，在卓越班中進(jìn)行試點(diǎn)實施，有望提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解，以及提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

References)

[1] 陳國華,梁峻.培養(yǎng)過程裝備與控制工程專業(yè)卓越工程師的思考[J].化工高等教育, 2011 (2): 45-49.

[2] 黃世釗,梁乃章,黃福川,等.過程裝備與控制工程專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)和課程體系[ J] . 廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2002, 27( 增刊1):43-45.

[3] 教育部.關(guān)于實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的若干意見[EB/OL].(2011-01-08). http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.

[4] 教育部.關(guān)于批準(zhǔn)實施“十二五”期間“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”2012年建設(shè)項目的通知[EB/OL].(2012-02-05). http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/ htmlfiles/moe/s5666/201202/xxgk_130542.html.

[5] 扶慧娟,辛勇.推行“卓越工程師計劃”培養(yǎng)實踐型工程人才[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(11) :155-158.

[6] 武錦濤,銀建中,劉志軍,等.過程裝備與控制工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)探索[J].化工高等教育, 2013 (2): 11-14.

[7] 王振義,王勇智.基于“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的實驗教學(xué)改革探索[J].科技教育, 2012 (9): 184-185.

[8] 李鍛能,何漢武,張湘?zhèn)?機(jī)械工程專業(yè)實驗教學(xué)體系改革的探索[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(3):132-136.

[9] 丁金華,王學(xué)俊,李明穎，等.產(chǎn)學(xué)結(jié)合的機(jī)械電子實驗室建設(shè)創(chuàng)新實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2011, 28(1):16-18.

[10] 教育部,財政部.關(guān)于“十二五”期間實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見[EB/OL]. (2011-07-01).http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/ moe/s6342/201109/xxgk_125202.html.

[11] 鄭津洋,趙永志,劉鵬飛,等.壓力容器面臨的機(jī)遇和發(fā)展趨勢[C]//壓力容器先進(jìn)技術(shù). 合肥:第8屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議論文集, 2013.

Reform of Pressure Vessel Experiment course of Process Equipment and Control Engineering specialty under background of excellence plan

Xu Shugen, Zhao Yanling, Wang Zhenbo, Qu Yan

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580, China)

In order to improve the practical ability of technical personnel of Process Equipment and Control Engineering specialty and achieve what will be obtained from “Excellent engineers training plan,” the Pressure Vessel Experiment course, which is the core course of the major, has been reformed. A multi-level professional experiment system including the basic experiment, virtual design and manufacture, mechanical simulation and expanding innovation has been put forward to improve the students’ understanding of professional knowledge and to cultivate the strong consciousness of practice and innovation.

excellent plan; process equipment and control engineering; pressure vessel experiment; mechanical simulation; virtual design

2014- 12- 04 修改日期：2015- 01- 19

山東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2013GG213)；中國石油大學(xué)(華東)研究性課程教學(xué)改革項目(YK-201405)

徐書根(1983—)，男，山東鄆城，工學(xué)博士，副教授，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)完整性評價與失效分析.

E-mail：xsg123@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0179- 04