王飛顯

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

船舶輔助機械作為船舶的重要組成部分，在船舶日常運行與管理中起到關(guān)鍵作用。隨著輪機工程技術(shù)的不斷發(fā)展和船舶運營管理環(huán)境的日益復(fù)雜化，對船舶輔機的性能和可靠性要求更加嚴(yán)格。因此，培養(yǎng)學(xué)生掌握船舶輔機知識和技能，以滿足行業(yè)需求與挑戰(zhàn)，成為航海教育中的緊迫任務(wù)。為培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、工程實踐能力強的新工科人才[1]，有學(xué)者提出了基于超星學(xué)習(xí)通的船舶輔機拆裝與操作實踐教學(xué)[2]，采用“理實一體化”課堂教學(xué)模式[3]。然而，船舶輔機專業(yè)性強、內(nèi)容難度大、實驗條件有限，虛擬仿真技術(shù)在船舶輔機課程中也應(yīng)用較少，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高、知識理解困難，難以將理論知識應(yīng)用于實踐。近年來，計算機仿真技術(shù)作為一種有效教學(xué)手段被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。Fluent 軟件是工程仿真綜合軟件ANSYS 的一個模塊，有學(xué)者提出了將Fluent軟件引入到專業(yè)課教學(xué)中[4]。ANSYS 功能強大，廣泛應(yīng)用于船舶工程領(lǐng)域，在船舶專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用備受關(guān)注。本文探討了ANSYS在船舶輔機課程教學(xué)中的應(yīng)用，通過軟件的虛擬仿真模擬幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用課堂知識，進(jìn)而提升了學(xué)生的實踐能力和工程應(yīng)用水平，以提高船舶輔機課程教學(xué)質(zhì)量，為船舶輔機課程教學(xué)提供有益參考，促進(jìn)船舶工程領(lǐng)域教學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展。

1 船舶輔機課程教學(xué)現(xiàn)狀

在船舶輔機課程教學(xué)中，部分內(nèi)容比較抽象，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，例如在講解“離心泵的工作原理”內(nèi)容時，學(xué)生在理解“離心泵吸排液體的過程”上，感到較為困難，原因在于學(xué)生對流體壓力這種比較抽象的知識理解不清。船舶輔機課程內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，與傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程密切相關(guān)，綜合性要求更高。例如，學(xué)習(xí)船用泵的揚程計算前需要先掌握流體力學(xué)中的伯努利方程，學(xué)習(xí)船舶空調(diào)與制冷設(shè)備前要先掌握傳熱學(xué)中的熱交換知識。但是，考慮到職業(yè)院校學(xué)制相對本科院校較短，課程安排上更緊湊，有些職業(yè)院校在輪機工程技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中并未設(shè)立這些專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)生缺乏相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，在學(xué)習(xí)船舶輔機課程時對很多抽象的知識點感到困惑。此外、教學(xué)模式相對單一，課堂主要以教師進(jìn)行理論講述，輔助以微課、動畫和線上資源，學(xué)生對基本知識理解不夠，難以將理論知識運用于實踐。在實踐教學(xué)方面，實訓(xùn)設(shè)備更新較慢，師資有限，大多數(shù)學(xué)生只是參觀了操作流程或者簡單觀察了設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，而沒有完整地進(jìn)行操作實踐。導(dǎo)致學(xué)生對船舶輔機設(shè)備的工作原理及特點了解的不透徹，也無法通過實踐加深對理論知識的掌握。

學(xué)習(xí)船舶輔機的目的是為了能夠讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識進(jìn)行船舶輔機設(shè)備的操縱、管理與維護(hù)。當(dāng)課程在理論及實踐的結(jié)合上不夠完善時，學(xué)生就難以在工程實際中應(yīng)用所學(xué)知識。如果將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到理論教學(xué)中，可以加強學(xué)生對理論知識的理解和掌握，并了解工程實際問題。然后再將理論知識應(yīng)用到實踐中去，形成“理”與“實”的良好結(jié)合，這樣能提升課程的教學(xué)質(zhì)量，滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。

2 ANSYS 應(yīng)用于船舶輔機課程教學(xué)的優(yōu)勢

ANSYS 是一款計算分析能力強大的工程仿真軟件，可以用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱交換、電磁場的仿真分析，以及系統(tǒng)仿真、聲學(xué)分析等多個領(lǐng)域的研究。ANSYS廣泛應(yīng)用于船舶工程領(lǐng)域，包括船舶流體力學(xué)分析、船體結(jié)構(gòu)仿真、船舶性能優(yōu)化等方面。ANSYS 在船舶輔機中也得到廣泛應(yīng)用，例如運用ANSYS對船舶起錨機的液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障分析[5]等。

ANSYS 能通過色彩鮮明的云圖清晰地展示機械設(shè)備內(nèi)部流體的流態(tài)、換熱溫度的變化情況以及設(shè)備關(guān)鍵部位的受力變形等，將抽象的知識形象化，從而顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。該軟件可以模擬多個知識點，并將各門課程知識串聯(lián)起來，使學(xué)生更深層次地掌握所學(xué)內(nèi)容。在仿真過程中，通過人機交互，對計算結(jié)果進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，并與實際參數(shù)進(jìn)行比較，能讓學(xué)生更早地接觸到工程問題。

3 ANSYS虛擬仿真教學(xué)過程

將ANSYS 虛擬仿真融入到船舶輔機課程教學(xué)中，以學(xué)生為教學(xué)主體，結(jié)合問題探究的教學(xué)方法，針對具體問題進(jìn)行ANSYS案例教學(xué)[6]，教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 ANSYS案例應(yīng)用教學(xué)模式圖

3.1 ANSYS應(yīng)用案例內(nèi)容的確定

傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生難以直接觀察設(shè)備或內(nèi)部流體的動態(tài)變化，例如速度、壓力的分布情況，將ANSYS 應(yīng)用于船舶輔機課程教學(xué)能讓學(xué)生更直觀地觀察到流體參數(shù)的變化，更容易理解基礎(chǔ)知識，這是與傳統(tǒng)教學(xué)方式不同的地方。選擇的ANSYS教學(xué)應(yīng)用案例應(yīng)具有一定的綜合性，既要與理論教學(xué)中的重難點內(nèi)容結(jié)合，又要能夠通過軟件實現(xiàn)建模和計算分析。因此，本文在船舶輔機課程的每一章節(jié)課題中挑選一個典型案例與ANSYS 結(jié)合教學(xué)，這些案例都是在理論教學(xué)中比較抽象、學(xué)生難以直接觀測和理解的內(nèi)容，具體教學(xué)應(yīng)用案例如表1所示。

表1 ANSYS在船舶輔機教學(xué)中的應(yīng)用案例

本文在船舶輔機課程的船用泵課題中挑選了離心泵作為典型案例展開應(yīng)用研究，離心泵的理論教學(xué)內(nèi)容中部分知識點比較抽象，如離心泵的工作原理、離心泵的空化現(xiàn)象，學(xué)生難以直接觀測和理解。利用ANSYS 軟件進(jìn)行離心泵的數(shù)值仿真計算，可以分析離心泵在不同流量工況下的流體壓力分布、速度分布等特性，針對理論教學(xué)中的重難點內(nèi)容，結(jié)合云圖等仿真結(jié)果分析總結(jié)規(guī)律以加強學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握。

3.2 ANSYS虛擬仿真教學(xué)實踐

課前，由教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生利用線上課程資源自主完成離心泵章節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)；考慮到建模仿真專業(yè)性強、工作量大，學(xué)生也很難在短時間內(nèi)掌握軟件的使用，所以在課前由專業(yè)教師運用ANSYS 軟件完成離心泵的建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置及求解計算工作。

課中，教師針對離心泵的工作原理和空化現(xiàn)象等重難點內(nèi)容展開理論知識教學(xué)。教師在講解離心泵的工作原理時，學(xué)生難以理解離心泵中液體的吸入與排出過程，針對這部分內(nèi)容教師進(jìn)行理論分析講解，例如由于葉輪高速轉(zhuǎn)動，在葉輪中心處形成負(fù)壓，在與外界氣壓的壓差作用下液體被吸入；蝸殼的擴(kuò)壓管部分能降低液體流速、增加出口界面壓力，有利于排出液體。在進(jìn)行離心泵空化現(xiàn)象的教學(xué)中，教師講解空化現(xiàn)象的形成是由于泵內(nèi)部壓力降低，易形成氣泡，從而影響泵的工作性能和效率。

完成理論知識講解后，教師向?qū)W生展示虛擬仿真結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生觀察離心泵的流體分布云圖，結(jié)合問題探究式的教學(xué)方法，提問學(xué)生“在仿真結(jié)果云圖中，離心泵流體的壓力和速度是如何變化的？“讓學(xué)生帶著問題與教師一同進(jìn)行仿真結(jié)果的觀察與分析，能促進(jìn)學(xué)生主動參與思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和動力[6]，最后將總結(jié)的規(guī)律用于解釋提問，加強學(xué)生對理論知識的理解與掌握。

通過仿真計算得到了3種不同流量工況下離心泵中部截面的壓力云圖和速度云圖，可以觀察到在離心泵葉輪葉片、蝸殼部位流場的壓力分布和速度分布情況。壓力云圖如圖2所示，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)在離心泵葉片根部流體壓力最小、壓力值為負(fù)值，在葉片頂部壓力最大；蝸殼的渦室部分壓力值比較接近，在擴(kuò)壓管部分壓力逐漸增加，在液體出口處壓力達(dá)到最大；隨著流量的增加，離心泵內(nèi)部擴(kuò)壓管部分壓力值降低。速度云圖如圖3所示，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)在離心泵葉片頂部流體流動速度最快，在葉片根部流體流動速度相對較低；在蝸殼擴(kuò)壓管部分流體流動速度有降低的趨勢，出口處流體流動速度較小。學(xué)生討論并回答提問后，教師結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容總結(jié)歸納，例如云圖中觀察到葉輪根部出現(xiàn)了負(fù)壓，液體能夠被吸入，負(fù)壓也容易導(dǎo)致離心泵的空化；云圖中觀察到擴(kuò)壓管中流速降低、壓力增大，液體能夠被排出。

圖2 3種流量工況下的壓力分布云圖

圖3 3種流量工況下的速度分布云圖

課后，教師指導(dǎo)學(xué)生自主操作虛擬仿真軟件，觀察不同截面處的云圖以及離心泵旋轉(zhuǎn)時流體變化的動畫，進(jìn)一步分析總結(jié)更多規(guī)律，這樣能提高學(xué)生工程軟件的應(yīng)用能力，為未來工作及科學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)，這是傳統(tǒng)教學(xué)中缺少的內(nèi)容。

3.3 ANSYS虛擬仿真教學(xué)展望

本文運用ANSYS軟件的流體分析功能，對船用泵課題中的離心泵案例展開了虛擬仿真教學(xué)研究，通過觀察分析云圖，加深了學(xué)生對理論教學(xué)內(nèi)容的理解。除了本文所采用的離心泵案例外，船舶輔機課程中的其他設(shè)備也可以運用ANSYS軟件進(jìn)行虛擬仿真輔助理論知識的教學(xué)，案例如表1所示。

在船用空氣壓縮機課題中，氣閥閥片是主要的研究對象之一，氣閥閥片在空壓機運行過程中會反復(fù)的啟閉，易發(fā)生撞擊變形，需要學(xué)生掌握氣閥閥片的結(jié)構(gòu)、受力分析、使用要求等內(nèi)容。ANSYS具備結(jié)構(gòu)分析的功能，可虛擬仿真出不同狀態(tài)下氣閥閥片的受力狀態(tài)，繪制出應(yīng)力分布云圖，讓學(xué)生直觀地了解閥片結(jié)構(gòu)、受力變形情況，并總結(jié)出閥片的使用要求。船舶制冷與空調(diào)課題中的電子膨脹閥可運用ANSYS流體分析能力，觀察設(shè)備內(nèi)的流體狀態(tài)，了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)；船用海水淡化裝置課題中的冷凝器可運用ANSYS熱分析能力，仿真計算不同液體溫度下的設(shè)備換熱效果；船舶輔助鍋爐課題中的噴油器可運用ANSYS流體分析能力，觀察噴嘴內(nèi)燃油霧化的狀態(tài)，分析影響燃油霧化效果的因素。船用液壓設(shè)備課題中的密封裝置可運用ANSYS結(jié)構(gòu)分析能力及熱分析能力，觀察到密封裝置的磨損及熱變形。

基于ANSYS軟件強大的仿真計算功能，在這些案例的基礎(chǔ)上還可以不斷豐富案例內(nèi)容，對輔機設(shè)備進(jìn)行多角度、更全面的分析，如結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析、振動噪聲分析等等，這些案例都能運用ANSYS軟件進(jìn)行虛擬仿真輔助理論知識的教學(xué)。

4 結(jié)語

本文旨在探索ANSYS 軟件在船舶輔機課程教學(xué)中的應(yīng)用研究，通過ANSYS 軟件的虛擬仿真教學(xué)，能加強學(xué)生對理論知識的掌握，更好地將課程的理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，提升教學(xué)質(zhì)量。融入探究式教學(xué)方法能讓學(xué)生積極參與課堂互動，觀察輔機設(shè)備內(nèi)部的流體分布云圖，幫助學(xué)生更深刻地理解所學(xué)知識，增強學(xué)生和教師之間的互動交流，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并培養(yǎng)學(xué)生在實踐中綜合運用知識分析解決工程實際問題的能力，為船舶輔機教學(xué)提供了全新的教學(xué)思路和方法。