典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学中的应用--以架桥机为例

Science&TechnologyVision科技视界典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学中的应用要要要以架桥机为例朱书慧1李连豪2袁志华2刘婉茹2渊1.河南大学教育科学学院袁河南开封475001曰2.河南农业大学机电学院袁河南郑州450002冤揖摘要铱针对典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学应用过程中存在的问题袁本文从与课堂知识点结合尧教学方法尧操作步骤和考核方法等方面展开讨论遥结果对合理使用典型机械工程安全事故虚拟仿真系统和丰富叶工程力学曳实践教学环节场景具有指导意义遥揖关键词铱工程安全事故曰虚拟仿真曰实践教学曰应用中图分类号院TU714文献标识码院ADOI院10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.022文章编号院2095-2457渊2019冤28-0058-002ApplicationofVirtualSimulationSystemforTypicalSafetyAccidentsinMechanicalEngineeringinPracticeTeaching:ACaseStudyoftheBridgeMachineZHUShu-hui1LILian-hao2YUANZhi-hua2LIUWan-ru2(1.SchoolofEducation,HenanUniversity,KaifengHenan475001,China;2.CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,HenanAgriculturalUniversity,ZhengzhouHenan450002,China)揖Abstract铱Aimingattheproblemthatintheapplicationofvirtualsimulationsystemfortypicalsafetyaccidentsinmechanicalengineeringinpracticalteaching,thecombinationofclassroomknowledge,teachingmethods,operatingproceduresandassessmentmethodswerediscussedinthisthesis.TheresultshaveguidingsignificanceforrationaluseofvirtualsimulationsystemoftypicalsafetyaccidentsinmechanicalengineeringandenrichingthesceneofpracticalteachingofEngineeringMechanics.揖Keywords铱Engineeringsafetyaccidents;Virtualsimulation;Practicalteaching;Application0引言随着我国社会经济的高速发展袁诸多生产事故频现袁因此在时代的大背景下袁避免事故发生和安全生产等意识逐渐深入人心遥诸多生产事故多属于机械工程事故工程力学范畴遥如何避免机械工程事故需要从头抓起袁也就是说袁需要从机械工程的的设计者初始就需要增强安全意识袁避免事故发生遥就其基础学科叶工程力学曳而言袁典型机械工程安全事故袁如架桥机工作过程可能出现的事故袁是工程力学全部知识点和相关实验的再现袁具有典型的代表性遥在叶工程力学曳实践教学环节袁典型机械工程安全事故很难现场再现遥基于此类问题袁结合信息技术[1]袁以架桥机为例袁开发出一款典型机械工程安全事故虚拟仿真系统[2-3]袁其能够直观地再现架桥机在使用过程可能出现的安全事故遥在叶工程力学曳实践教学环节袁如何合理地使用上述系统[4]袁例如如何结合课堂知识点尧如何操作以及考核成为一个亟待解决的问题遥基于以上问题袁本文讨论了典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学过程中的应用遥本文对合理使用虚拟仿真系统具有指导意义遥1典型机械工程安全事故虚拟仿真系统简介本系统通过虚拟仿真技术再现架桥机工作过程可能出现的事故为出发点袁弥补传统工程实践教育的不足袁提高机械工程本科生创新尧动手能力遥其主要由VR图形工作站曰头戴式虚拟现实头盔曰六自由度操控手柄等硬件和知识模块及网络条件等软件组成遥2面向学生及专业基础本系统主要面向农业工程相关专业尧机械工程相关专业和交通工程相关专业的三四年级工科本科生及研究生遥要求学生学习完大二所有课程和相关的专业基础课程遥掌握力学和机械原理相关知识袁掌握力学分析基本要求以及机械原理等基础知识遥专业实验要淫基金项目院河南农业大学野2016高等教育科学研究渊20160306冤冶曰野CAD类课程野微课冶教学模式的探究与实践渊(2016)-JKGHB-0178冤曰河南省教育科学野十三五冶规划2016年一般课题野河南省特色学科农业工程学科建设研究冶渊[2016]-JKGHB-0177冤曰河南省教育科学野十三五冶规划2017年一般课题野基于微信技术提升工科基础课程教学的师生有效互动模式研究冶渊[2017]-JKGHYB-0014冤遥作者简介院朱书慧渊1986要冤袁女袁河南焦作人袁讲师袁博士袁主要从事教育技术方面的科研和教学工作遥58科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界求学生学习完至少相关的三门专业课程遥掌握基本力学和机械原理的相关知识遥熟悉典型机械的结构与原理袁掌握基本操作以及软件使用方法遥3基本应用3.1课堂渊零2件冤渊架1包桥冤架知括机桥识院电的机点机拆的结结合构认知袁真实再现架桥机的结构遥袁解减袁速可器将袁架卷桥筒机机主构要袁零绳部索件导逐向一器拆袁制解动袁器渊析3袁遥冤行架走运桥机动机形式主构袁横向机构袁天车袁架桥机机臂袁吊梁遥分要析部袁件画的出工运作动原简理图遥遥根渊4据冤架梁桥片机的动重力量分分析计算电机的功率遥渊5冤拉伸强度校核遥钢丝绳拉力分析袁根据梁片的重量分析钢丝绳的拉力袁钢丝绳的强度校核遥渊6冤弯曲强度校核袁天车的受力分析袁画出天车梁的力学简图袁根据梁片的重量分析天车横梁的受力袁天车横梁的强度校核遥渊7冤扭转强度校核袁卷筒轴的受力分析袁卷筒轴的力学简图袁根据梁片的重量分析卷筒轴的受力袁卷筒轴的强度校核遥渊8冤架桥机运行准备工作遥渊9冤架桥机工作过程安全管理遥渊10冤事故原因3.2分析袁扁担体受力简图袁强度计算遥采教用学引方导法学生自主学习尧虚拟实训并展开的实验教学方法袁目的使学生在整个虚拟仿真实验过程中能够获得直观尧真实的实验效果遥学生在模拟实验操作过程中进行知识学习和设备操作袁既可以培养学生对专业知识的理解和实训操作的技能袁又可以培养学生自我训练及创新意识袁是传统教学无法比拟的遥虚拟实训包含理论学习和虚拟实验操作2部分遥其中袁理论学习部分包括结构认知尧原理文档尧动画演示等袁保证学生在实验过程中可以随时查看与之相关的理论资料袁检查自己对相关内容的掌握程度曰虚拟实验以沉浸式人机交互的形式让学生在虚拟的环境和实验设备上进行操作袁包括学习模式和考核遥在学习模式下系统提供文字尧3D高亮尧逻辑约束等标识袁引导学生完成实验过程遥在考核模式下袁系统关闭提示和引导信息袁并加入计时计分功能袁从而检验学生的学习效果遥通过沉浸式虚拟现实操作尧理论学习等方式袁实现了对相关实验课程内容的全覆盖袁通过理论学习与实验实操的有机结合袁达到了丰富课程资源尧提高教学质3.3量的效果遥掌握渊该1操冤作方法与步骤系参统照的架基桥本机操虚作拟与仿相真关教功学能系袁统以的及操每作个说模明块书功袁能的握架渊操2冤作学步生骤通以过及对要架求桥遥机的基础知识学习拆卸渊桥3冤机学的生组通成过结对构尧技术参数尧功能原理等袁了知解识与遥掌架桥渊步架桥机的拆装袁掌握架桥机的正确机4冤骤的学与基生规本通范工过遥作对原工理作袁原了理解和基动本力运分动析形的式学习分袁析掌袁握画出运天车渊动5冤简了图解遥与根掌据握梁强片度的校重核量袁分掌析握计钢算丝电绳机的功率遥业前渊的应6冤受该学力做生分好通析的过和准对卷备架筒轴的受力分析方法和拉校力核分遥析尧工桥作机袁作如业农前用准架备桥学机习机袁掌体握折在叠作结构快与掌渊装握7冤快扁学拆担生和体通构受过建力对安简架装图桥和和机调强事试等遥度故计原算因等分内析容的遥学习袁了解具体交互性操作步骤如表1所示遥表1操作步骤序号步骤名称说明1进入系统软打开系统软件袁选择并打开野典型机件械工程安全事故虚拟仿真冶模块功能2选择作业实在不同的实训场景中袁操作者选择一训场景个场景进行作业实训3领取作业任在作业模拟实训前袁操作者会先读取务当前作业所要达成的作业目标遥4拉伸强度校核钢丝绳拉力分析袁根据梁片的重量分析钢丝绳的拉力袁钢丝绳的强度校核遥5弯曲强度校天车的受力分析袁画出天车梁的力学核认知简图袁根据梁片的重量分析天车横梁的受力袁天车横梁的强度校核遥6扭转强度校卷筒轴的受力分析袁卷筒轴的力学简核认知图袁根据梁片的重量分析卷筒轴的受力袁卷筒轴的强度校核遥7工作准备操作者根据任务进行架桥机作业准备8架桥机动力运动形式分析袁画出运动简图遥根据分析梁片的重量分析计算电机的功率遥9事故原因分析扁担体受力简图袁强度计算遥10效果评估作业完毕后袁操作者检查自身作业操作以及所需时间3.4系考统核主要要求对学生的理论掌握程度尧架桥机内部结构尧动力及强度分析尧典型事故分析实训的操作等方面进行考核遥针对不同模块进行不同的考核方式袁具体如范围渊下涵1冤院盖力基学本基理础论理尧论动知力识分院力析学和基强础度理校论核知方识法的等考遥核主要以选择题的形式对学生进行考核遥每次进入该部分的考核系统袁系统会随机生成5-10道选择题供学生进行考核袁系统以自动判断的方式对学生回答的正确性进行判断和记录袁并在学生回答完毕之后袁系统会给出最终反馈袁反馈内容包括学生的答题时间尧正确答案渊等架2桥冤内架容机桥遥基机础基理础论理的论考核范围涵盖架桥机的结构尧工作原理以及拆装遥考核方式以选择题及实训相结合袁系统以自动判断的方式对学生操作实验过程的正确性进行判断和记录袁并在学生回答完毕之后袁系统会给出最终反馈袁反馈内容包括学生的答题时间尧正确答渊案事3故冤等事内容遥分故析分实析训实考训核是模拟作业实训操作袁学生在没有任何提示的情况下进行操作袁系统会采用过程记录尧自动判断尧计分尧计时等方式对学生的操作过程的正确性尧熟练性和知识掌握的完整性进行考核遥渊下转第84页冤Science&TechnologyVision科技视界59Science&TechnologyVision科技视界其他负载较轻的AP遥如图所示遥陆验证的麻烦袁该认证采用野账户+MAC+其它冶进行绑定的方式保证安全遥认证业务涉及如图3遥图3认证流程如图4遥认证业务示意图图22.2FITAP自动射频调整功能示意图图4认证流程图安全认证设计网络安全的要求院保证内部网络安全是业务能够正常运行的关键袁为了保证内网用户接入网络的安全性袁可以通过以下方式完成对内网用户的接入访问院接入安全遥接入网络直接面向各类终端袁存在安全隐患较大袁可能存在诸如院ARP攻击尧非法DHCP服务器尧网络环路尧非法访问等安全问题袁本次设计也针对这些安全因素做合理设计遥ARP攻击院ARP是基于二层网路攻击的报文袁若要对ARP欺骗攻击进行彻底防御袁需要着手于在接入层交换机就进行安全防护配置遥可以在接入设备开启ARP过滤功能袁对非法的网关ARP报文进行过滤遥非法DHCP服务器院接入用户私接设备渊如院家用有线/无线路由器尧家用交换机等冤很容易导致非法DHCP服务器接入网络影响其它用户正常上网遥而DHCP报文同ARP报文皆工作于二层网络袁安全防范需从接入层交换机做起遥可以在接入交换机配置DHCP保护完成对DHCP非法报文的拦截遥网络环路控制院网络环路可以存在各层网络袁接入汇聚核心间的网络环路可以通过生成树或环路检测功能消除遥但接入层交换机的环路设计可以通过端口环路检测来消除袁并且开启接入交换机环路检测功能还可以防止私接的家用设备上的环路袁有效阻止环路风暴扩散到上层网络遥访问安全控制院考虑到内网的安全接入问题袁对每个用户进行接入控制袁用户首次连接网络会强制要求自助注册账户袁注册后需要对应部门领导进行审批通过后袁才能正常使用网络资源遥首次用户接入需要用户填登录账户及密码袁后期可采用无感知认证免去登渊上接第59页冤3应用效果不管室内还是室外袁全方位的覆盖规划都是一件非常有挑战的工作遥无线网络规划设计参照经验进行设计袁与现网环境有机结合袁不但有科学的依据袁准确率也很高袁且规划效率高遥精细的覆盖规划能充分发挥WLAN的性能袁并且也给后期维护优化减小工作量袁减少后期成本遥图5效果图4结语根据目前平煤集团办公区的网络状况和规模袁通过采用无线控制器渊AC冤+瘦AP渊FITAP冤的组网方式袁瘦AP实现无线信号的处理袁而用户管理尧加密尧漫游尧AP管理等功能全部集中到AC进行袁这样可以简化整个网络的管理袁提高设备的工作效率遥AP的供电采用POE供电袁这样可以简化布线袁同时减少故障点袁提高网络的可靠性遥该项目主要完成对平煤集团室内室外办公区进行WLAN无线系统的建设袁以此提高办公人员工作效率遥4结束语虚拟仿真技术能够再现在叶工程力学曳丰富的实践教学环节袁为工科本科生和研究生提供多样的现场和互动遥实践证实袁通过系统的互动袁能够明显的增强教学效果遥但系统与全方位的机械工程安全教育尚需进一步开发和丰富遥随着机械工程安全教育场景的不断优化袁虚拟仿真技术必将为优化叶工程力学曳教学过程和教学改革发挥重要作用遥84科技视界Science&TechnologyVision咱1暂胡小强援虚拟现实技术[M]援北京院北京邮电大学出版社袁2005援咱2暂姜志森袁翟龙军袁张树森援基于虚拟现实技术的微波技术与天线课程实验教学实践与探索[J]援实验技术与管理袁2010袁27渊6冤院85-88援咱3暂邸馗袁于天彪袁陈培媛袁等援虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用[J]援实验技术与管理袁2014袁31渊10冤院10-12援咱4暂李培根援未来工程教育中的实践意识[J]援高等工程教育研究袁2010渊6冤院6-8援揖参考文献铱