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高分子材料虚拟仿真实验教学平台

发布时间:2022-11-17

编辑人:灵图互动

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高分子材料是一门以化学合成、成型加工和分析表征高分子材料全过程的综合性工程实践课程,课程具有较高的实践性和应用性,旨在培养学生的专业知识与应用创新能力。一方面,它有助于学生巩固和加深对高分子材料、高分子化学、高分子材料成型加工原理和材料测试技术等课程知识的认知与理解;另一方面,它更贴近实际生产,为培养既能适应高分子材料生产需要又具有工程设计能力的专业技术人才打下坚实的基础。

然而,高分子材料课程传统实验中需要用到许多仪器设备,包括用于高分子材料加工成型的密炼机、硫化机、注塑机和挤出机等大型设备,以及用于材料性能分析表征的万能拉伸试验机、流变仪、热分析仪等精密仪器设备。

加工成型设备普遍需要在高温条件下操作,为避免因人多拥挤、安全措施不到位等因素而造成学生烫伤等意外事故的发生,老师们不得不采取分组演示的教学方式。而对于昂贵且精密的分析表征设备来说,则往往出于保护设备的目的,只允许每组中选出一名同学作为代表来操作,其他同学则围观学习。

导致这门实践性很强的课程演变成了走马观花式的实践教学,注定难以实现设定的课程教学目标。

虚拟仿真技术在高分子材料教学中的应用,根据专业人才培养方案对学生技能培养和工作岗位需求,制定实训教学大纲,对于真实实训平台无法开展的高危险、高成本、高污染以及虚实结合的实训项目,开展虚拟仿真实验教学。让学生在完成与实验相关的理论学习后,再通过高度近似真实实验环境的虚拟仿真模拟场景中直观而清楚地认识各种以真实实验设备为蓝本的虚拟仿真仪器设备的构造,还可以以第一视角的体验与交互模式进行工艺流程实验操作。不仅提升了教学质量,还避免了各种风险。本文以新能源汽车和家电领域为例,来阐述虚拟仿真技术在高分子材料教学中的应用。

高分子材料虚拟仿真实验教学平台主要包含高分子材料合成虚拟仿真实训系统、高分子材料生产工艺虚拟仿真实训系统等2个子系统。

1. 高分子材料合成虚拟仿真实训系统

1.1 高分子材料合成工艺仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的高分子材料合成工艺仿真模块主要针对聚氯乙烯工厂的生产流程、工艺进行仿真学习。

通过佩戴VR头盔或者主动3D眼镜配合3D立体显示LED大屏在逼真的聚氯乙烯工厂内根据地标指引进行漫游,从而了解整个聚氯乙烯生成的过程、主要设备的构成及作用。

通过对聚氯乙烯生产过程中乙炔的生成净化、氯乙烯的合成及压缩、精馏、聚合、沉析、离心、干燥等生产过程的虚拟仿真学习,不仅让学生能够了解到更多的核心工艺和设备性能,而且通过交互完成生产过程中投料配比的计算、设备的操作等,使学生在巩固理论知识的同时提高了动手能力。

1.2 高分子材料合成多功能控制实训虚拟仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的高分子材料合成多功能控制实训虚拟仿真模块针对聚氯乙烯生产过程中的一些关键系统的工作原理和控制特点,通过采用计算机三维建模的方式,再现在生产现场无法看到的工作原理和客观规律,比如抽真空系统、聚合反应系统、浆料汽提系统、干燥系统、废水汽提以及氯乙烯回收系统。  通过Unity实现操作过程的交互动作,使教学与实训很好地结合。

使用虚拟现实技术+控制系统、测量系统插件使同学们通过真实的控制系统软件、测量系统软件完成虚拟工艺的设备控制及数据测定,打破了硬件实训空缺,同时大大提高了学习效率,降低了教学成本,而且在虚拟实训学习过程中可以进行虚拟交互操作,使学生掌握基本的控制及测量的操作方法。

高分子材料合成虚拟仿真实训系统

2. 高分子材料生产工艺虚拟仿真实训系统

2.1 注塑成型工艺虚拟仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的注塑成型工艺虚拟仿真模块,通过构建一个与真实生产环境一致的虚拟空间,在一个虚拟的注塑车间场景下,以3D形式呈树形结构展示注塑机的组成,3D MAX等比例建模渲染制作而成的虚拟注塑机模型,鼠标点击到任何一个部件件即会弹出该部件的名称,通过Unity实现操作过程模拟交互,操作过程完全与真实注塑机相同。

同时具备成型试模功能,对以各种原因导致的缺陷成品进行分析,比如配色原理分析、填充过程分析、保压过程分析、流道平衡分析等。

通过高分子材料虚拟仿真实验教学平台的学习,可以使学生通过虚拟操作掌握虚拟注塑机的结构组成及操作,并通过软件练习及考核功能达到熟练掌握的程度,体现职业教育技能为本的重要教学目标,另外可以通过典型缺陷成品的分析了解可能出现的原因,理实结合,大大提高学生对工艺成型的掌握。

高分子材料虚拟仿真实验教学平台注塑成型工艺虚拟仿真模块

2.2 挤出成型工艺虚拟仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的挤出成型工艺虚拟仿真模块,通过选取典型的挤出成型案例,模拟单螺杆挤出机物料输送、熔融、成型过程,并获得相应的初始数据。利用虚拟仿真软件对物料塑性变形进行模拟,分析模拟结果。

利用虚拟现实技术模拟全流程的造粒过程,包括挤出过程的动画演示、配比计算、常见故障的处理、对工艺过程中的设备进行如嵌入式星型螺杆挤出机等结构进行结构爆炸、工作原理、作业注意事项和安装布置过程进行动画展示。

通过高分子材料虚拟仿真实验教学平台贯穿整个挤出成型工作过程的模拟案

例,使学生系统地学习到挤出成型工艺中的典型设备,生产过程中出现的常见故障处理,成品过程中造成缺陷的重要因素等。学生可以在虚拟环境下扮演检修人员进行排故处理,扮演分析人员对缺陷进行分析,并调整参数使成品恢复正常,大大提高了学生的参与程度,激发学生的学习兴趣。

2.3 压延成型工艺虚拟仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的压延成型工艺虚拟仿真模块以聚氯乙烯的压延案例过程为主线进行模拟仿真,软件中通过自动控制压延主机及供料系统、前后联动装置和加热冷却装置等辅机完成聚氯乙烯压延过程。其中设计压延辊筒库,库内包括自压延辊筒诞生以来的二辊压延机、三辊压延机、四辊压延机、L型和倒L型压延机及现代高速化、精密化、高自动化、机构多样化的压延机。学生可以根据不同的设计来体验其不同年代压延机制造成品的不同,体验时代的进步和工业的迅猛发展。

通过高分子材料虚拟仿真实验教学平台虚拟压延过程的动画演示,使学生了解压延工艺的整个流程,通过基础知识环节学习对其中的主、辅设备进行认知了解,通过反复的虚拟操控练习及考核达到熟练操作的水平。辊筒设计环节添加了思政元素,以不同年代的典型辊筒设计、成型演示,使学生了解工艺、设备的同时体会工业的发展及科技进步步伐,从而激发学生努力专研、科技兴邦的良好思想。

高分子材料虚拟仿真实验教学平台压延成型工艺虚拟仿真模块

2.4 其他成型工艺虚拟仿真模块

高分子材料虚拟仿真实验教学平台的其他成型工艺虚拟仿真模块针对其他的成型工艺(如吹塑成型、浸塑成型、吸塑成型、滚塑成型)进行统一UI设计,整合为一个模块。主要对四种成型的工艺及主要装备进行仿真。每种工艺均采用3D动画进行工作过程的仿真,每台设备均链接结构认知及作用介绍功能。

通过高分子材料虚拟仿真实验教学平台对四种工艺的3D演示可以让学生直观地了解如何通过该工艺从原料到成品的生产过程。通过点击设备获取设备信息,掌握设备的作用、结构、特性。

高分子材料虚拟仿真实验教学平台作为一种全新的教育模式,能够弥补传统教学中的不足,实现传统和仿真模拟教学两者的有机结合,提升学生的创新能力和动手能力,积极调动学生的积极性与参与性,使学生在实验的过程中优势互补、共同提高,同时丰富了课堂教学案例,达到了培训新教师目的。


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