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超聲波檢測(cè)工藝與聲場(chǎng)觀測(cè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

2021-08-31 01:04陳振華帥珍珍
關(guān)鍵詞:試塊聲場(chǎng)鍛件

陳振華, 帥珍珍, 敖 波, 盧 超,3

(1. 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué)),南昌 330063; 2. 南昌航空大學(xué) 文法學(xué)院,南昌 330063;3. 贛南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,江西 贛州 334001)

引 言

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性,在不損害被檢對(duì)象使用性能的前提下,評(píng)估其內(nèi)外缺陷和不均勻性,并給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息的一門(mén)應(yīng)用型工程技術(shù)[1-2]。超聲波無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)檢測(cè)人員的實(shí)操能力和數(shù)據(jù)分析能力,是培養(yǎng)無(wú)損檢測(cè)人員的重要環(huán)節(jié)[3-4]。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)教學(xué)工作面臨以下問(wèn)題:首先,受實(shí)驗(yàn)條件的影響,實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的檢測(cè)對(duì)象常為簡(jiǎn)單試塊,與實(shí)際構(gòu)件相差較大;其次,操作步驟繁多,教師難以實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)糾正;第三、學(xué)生實(shí)訓(xùn)流于操作表面,不理解操作背后復(fù)雜的超聲傳播理論、限制了技能提升的潛力;最后,超聲檢測(cè)的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能在專門(mén)實(shí)驗(yàn)室完成,人手一臺(tái)設(shè)備和試塊并需要老師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)監(jiān)督完成,教學(xué)條件要求和教學(xué)成本很高。綜上,超聲檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要且難度很大。

本研究建立了超聲波無(wú)損檢測(cè)工藝及聲場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并建立了支撐其良好運(yùn)行的線上教學(xué)體系。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的虛擬仿真使學(xué)生熟練掌握檢測(cè)工藝,在關(guān)鍵步驟中引入聲場(chǎng)分析與控制場(chǎng)景使學(xué)生深入理解超聲檢測(cè)的聲場(chǎng)控制理論基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)理解檢測(cè)參數(shù)?聲場(chǎng)變化?檢測(cè)結(jié)果的相互關(guān)系,進(jìn)而培養(yǎng)解決具體工程問(wèn)題的創(chuàng)新實(shí)踐能力。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其線上教學(xué)體系將有效促進(jìn)超聲無(wú)損檢測(cè)教學(xué)理念和方法的重大改進(jìn),提高無(wú)損檢測(cè)實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果;持續(xù)推廣后,不僅利于大學(xué)教育也可極大增強(qiáng)社會(huì)技能培訓(xùn)效益。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 仿真對(duì)象

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)定為大型筒形鍛件,屬于航空渦輪盤(pán)、車輛輪盤(pán)、輪軸、閥體等的重要制造原材料[5-7]。受加工工藝的影響,筒形鍛件內(nèi)部存在多類型、分布復(fù)雜的內(nèi)部缺陷;并且,由于鍛造是零部件精密加工前的最后一個(gè)材料成型階段,鍛件質(zhì)量直接影響零部件使用性能,鍛件超聲檢測(cè)顯得尤為重要。為了全面檢測(cè)筒形鍛件,需采用縱波直探頭和橫波斜探頭檢測(cè)技術(shù)對(duì)筒形鍛件進(jìn)行綜合檢測(cè)。因此,筒形鍛件的超聲波無(wú)損檢測(cè)無(wú)論是在檢測(cè)工藝層面還是檢測(cè)對(duì)象層面均具有很強(qiáng)的代表性,非常適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

1.2 檢測(cè)步驟分解和提煉

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的具體項(xiàng)目是筒形鍛件的超聲波無(wú)損檢測(cè),涉及常規(guī)縱波直探頭檢測(cè)和橫波斜探頭檢測(cè)工藝,可體現(xiàn)構(gòu)件檢測(cè)的獨(dú)特性又能夠反映常規(guī)檢測(cè)的一般要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的細(xì)化分解圖如圖1 所示,包括:包含預(yù)習(xí)、知識(shí)考核、學(xué)習(xí)認(rèn)知的知識(shí)學(xué)習(xí)部分,以及包含縱波直探頭超聲檢測(cè)和橫波斜探頭超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)操作部分。其中,實(shí)驗(yàn)操作部分的關(guān)鍵步驟可大致分解為:儀器調(diào)整、試塊選型、探頭選型及性能測(cè)試、檢測(cè)靈敏度調(diào)整、掃查過(guò)程、缺陷定量、缺陷評(píng)級(jí);此外,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程——“檢測(cè)面、探頭、試塊選擇”處插入聲場(chǎng)仿真功能,分析檢測(cè)參數(shù)度聲場(chǎng)的影響,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程——“掃查、缺陷定位定量”步驟也插入了聲場(chǎng)仿真功能,由于揭示超聲波聲場(chǎng)與缺陷的相互作用。實(shí)驗(yàn)步驟的分解和提煉對(duì)于學(xué)生深入掌握超聲波無(wú)損檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)操作和基礎(chǔ)理論具有重要作用,也有利于簡(jiǎn)化仿真模型和降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量,是保證該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻m用于網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的關(guān)鍵。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的步驟流程圖

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)分為用戶層、用戶接口、系統(tǒng)層、技術(shù)層、基礎(chǔ)層和數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶層的學(xué)習(xí)者、教師、管理人員可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能管理開(kāi)放式平臺(tái)進(jìn)行視頻學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)操作、綜合評(píng)價(jià)等;系統(tǒng)層主要包括:縱波直探頭檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、橫波斜探頭檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)聲場(chǎng)特征觀察實(shí)驗(yàn)。其中,縱波直探頭檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、橫波斜探頭檢測(cè)實(shí)驗(yàn)均包括:“檢測(cè)前準(zhǔn)備—靈敏度調(diào)整—掃查—缺陷記錄與評(píng)價(jià)——結(jié)果反饋”五大環(huán)節(jié),而聲場(chǎng)特征觀察實(shí)驗(yàn)則嵌套在上述五大環(huán)節(jié)內(nèi);技術(shù)層主要采用了3D 技術(shù)、仿真技術(shù)、交互技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù);基礎(chǔ)層主要包括操作系統(tǒng)各數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),主要包括:探頭參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、缺陷類型及分布數(shù)據(jù)庫(kù)、聲場(chǎng)分布特征數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.4 考核評(píng)價(jià)方法

從預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)操的規(guī)范性考核3 個(gè)方面對(duì)學(xué)生做出綜合評(píng)價(jià),三方面的考核成績(jī)占比分別為:20%、30%及50%,成績(jī)分布參見(jiàn)圖3 所示。

圖3 綜合考核評(píng)價(jià)的成績(jī)分布

預(yù)習(xí)中的考核題目設(shè)定為10 個(gè),內(nèi)容涉及:常用超聲檢測(cè)技術(shù)原理、超聲場(chǎng)基本理論知識(shí)、筒形鍛件超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等;而實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)則應(yīng)包括關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量結(jié)果、聲場(chǎng)分布特征及其影響因素、檢測(cè)結(jié)果及評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。操作步驟評(píng)分則是依托計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)操作步驟進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控和自動(dòng)評(píng)分,按100 分計(jì),具體成績(jī)分布參見(jiàn)表1。需要注意的是,為進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握,在操作步驟中增加10 分的理論知識(shí)考核內(nèi)容。

表1 操作步驟評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化

2 圍繞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目構(gòu)建多維線上教學(xué)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)超越了時(shí)空距離將師生聚集在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中,師生的客觀直接聯(lián)系被阻斷,教學(xué)過(guò)程管理存在不穩(wěn)定性[8-9]。因此,相比傳統(tǒng)線下教學(xué),線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程更加需要周密的教學(xué)組織[10]。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源,基于超星泛雅平臺(tái)(學(xué)習(xí)通)考核和問(wèn)卷、QQ 群資料上傳、騰訊會(huì)議開(kāi)展線上討論,共同構(gòu)建能夠支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的多維教學(xué)平臺(tái)。具體教學(xué)活動(dòng)包括:通過(guò)學(xué)習(xí)通對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)情況進(jìn)行考核、并實(shí)現(xiàn)課前和課后問(wèn)卷;通過(guò)QQ 群上傳實(shí)操演示視頻、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、儀器資料等必要材料,使學(xué)生能夠方便的獲得教學(xué)資源;通過(guò)騰訊會(huì)議開(kāi)展疑難問(wèn)題的線上討論、師生交流,共同解決疑難問(wèn)題。如圖4 所示,采用多維教學(xué)平臺(tái)既具備穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)資源,又兼顧教師與學(xué)生的交流互動(dòng),共同保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的良好運(yùn)行。

圖4 多維線上教學(xué)平臺(tái)

3 教學(xué)實(shí)踐與質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 教學(xué)實(shí)踐

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景分布為中部實(shí)驗(yàn)臺(tái)、頂部為“南昌航空大學(xué)?無(wú)損檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”字樣、右上角為功能菜單、右下角為操作細(xì)節(jié)窗口、左側(cè)為整體放大的檢測(cè)儀器面板,如圖5 所示。中部試驗(yàn)臺(tái)面按實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求擺放了檢測(cè)儀器、檢測(cè)對(duì)象及試塊、探頭、耦合劑等;右下角操作細(xì)節(jié)窗口顯示探頭置于試塊上檢測(cè)(移動(dòng))過(guò)程的操作細(xì)節(jié);而左側(cè)儀器面板是實(shí)際的儀器操作面板,學(xué)生可在該面板操作檢測(cè)儀器、觀察檢測(cè)信號(hào)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。操作過(guò)程中,探頭、儀器、檢測(cè)對(duì)象及試塊、耦合劑等均可移動(dòng),與實(shí)際檢測(cè)過(guò)程一致;學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)控制超聲波探頭在檢測(cè)試塊及檢測(cè)對(duì)象上移動(dòng),模擬完成基于試塊的儀器標(biāo)定、距離波幅曲線繪制、檢測(cè)靈敏度調(diào)整等關(guān)鍵操作步驟;同時(shí),可將探頭置于檢測(cè)對(duì)象上進(jìn)行超聲波掃查、并對(duì)檢測(cè)對(duì)象中的預(yù)埋缺陷進(jìn)行定位和定量。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

為了能夠使學(xué)生深入理解超聲波無(wú)損檢測(cè)中超聲波聲場(chǎng)控制的理論基礎(chǔ),在虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟嵌入聲場(chǎng)控制與分析功能。學(xué)生通過(guò)聲場(chǎng)控制與分析功能直觀觀察超聲波聲場(chǎng)分布特征及其與缺陷的相互作用,幫助學(xué)生厘清檢測(cè)參數(shù)?聲場(chǎng)變化?檢測(cè)結(jié)果的相互關(guān)系,使學(xué)生在深入理解超聲檢測(cè)聲場(chǎng)控制理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。圖6 顯示,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中縱波直探頭檢測(cè)的聲場(chǎng)控制及分析場(chǎng)景,直探頭發(fā)射超聲波向下輻射,遭遇缺陷發(fā)生波形變化。

圖6 聲場(chǎng)控制與分析場(chǎng)景

3.2 質(zhì)量評(píng)價(jià)

超聲波檢測(cè)工藝與聲場(chǎng)控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)于2020 年正式在江西省高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享服務(wù)平臺(tái)上線,實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)從運(yùn)行服務(wù)、教學(xué)效果、改進(jìn)措施3 個(gè)方面評(píng)估教學(xué)質(zhì)量。運(yùn)行服務(wù)指標(biāo)重點(diǎn)考察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性、教師在線服務(wù)、面向社會(huì)提供服務(wù)等情況;教學(xué)效果指標(biāo)重點(diǎn)考察項(xiàng)目在本校及其它學(xué)校的應(yīng)用、學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度和認(rèn)可度、對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的貢獻(xiàn)度等方面的情況;改進(jìn)措施指標(biāo)重點(diǎn)考察項(xiàng)目方案提出的后續(xù)建設(shè)計(jì)劃和持續(xù)改進(jìn)服務(wù)計(jì)劃落實(shí)情況,以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新和資源完善情況等,具體見(jiàn)表2 所示。

表2 質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及觀測(cè)點(diǎn)

超聲波無(wú)損檢測(cè)工藝及聲場(chǎng)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)于2020 年9 月認(rèn)定為省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要為本專業(yè)學(xué)生,網(wǎng)絡(luò)評(píng)分達(dá)到4.9 分(參與實(shí)驗(yàn)人數(shù):200 人),取得了良好的教學(xué)效果。在教學(xué)工作運(yùn)行的半年時(shí)間里,針對(duì)存在的教學(xué)問(wèn)題,對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展持續(xù)建設(shè)和改進(jìn),最新改進(jìn)版本將于2021 年3 月上線,屆時(shí)平臺(tái)教學(xué)效果將達(dá)到新的更好的效果。

4 結(jié) 論

1) 依據(jù)無(wú)損檢測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際鍛件的缺陷分布,關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和有效性,使仿真模型與實(shí)際操作過(guò)程具有高度的一致性。

2) 通過(guò)仿真技術(shù)直觀觀察“關(guān)鍵操作步驟——聲場(chǎng)分布特征及其與缺陷的相互作用——檢測(cè)結(jié)果”的相互關(guān)系,揭示關(guān)鍵參數(shù)對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)及檢測(cè)結(jié)果的影響,仿真度應(yīng)能達(dá)到定性分析的程度。

3) 構(gòu)建多維線上教學(xué)平臺(tái)共同支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)工作,可提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的互動(dòng)性和穩(wěn)定性,有效的保障良好的教學(xué)效果。

4) 提出由運(yùn)行服務(wù)、教學(xué)效果、改進(jìn)措施三大指標(biāo)點(diǎn)組成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,通過(guò)形成教學(xué)活動(dòng)?質(zhì)量評(píng)價(jià)?持續(xù)改進(jìn)閉環(huán)不斷促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

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