摘 要：针对原有焊接实验教学中存在的不足和现阶段虚拟仿真技术存在的弊端，设计并开发了一款焊接虚拟仿真实验教学软件。该软件围绕焊接传热问题，以数值模拟技术为基础，兼具科学性、功能性、高效性、灵活性和低成本特点。
关键词:数值模拟;焊接传热;虚拟仿真;焊接实验教学;软件设计;
Design and Implementation of Virtual Simulation Welding Experiment Teaching Software
Based on Numerical Simulation
Zhu Zhi Zhang Zhanwei Mo Chunli Xu Rongzheng Ma Lin
School of Materials Science and Engineering, Shenyang Aerospace University
Abstract：Aiming at the shortcomings of traditional welding experiment teaching and the disadvantages of existing virtual simulation technologies, a virtual simulation welding experiment teaching software is designed and developed in this paper. The software focuses on the welding heat transfer problem and is based on numerical simulation technology. It has the characteristics of scientificity, functionality, high efficiency, flexibility and low cost.
Keyword：numerical simulation; welding heat transfer; virtual simulation; welding experiment teaching; software design;
作为理论联系实际的纽带，实验教学是焊接技术与工程专业课程教学的重要环节，是理论教学的有力补充，是培养学生创新思维、提高学生独立思考和分析解决问题能力的关键，符合新工科建设对高端应用型人才的培养要求[1]。然而原有的焊接实验教学存在以下不足[1,2]：一是焊接过程中常伴随高温、尘烟、弧光等危险因素，虽然采取防护措施，仍不可避免出现烧伤、烫伤、弧光打眼等伤害。因此，为避免意外发生，对高危实验项目只能进行实验讲解而无法实际操作，教学质量难以保证。二是实验教学资源有限，部分学生参与感较低。特别涉及大型仪器设备的焊接实验项目，由于设备成本和维护费用较高，多以实验演示为主，难以达到锻炼学生动手能力的目的。三是新型冠状病毒肺炎疫情(简称疫情)常态化背景下如何安全有效地实施焊接实验教学，也是新时期教育工作者需要探索和解决的问题。
近年来，随着计算机技术和信息技术的高速发展，教育部门提倡将虚拟仿真技术引入教学实践中，以提高教学质量。对于焊接技术与工程专业，虚拟仿真实验教学具有原有实验教学无法比拟的优势。一方面，虚拟仿真实验教学能够避免学生与高温、尘烟等恶劣环境接触；另一方面，通过虚拟仿真实验，学生可以先熟悉焊接实验过程和操作步骤，再到设备上进行实际操作。这样不仅能避免设备的非受迫性损坏，而且增加了学生的动手机会。目前国内许多高校结合自身的实验教学环境开发了一些虚拟仿真实验项目，将虚拟仿真技术引入实验教学中，以提高教学质量[3]。
尽管虚拟仿真技术在焊接实验教学中具有较好的应用前景，但现阶段虚拟仿真实验教学仍存在一些不可忽视的弊端。首先，虚拟仿真实验大多是基于虚拟现实或增强现实技术实现的，依赖于专用的软硬件来开发和使用[4,5]，但搭建虚拟仿真实验平台难度较大、费用较高，学习和使用成本也较高；其次，虚拟仿真实验教学资源有限，且单个虚拟仿真实验平台同时只能由一人或少数几人操控，受益学生数量有限；最后，受软硬件的限制，虚拟仿真实验教学只能在固定地点实施，缺乏灵活性，不适用于当前疫情常态化下特殊的教学环境。上述缺点和不足限制了虚拟仿真技术在焊接实验教学中的应用。
为了推进新工科建设，针对现有虚拟仿真技术存在的弊端，本文基于数值模拟技术设计并开发了一款焊接虚拟仿真实验教学软件(简称软件)，以弥补原有焊接实验教学中存在的不足。
1 软件核心与原理
焊接是一个涉及温度变化、应力应变和组织演变的多物理场耦合的复杂过程，其中温度场是焊接过程中最基本的物理场，直接影响焊接应力、应变和微观组织，进而影响接头力学性能，并最终影响焊接质量。掌握焊接过程的温度分布和变化规律对深入理解焊接机理、制订焊接工艺具有重要的理论和实际意义。因此，软件主要围绕焊接中的传热问题来设计和开发。
从数值模拟的角度，为获得焊接过程的温度分布和变化规律，需求解焊接热传导控制方程：
式中，t表示与坐标x,y,z及时间τ相关的温度场函数；ρ，c和λ表示焊接材料的密度、比热和热导率；表示内热源。为求解方程，需要根据焊接实际情况设置定解条件，包括边界条件和初始条件。软件采用有限差分法对上述热传导方程进行离散和求解。
2 软件整体设计
软件面向高校焊接技术与工程专业的实验教学，软件的整体框架如图1所示。软件的用户分为三类：一是管理员，可对用户信息(用户名、密码和身份)进行维护；二是学生，使用软件可以完成焊接热过程虚拟仿真实验，包括建模、求解、结果分析及生成实验报告；三是教师，除了完成虚拟仿真实验外，还可以导入学生撰写的实验报告进行评阅，从而完成焊接虚拟仿真实验教学。
3 软件功能实现
软件基于Python 3.9.4,wxPython GUI图形库完成开发，在Windows操作系统下无须安装，双击即可运行。软件采用模块化设计，包括前处理模块、求解模块、后处理模块和实验报告模块。
3.1 前处理模块
与Abaqus,Ansys等通用数值模拟软件一样，软件将焊接热过程的数值求解分解为前处理、求解和后处理三步。图2为软件的前处理界面，涵盖建立焊接热过程数值计算模型的全部功能，包括几何模型、材料属性、边界条件、初始条件、热源模型、焊接工艺、网格划分和求解参数设置。软件采用参数化建模，为用户提供了较大的自由度。建模时不仅要考虑材料非线性和边界条件非线性，而且能够支持高斯面热源、双椭球体热源等常用的热源模型，从而实现对多种焊接工艺的模拟。模型建立后，可导出独立的模型文件，以供求解模块调用，也可导入已有模型文件进行修改。此外，用户还可建立自己的材料库、边界条件库和热源库，以方便随时调用。
3.2 求解模块
图3为软件的求解界面，在此界面下，用户需载入前处理建立的模型文件，在指定结果文件名称和路径后，点击提交作业便可开始计算。用户通过界面进度条可以实时掌握计算进程，当发现问题时，可及时停止计算并修改模型。
3.3 后处理模块
图4和图5为软件的后处理界面。在温度分布结果界面下，用户可以自定义温度显示范围和显示网格，输出任意横截面、纵截面和水平截面的温度分布云图，也可以以动画形式更加直观地认识焊接过程的温度分布和变化规律。在温度历程结果界面下，用户可以设置虚拟测温点，自定义曲线线形、粗细和时间显示范围，输出工件上任意一点的温度历程曲线。此外，用户也可以根据需要以图片或数据的形式保存上述模拟结果，以便进行后续处理和撰写实验报告。
3.4 实验报告模块
根据用户身份的不同，实验报告模块将呈现不同的界面，如图6和图7所示。在实验报告导出界面，右侧窗口会自动生成报告模板，学生需按步骤完成报告撰写。第一步，填写基本信息，包括姓名、学号、专业和班级；第二步，根据需要载入虚拟仿真焊接实验中建立的焊接热过程模型文件，以导入模型信息；第三步，导入模拟结果，并添加相应的结果分析；第四步，以图片形式导出实验报告，供教师评阅。
在实验报告评价界面，教师可以导入学生撰写的焊接虚拟仿真实验报告，完成以下两方面工作：一是对实验报告进行评阅和添加评语，导出评价结果并反馈给学生；二是对实验报告进行评分，软件会自动生成成绩单。
4 结语
新工科背景下，针对焊接技术与工程专业，本文设计并开发了一款软件，其具有以下几个特点。一是基于焊接传热学原理和数值模拟技术实现，具有科学性；二是涵盖焊接热过程数值模拟全部环节，具有较强的功能性和较高的灵活性；三是无须具备专业的计算机编程知识，通过鼠标点击和少量键盘输入即可完成焊接虚拟仿真实验，操作简单且高效；四是软件为绿色软件，运行于主流的Windows操作系统，开发和使用成本较低。
将软件融入原有的焊接实验教学中，能够提高学生的学习热情，激发学生的创造思维，进而培养学生分析问题、解决问题的能力，符合新工科背景下对高端应用型人才的培养要求。
参考文献
[1] 陈宇,肖逸锋,钱锦文.新工科背景下虚拟焊接实验教学改革[J].电焊机,2019,49(12):117-120.
[2] 陈龙,朱玉斌,孙晓凯.疫情常态化下基于虚拟仿真的焊接实训教学[J].装备制造技术,2021(9):58-60.
[3] 齐义辉,李明,李青春,等.材料专业虚拟仿真实践教学的实施[J].辽宁工业大学学报(社会科学版),2020, 22(5):117-119.
[4] 龚自成.基于虚拟现实的焊接仿真应用与研究[D].成都:电子科技大学,2018.
[5] 金涛,雷毅.金属焊接虚拟实验室的开发[J]中国现代教育装备,2012(17):30-32.