钢筋混凝土粮食筒仓虚拟仿真实验设计

2022-09-21 16:40:01 来源:写作指导

[摘要]钢筋混凝土粮食筒仓具有占地少、机械化程度高、周转速度快等诸多优点,在粮食仓储行业应用广泛。然而筒仓实验教学受设备与技术的制约,实验教学形式相对比较单一,这限制了学生创新精神的培养与实践能力的提高。为此,课题组根据粮仓建筑与结构课程教学大纲和培养计划,依托信息技术设计构建了筒仓认知、筒仓工艺、储粮压力分析和筒仓结构设计虚拟仿真实验,补充实物模型实验中的缺失环节。虚拟仿真实验提高了筒仓实验教学的质量,为筒仓专业知识教学和学生专业能力的训练提供了更完善的路径。

[关键词]筒仓结构;粮食;虚拟仿真;实验教学

虚拟仿真实验教学项目的建设顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要,可以对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化产生积极而重要的影响[1-2]。河南工业大学充分考虑自身在土木建筑方向的办学优势和特点,以土木工程、建筑学、工程管理专业为基础,以粮油仓厂建筑为特色,利用互联网与信息化技术开发了一系列虚拟仿真实验教学资源,正在努力建立与“土木建筑河南省实验教学示范中心”相辅相成、优势互补的虚拟仿真教学资源。对于粮油仓厂中重要的仓型钢筋混凝土筒仓,其建设过程包括勘测、选线、基础、结构、工艺、交通组织等诸多环节,整个工期动辄数年,而且工程现场情况复杂、危险性高,不利于开展现场实验或实践教学[3-5]。为此,针对大型复杂粮食筒仓认知、工艺、理论及设计实验无法在实验室内让本科生直接深入参与、理解的现实,课题组提出虚拟仿真场景、场景漫游、操作环境以及操作对象的设计方案,构建切实可行的筒仓认知、筒仓工艺、储粮压力和结构设计过程虚拟仿真实验,以期达到拓宽学生视野、激发学生兴趣、让学生学以致用和主动创新的目的。

一、筒仓虚拟仿真实验的必要性

筒库以占地少、机械化程度高、接收和发放能力强、周转速度快等优点在港口广泛使用[6]。然而实际教学资源受设备与技术的制约,筒仓实验教学形式相对还比较单一,内容相对局限于简单的模型实验项目,难以适应社会对培养富有创新精神与实践能力的高层次人才的需求[7]。目前,实践教学主要存在着以下问题:1.学生参与程度低,难以掌握粮仓工艺、理论和设计的重点和难点,不能满足学生实际动手能力培养的需要;2.若带领学生到筒仓所在地实地考察,存在距离远、实施起来不便利等困难;3.实际钢筋混凝土筒仓很多设备因工艺要求是封闭的(实际筒仓和机械化输送线如图1和图2所示),学生在实际筒仓中观察,短期内很难切实体会到筒仓的工作原理,只是对筒仓的外观有一个笼统的认知,达不到教学的要求;4.本学科在筒仓方面长期的科研成果无法面向学生实现教学共享。因此,利用互联网技术与信息技术,构建具有贴近工程、高度仿真、开放共享的虚拟仿真教学实验,辅以科学合理的教学模式,可弥补现场实践的不足,补充实物模型实验不具备或难以完成的教学功能,拓展筒仓实验及实践教学的深度和广度,实现科研反哺教学、紧密结合工程实际的教学模式。

二、筒仓虚拟仿真实验的设计

根据粮仓建筑与结构课程教学大纲、培养计划,信息技术展现形式以及学生获取知识的习惯,准备实验原理、实施技术、方案流程、实验结果等内容,构建筒仓仓型认知、粮食输送和储藏工艺、筒仓储粮压力分析和筒仓结构设计虚拟仿真实验方案。首先,设计筒仓仓型认知实验,以此为载体让学生了解筒仓是一种向高空发展、容量大、占地少、安全性高以及机械化程度高的粮仓。其次,针对筒仓工艺包括粮食输送工艺和粮食储藏工艺环节,设计粮食具体工艺流程环节,每一环节都可让学生来操作完成。最后,将筒仓的储粮压力计算与过程设计分开。设计虚拟仿真实验时,可先让学生选择哪一类型仓。比如选择了深仓,那就要做一个深仓计算模型,采用互动动画模式,让学生点击深仓模型的不同深度时,可以显示当前深度的计算公式以及参数意义,这能让学生了解深仓不同深度的计算步骤和计算公式,同时让学生学习根据理论计算如何配筋,满足构造要求等。

三、筒仓结构虚拟实验的构建

(一)筒仓仓型认知虚拟仿真实验

筒仓分为深仓和浅仓,深仓是直径小、高度高、占地少及机械化程度高的筒仓[8]。而浅仓具有高度较低、直径大、工艺设备相对简单的特点,其同时具有深仓和平房仓的某些优点[9]。应针对典型仓型认知的实践教学需求,开展多种类型筒仓认知教学虚拟实验建设,以弥补现有实验实训条件不足的情况。虚拟仿真模块依据不同仓型的特点,首先建立三维动画模型,使学生可以在线选择想要了解的仓型并对其进行相应的操作,这能增加学生学习的直观性和趣味性(如图3和图4所示)。在鼠标单击对应的仓型后,拖住鼠标可以进行360度旋转操作,也可以进行放大和缩小。学生可以在仿真实验平台中查看不同仓型的区别,形成对筒仓更加清晰的认识。借助于虚拟仿真实验的互动功能,学生可以通过对筒仓不同组成部分的查找,了解其功能和具体方位,消除知识盲区,达到精准识别筒仓仓型和特点的教学目标。

(二)筒仓工艺虚拟仿真实验

筒仓工艺包括粮食输送工艺和粮食储藏工艺。粮食输送工艺指的是将来粮通过设备输送至粮仓中储存,或将粮仓中储存的粮食通过输送设备发放,或者是粮仓之间、粮仓与加工车间之间的粮食输送。粮食储藏工艺指的是保证粮仓中储存的粮食品质及数量在一定时期内不发生改变或少发生改变。由于工艺过程并非直观的建筑物,学生对其的认知和理解比较困难。对于粮食输送工艺,可在虚拟仿真实验中再现不同设备工作工程,每一环节都可让学生操作完成。例如让学生将运来的粮食放到输送机、再输送到仓顶、进入筒仓等环节(筒仓仓顶入粮的三维动画如图5所示)在仓顶入粮的动画模拟中操作,可以让学生明白如何从仓顶入粮,了解输送机是如何工作的(筒仓仓底出粮的三维动画如图6所示)。从图6中可以看出,粮食出仓锥底筒仓时,锥底角度应大于粮食的休止角,这样在开启仓底闸阀门后,仓内粮食才可自动流出。若为平底筒仓时,仓内粮食大部分由出料口自流出仓,剩余的粮食则依靠清仓机辅助出仓。通过对筒仓粮食输送工艺的真实模拟,加之学生的手动操作,学生更易了解各种仓型筒仓工艺过程、主要设备及其功能。在通风、熏蒸作业、制冷作业工艺环节可以让学生自主摆放储粮工艺设备,比较摆放在不同位置的效果,选择合理最优的布置方式,从而在认识工艺组成的基础上了解其布置原则。

(三)筒仓储料压力分析虚拟仿真实验

在理论计算中,筒仓分为深仓和浅仓,深仓、浅仓类型不同,其仓内粮食对仓壁或仓底形成的压力和计算公式也不同。由于分析理论比较烦琐,单纯以书本上的公式推导和教师的讲解很难使学生通彻理解公式背后的含义。通过虚拟仿真教学系统,学生首先分清深仓和浅仓,然后自主探索相应仓型理论的推导过程,加之动画的演示,就很容易对公式有一个更深刻的理解和记忆。实验操作从最基本的分析目的出发,逐步得到不同仓型的内力计算公式。在虚拟仿真系统中,可以对不同的假设进行选择,视图中便会对选择的假设以动画的形式展现出来(如图7所示)。例如,当点击基本假定粮食处于静止状态时,动画视图中的粮仓便会从空仓转为充满静止不动粮食的满仓。动画形象生动,可加深学生对基本假定的理解和记忆。相比较文字叙述,公式会更加晦涩难懂。针对公式中不同的系数,在虚拟仿真教学系统中会逐个列出,通过鼠标单击便可获得对应系数详细的解释。另外,公式中的系数也会随着粮食种类的不同而改变。仿真实验可以把理论分析所表现出压力计算结果以坐标轴的形式展示出来,形象直观地表现出储料压力在不同粮仓深处的变化规律。在虚拟仿真实验中可以选择不同部位和不同的粮食品种,然后对水平压力、垂直压力和摩擦阻力进行计算(如图8所示)。

(四)筒仓结构设计虚拟仿真实验

钢筋混凝土筒仓结构设计的主要内容有:荷载计算、荷载效应组合、内力计算、承载力极限状态计算和正常使用极限状态验算。钢筋混凝土筒仓作为一种特种结构,其仓壁、锥斗等构件的计算方法不同于其他一般工业与民用建筑构件的计算。在钢筋混凝土筒仓的仿真实验中,先根据仓容量、地基承载力、经济高径比、场地平面位置等因素确定每个仓的直径与装粮高度。再根据设计公式和构造要求设定筒仓仓壁、锥斗壁厚、仓顶板等结构构件的初步尺寸。在初步尺寸确定之后,学生进行实验,点击相应荷载,在模型图中即可出现对应的荷载。在实验中选取筒仓都压力分析公式及相关参数后,学生操作完成的每一步都同时在筒仓模型图中直观地显示出来,最终由学生完成筒仓设计配筋计算。

四、结语

针对混凝土粮食筒仓这种特殊结构,课题组提出了粮食筒仓虚拟仿真实验设计方案,构建了具有贴近工程、高度仿真、开放共享的筒仓认知、筒仓工艺、储料压力分析和筒仓结构设计虚拟仿真教学实验;拓展了筒仓结构实验及实践教学的深度和广度,同时也尽可能地降低了实验成本和风险。筒仓仿真教学实验可以提高教学质量,提升教学效果,充分激发学生学习的积极性和创造性。

作者:张庆章 陈桂香 静行 庞瑞 单位:河南工业大学土木工程学院