核工程与核技术专业虚拟实习教学方式研究

王 虎，陈建华

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;2.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

实践教学是大学生教育的一个关键环节，它不但可以使大学生在课本上学习到的理论知识与现场实际工况操作得到结合，而且增加了学生对日后工作的初步认识，提高其毕业后的工作能力。增强对死板抽象的专业知识的感性认识，提高学生分析问题与解决问题的能力，起到了课堂教学模式不可替代的作用。通过实习使学生了解本专业的具体工作和系统设备的工作的工况与流程。培养学生的创新精神和工程实践能力。但是由于受企业体制改革、教学经费的限制，而且因为核电厂的特殊性和敏感性，学生的实践学习不能进入核电站现场，核电专业在安排和实施生产实习过程中存在一些问题，因此探索如何进一步加强实践环节，提高学生的工程实践能力和创造力具有极其重要的意义。

鉴于这种情况，本文提出将3D Max建模软件和VRP虚拟现实应用于本专业的教学过程，以三维建模和动画的形式，体现核电厂系统的工作流程、设备的布置和工作工况。模拟核电站现场，让大学生在实践教学过程中以最直接的感官接触核电站。它以电脑软件的形式，以最直接的方式增强学生对专业知识的感性认识，充分调动学生学习的积极性、主动性，优化教师的课堂教学过程，提高学生的学习效率。

1 软件介绍［1-3］

1.1 3ds Max

3ds Max，其全称为3D Studio Max，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。与其他同类型软件相比较，它有如下优点:⑴功能强大，扩展性好，尤其在建模和角色动画方面具备很强的优势，另外丰富的插件也是其一大亮点。⑵与强大的功能相比，3ds Max可以说是最简单最容易上手的3D软件。⑶与其他软件配合流畅，例如3ds Max可以与我们下面谈到的VRP完美的配合在一起。⑷做出来的效果非常的逼真。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3ds Max被广泛地应用于电视及娱乐业中，而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3ds MAX的使用率更是占据了绝对的优势。

1.2 VRP

VRP是VR-Platform的简称。VR-Platform三维互动仿真平台是由中视典数字科技独立开发的具有完全自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，可广泛的应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得，他的出现将给正在发展的VR产业注入新的活力。VRP并且可以和3ds Max无缝集成，将3ds Max中的模型直接导入VRP中。VRP软件可以将模型放置在一个场景内，模拟核电厂内部布置，最后形成一个应用程序，以方便同学使用、学习。

2 核电厂一回路系统设备虚拟建模装配的实现

2.1 系统建模

在3ds Max命令菜单中，我们可以选择创建各种基本几何体和线条图形。通过将这些基本模型进行修改和组合，如移动、旋转、布尔、阵列、挤出、车削、倒角、圆角等一系列命令操作完成系统设备的零部件设备的绘制。最后我们将这些零部件整合起来，构成我们的系统设备。

我们在这里的模型主要是根据大亚湾核电站核岛部分的RCP系统进行建模［4］。一回路冷却剂系统的主要设备主要包括反应堆、蒸汽发生器、冷却剂主泵和稳压器。一回路冷却剂温度进口温度为292℃，出口温度为327℃;系统工作绝对压力为15.5 MPa;系统总容积为283 m3。反应堆压力容器的内径为4000 mm，高度为13200 mm;压力容器内有燃料组件157个，每个组件内控制棒位数61。蒸汽发生器下部直径为3446 mm，上部直径为4484 mm，总高度为20848 mm;冷却剂进口温度327℃，出口温度293℃;蒸汽发生器内有导热管4474根，直径为19 mm。反应堆冷却剂主泵扬程97.2 m，NPSH为1.25 MPa，泵入口温度为293℃，转速为1485 r/min，水容积为4 m3。稳压器运行绝对压力为15.5 MPa，温度为345℃，外部直径2350 mm。系统设备参照大亚湾320教材数据，按照1 1的比例进行绘制。

在此，我们一回路冷却剂系统的蒸汽发生器为例。蒸汽发生器主要由下封头、换热管、干燥器和蒸汽发生器外壳组成。首先我们绘制下封头，先制作一个半球体，将之掏空，只余外部壳体，再将蒸汽发生器的进出口管与半球壳体塌陷在一起。最后将一块隔板放在进出口管之间，将冷却剂入口腔室和出口腔室隔断。蒸汽发生器的导热管是由4474分U形管构成，并且在隔板上有与之对称的8948个孔，以将导热管插入。在这里数量大，模型所占特征数也多，这使得导热管模块的模型文件占用了很大空间，影响了计算机的正常运行速度，所以我们在这里只做出一部分导热管来代表真实工况下的生气发生器导热管。之后的干燥器和蒸汽发生器外壳我们就可以用3ds Max将其制作出来，见图1。

2.2 VRP 操作

安装VRP插件后，3ds Max中的模型可以直接导入到VRP插件中。核电厂模型在VRP中可以通过装配实现契合，形成一个完整的系统。之后在场景中设置摄像机，实现虚拟现实化，将这些模型通过VRP的制作形成真实的场景，制作出让人身临其境的视频。同时在场景中加入各种功能的按钮，通过这些按钮实现这些功能的链接。并且我们可以在模型上添加设备系统的工作工况视频，还可以在页面上加载系统工作流程视频。给实践学习中的大学生清晰、简明的专业知识感观。软件制作和软件效果见图2～图3。

图1 蒸汽发生器模型

图2 虚拟实习基地软件开发初始操作界面

图3 虚拟实习基地视频操作界面

最后输出一个应用程序，老师和同学可以直接打开这个应用程序，根据所需要的内容来操作点击按钮，将之前加入的功能实现。

3 结 论

以三维虚拟平台形式实时动态地呈现出核电站一回路设备和系统布置，可以使学生置身在虚拟的环境之中，身临其境的浏览反应堆厂房布置和设备构造，从而实践教学中学生的认知质量，把课本上学习到的理论知识和现场实际工况操作能力得到得到结合，增强学生的综合素质，提高学生分析问题与解决问题的能力。

［1］苏建，徐观.基于Solidworks平台的四轮定位仪检定装置三维动画仿真，机械设计与制造［J］.2007(5):72-73.

［2］刘国良.3ds Max完全学习宝典［M］.电子工业出版社，2007:122-159.

［3］江洪，杨勇等.Solidworks实例解析——曲线、曲面、仿真、渲染［M］.北京:机械工业出版社，2005:26-58.

［4］马进.核能发电原理［M］.北京:中国电力出版社，2007:13-61