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虚拟焊接技术在焊接本科专业教学中的应用

发表时间：2021/8/13 来源：《教学与研究》2021年8月上作者：金成

[导读] 针对当前焊接专业本科实践教学中的存在的问题，提出将虚拟焊接技术引用教学体系中，建立包括视频展示模块、增强现实虚拟焊接模块以及焊接数值仿真模块的虚拟焊接技术教学平台，探索传统焊接教学理念的数字化改革，实现新工科背景下合格焊接专业人才的培养目标。

大连交通大学金成辽宁大连 116028

摘要：针对当前焊接专业本科实践教学中的存在的问题，提出将虚拟焊接技术引用教学体系中，建立包括视频展示模块、增强现实虚拟焊接模块以及焊接数值仿真模块的虚拟焊接技术教学平台，探索传统焊接教学理念的数字化改革，实现新工科背景下合格焊接专业人才的培养目标。
关键词：焊接，本科教学，虚拟焊接，虚拟现实，数值模拟
        1. 前言
        焊接技术与工程专业是一门集材料学，力学，机械学，电工电子学，自动控制技术，计算机技术等的综合交叉性学科，专业课内容繁杂、涉及面广，焊接专业课往往是理论性与实践性都很强的课程，既要求培养学生具有扎实的焊接理论基础知识，又要通晓焊接实践操作，教学难度较大。目前，焊接专业课程实践教学中主要存在以下几个问题[1]：
        (1)重理论而轻实践。由于受到教育经费及设备条件限制，学生只有较少的实验课时，理论教学和工程实际脱节，对所学知识、方法、手段缺乏感性认识，使学生感到枯燥乏味，降低学习兴趣；
        (2)实验教学设备缺乏，设备更新及维护成本高；
        (3)焊接实操实验对于安全性要求较高，教学教程中存在一定的危险性。
        开展焊接专业理论课的研究型教学改革，是一项非常庞杂的工作。近年来，随着计算机技术的不断发展，将虚拟焊接技术引入专业理论教学课堂，从学生的认知过程出发，引导学生从理论学习到感性认识、仿真验证，再到实践验证，逐步认识和掌握焊接专业理论知识与技能，培养学生自主的设计能力与创新能力，是开展焊接本科专业教学的有效手段之一。
        2. 虚拟焊接技术教学平台的组成
        虚拟焊接技术属于虚拟加工制造领域的一个分支，将传统焊接技术与虚拟制造技术相结合，应用计算机技术对焊接过程的某些进程进行模拟或再现，以达到深刻认识焊接过程理论、掌握现代焊接操作的目的。虚拟焊接技术教学平台可分为以下几个组成部分（见图1）：

        2.1 焊接动画及视频展示模块
        动画及视频展示模块主要为增加学生对于焊接过程的感性认识。可在焊接专业理论课基本教学内容的基础上，通过设计一些适用于课堂教学的仿真和分析的案例，引导学生发现问题、分析问题并且解决问题。在课堂上，将一些比较枯燥的问题，通过仿真软件生动鲜活的呈现在学生面前，调动学生的学习热情和积极性，启发和引导学生积极主动的思考，再通过教师引导和学生讨论，逐步分析问题和解决问题。这些课堂训练，有助于培养学生的思维能力和解决问题的能力。
        2.2增强现实（AR）虚拟焊接模块
        增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术[2]。而AR虚拟焊接技术则是将AR技术具体应用到焊接操作培训教学当中，通过焊枪、焊接面罩等工具再现焊接过程中声、光甚至力反馈等，使使用者得到真实的交互式的焊接体验。将AR虚拟焊接技术引用焊接专业教学，不但可以降低实验教学成本，提高学生对焊接过程的感性认识，还能够提高教学效率，实验安全性也能够得到保证。
        2.3 焊接数值模拟仿真模块
        当前，数值方法已经是开展科学研究的重要方法之一。ABAQUS，ANSYS,SYSWELD等有限元软件已经具备很强大的焊接过程模拟与焊接结构设计计算功能，当前已有越来越多的工业工厂、大型企业单位开始认识到焊接数值模拟技术的重要性[3]。这些仿真软件都具有直观的图形界面、丰富的前后处理功能，系统掌握虚拟焊接技术后，学生可将个人电脑作为一个电子实验工作台，观测焊接实时数据、预测焊后变形与残余应力分布，分析组织演化分布等。利用虚拟焊接技术可以进行(1)焊接热过程分析；(2)焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟；(3)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟；(4)焊接应力和应变发展过程的数值模拟；(5)非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟；(6)焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟；(7)焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟；（8）焊接接头在极端条件下的损伤演化模拟等。
        在学生掌握了虚拟焊接技术后，只需要有仿真软件和个人计算机就可以进行焊接过程仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，扩展了学生的实践空间和实验内容。掌握数值模拟技术也是工程教育和研究型教学的重要内容，对学生今后的实际工作很有帮助。
        3. 结语
        将虚拟焊接技术融入到焊接专业课理论课的教学中，是新工科背景下应用数字化技术改造传统焊接教学模式的有益探索。结合虚拟焊接技术教学平台的建立和使用，引导学生锻炼和提高数字化学习能力，提高学生的研究能力及创新思维能力，培养出适合当前社会需求的合格焊接专业人才。
参考文献
[1] 满华，李力，王红英. 创新教育背景下焊接专业实验教学的探索. 江西化工，2019，6：253-254.
[2] 刘明. AR虚拟焊接技术在铝合金车体焊接培训中的应用. 焊接技术，2019，8：498-500.
[3] 金成. 焊接过程的数值模拟. 科学出版社，2017.11。