爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.026 爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究* 吋海旺，雷涛，李梅，李宁,王其洲，李庆,陈张趴李立峰，谭海潢M 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070 摘要针对爆破工程课程实验存在较高危险性的难题，开展爆破虚拟仿真实验系统的研究与构建。采用 数值模拟方法模拟炸药爆破作用，并通过动画模拟爆破对象的破坏过程,达到爆破过程再现的演示功能。开发 爆破工程虚拟仿真实验系统平台，设置爆破破岩机理、台阶爆破、隧道掘进爆破、拆除爆破四个仿真实验模块。 通过本仿真实验系统，学习奢可清楚地了解炸药爆破作用机理，掌握炸药性能和爆破参数等对爆破效果的影 响,直观真实；同时,大大降低了爆破工程课程实践教学危险性和实验成本，为改善课程教学效果提供保障。 关键词爆破工程；爆破实验；教学实践；虚拟仿真 中图分类号TD235 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0153 - 06 Virtual Simulation Experiment System and Teaching Practice of Blasting Eng ineering YE Hai-wang,L EI Tao,L I Mei,L I Ning, WANG Qi-zhou,L I Qing, CHEN Zhang-meng ,L J L i-feng, TAN Hai ,HANG Gang Sch o o l o f Reso u r ces a n d En vir o n men t En gin eer in g,Wu h a n Un iver sit y o f Tech n o l o gy,Wu h a n 430070,Ch in a Abstract Aiming at the problem of hig h risk in blasting eng ineering course experiment,the research and construc tion of virtual simulation experiment system for blasting were carried out. Numerical simulation is used to simu late the blasting action of explosives, and the destruction process of blasting objects is simulated by animation, so as to achieve the demonstration function of reappearance of blasting process. The virtual simulation experiment system plat for blasting eng ineering is developed, and four simulation experiment modules, blasting mechanism, step blasting, tunneling blasting and demolition blasting are set up. Throug h this simulation experiment system, learners can clearly understand the blasting mechanism of explosives and master the effects of explosive perance and blasting parame ters on blasting effect,which is intuitive and real. At the same time,it g ready reduces the practical teaching risk and experimental cost of blasting eng ineering course, and provides g uarantee for improving the teaching effect. Key Words blasting eng ineering ； ； blasting experiment ； ； teaching practice ； ； virtual simulation 爆破工程是采矿、土木、道桥与水电等诸多工科 专业的核心课程之一，其实验和实践教学受到越来 收稿日期收稿日期 2020 - 07 - 07 作者简介叶海旺1971-，男,副教授、博士，武汉理工大学资源与环 境学院采矿系系主任，主要从事采矿、爆破、安全等方面的 教学和科研工作， ，E-mailyehaiwang sina. como 通讯作者雷 涛1983 _ ，男，讲师、博士，主要从事采矿、数字化矿山 方面的教学和科研工作,E-mail354810915gqq. com0 基金项基金项目湖北省教学改革研究项目 2015131 ； ；教育部产学合作协同 201802019002,201802191003.201802072004.2018 02136032 越多高校师生的关注⑴2〕。由于具有危险性大和实 践性强的特点，爆破工程很难像其他课程一样开展 室内实验，导致学生既难以直观地学习各种爆破工 程的实施过程，也不能观察到爆破过程和最终效果, 限制了学生对于爆破作用机理的理解3“,对后续 爆炸动力学课程的学习带来一定的困难。 随着虚拟现实技术的发展,虚拟仿真实验在现代 教学体系中变得愈加重要0打针对爆破工程课程中 的高危且具有不可及、不可逆特性的操作实验项目， 154爆破2020年9月 通过虚拟仿真实验,演示爆破过程及效果,揭示爆破 作用机理及各种类型爆破的实质，可有效激发学生学 习兴趣,为学生今后从事爆破工程或进一步深造提供 感性支撑⑼。然而，目前虚拟仿真实验仍处在起步阶 段，爆破相关虚拟仿真实验资源极为匮乏。因此，开 发一套爆破工程虚拟仿真实验平台,开展虚拟仿真实 验项目建设，对爆破工程教学效果提升乃至爆破人才 的培养都具有重要意义［⑹。同时，虚拟仿真实验平 台也可作为爆破从业人员再教育学习的优质资源。 1爆破工程虚拟仿真实验设计 鉴于爆破工程的强实践特性，爆破虚拟仿真实 验必须能建构出虚拟实验环境与现实世界的映射关 系。因此，爆破虚拟仿真实验过程必然要做到虚实 结合,即必须以实际爆破工程项目为依据,开展相应 的虚拟仿真实验,这一过程如图1所示。 图1爆破工程虚拟仿真实验过程 Fig . 1 Virtual simulation experiment process of blasting eng ineering 由图1可知，爆破工程虚拟仿真实验过程可分 为4个步骤 1 实际爆破工程数据采集,教师选择具有代 表性的案例组建案例库，在案例库中导入现场观测 所获取的基础数据,并在实验开始时向学生讲解如 何获取相关数据。 2 学生在教师引导下进行数据分析与解译, 并在专业理论知识的支撑下理解数据用途。 3 学生利用虚拟实验平台建立爆破工程仿真 模型,开展虚拟仿真实验,并初步分析实验结果,解 释实验现象。 4 基于教师给出的实际工程结果，学生验证 虚拟仿真结果的正确性，并在对比分析基础上修正 和完善虚拟仿真实验。 2爆破工程虚拟仿真实验系统开发 2.1系统需求分析系统需求分析 爆破工程虚拟仿真实验系统的核心需求就是要 克服时空障碍,让学生在虚拟环境中“身临其境”地 开展爆破工程实验,并直接获取和运用相关知识和 技能,实现提高学生兴趣、促进学生认知和提升学生 能力的目标。 在具体知识点上，通过虚拟仿真实验,应能解决 以下主要问题 1 爆破漏斗实验，裂纹产生、扩展、贯通与岩 石抛掷过程实验等,了解炸药爆炸破岩过程,更好地 理解爆破破岩机理。 2 抵抗线对爆破效果的影响。 3 自由面数量对爆破效果的影响。 4 单孔爆破、多孔爆破同时起爆及延时爆破 的作用特点。 5 毫秒延时爆破作用机理及其破岩特点。 6 改变起爆顺序，观察土岩爆破效果及对围 岩的破坏特性。 7 爆破工程中炸药单耗设计原理。 8 爆破地震波传播与衰减特征。 第37卷第3期叶海旺，雷 涛，李 梅，等 爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究155 （9 ）针对不同的建（构）筑物，如砖混结构、框架 结构、高耸结构、桥梁结构等，预演拆除爆破过程,选 取最佳的爆破方案和爆破参数。 （10）通过设计不同类型爆破的虚拟场景，让学 生通过该系统切身体会爆破现场的爆破过程,实现 虚拟化“现场观摩”的目的。 2.2系统总体设计系统总体设计 爆破工程涉及到的实验项目多、内容差别大，实 验课程必须形成一个有机系统，才能满足现代大学 教学的需求。这一系统要求既能反映爆破工程涉及 到的不同爆破方法，也要符合学生学习从基本原理 到应用技术的认知规律。同时,如将图1所示的爆 破工程虚拟仿真实验过程放到整个系统中进行描 述，还应理顺教师和学生在教与学之间的逻辑对应 关系。将爆破工程实验内容和教学过程整合在一 起,就可形成如图2所示的爆破工程虚拟仿真实验 系统的总体设计。 图2爆破工程虚拟仿真实验系统总体设计 Fig . 2 Overall desig n of virtual simulation experiment system for blasting eng ineering 女口图2所示，位于图中心的土岩爆破基本知识冶 阶爆破虚拟仿真、隧道掘进爆破虚拟仿真与拆除爆破 虚拟仿真等4个模块构成了爆破工程虚拟仿真实验系 统的核心部分，相关的硬件与软件都在其中。目前初 步构建的虚拟仿真实验系统是基于多软件平台开发 的利用VB语言编写系统界面，并建立地质、材料与爆 破参数数据库；三维模型则首先使用3Dmin e、 3DSMAQX软件进行建模，并形成实体模型库;根据现 场爆破项目的影像数据,结合数值软件模拟的不同参 数下爆破实验结果数据，建立参考结果数据库;采用U- n it y 3D对三维模型和参考结果处理后，进行VR和AR 开发，学生可以以观察者或操作者的视角进行实验。 实验时，学生和教师的角色也与传统实验有所 区别,其角色可如图2所示。 围绕爆破工程虚拟仿真项目，学生可按照“接 触一融入一贯通一创新”4个阶段开展实验。其中， 接触的目的是让学生理解实际工程，学会数据采集。 融入则要求学生探索爆破工程的相关机理,开展数 据分析和解译;贯通是整个虚拟仿真实验项目的核 心部分,要求学生以某个虚拟仿真项目为支撑，在虚 拟仿真过程中掌握相关知识;创新阶段必须结合结 果对比验证进行，引导学生在探讨实验结果和参考 结果差异原因的基础上,重新开展创新性实验,以取 得深度学习的效果。 在仿真实验中，教师的角色则从知识传授者变 成行动引导者，可由4个环节组成。（1）提议/探 讨由教师确定整体目标,学生分组提议目标并开展 探讨，确定实验过程阶段小目标（里程碑）;（2）发 布/确保理解教师对学生目标和任务安排进行指 导，以保证实验项目被正确理解。（3）过程评估/目 标调整在虚拟仿真实验过程中,开展过程评估并进 行必要的调整，确保学生深入理解每个实验操作的 目的和意义；（4）对比/反馈虚拟仿真实验的优点 之一就是能实现反馈式教学,在一个项目实现仿真 后,必须开展对比验证,并根据对比结果的反馈做出 调整,这种调整以鼓励学生用创新性方法挑战更高 的目标为主。 2.3实验项目介绍实验项目介绍 本爆破工程虚拟仿真实验系统包括以下内容 （1） 土岩爆破基本知识模块 基于炸药爆炸破岩理论,首先,建立炸药在岩体 中爆炸时形成应力波和爆生气体模型，演示其作用 过程和破岩机理;其次,建立爆破漏斗实验模型，演 示松动爆破、标准抛掷爆破和加强抛掷爆破作用特 性以及各爆破目标下炸药单耗变化规律;再次，建立 不同的装药形状（条形药包和球形药包）的爆破模 型,演示不同装药形状的破岩作用特点。 （2） 台阶爆破虚拟仿真模块 基于条形装药形式,首先,建立连续装药结构的 仿真模型,考察不同堵塞材料、堵塞长度对爆破效果 的影响演示;其次,建立多孔模型,改变延期时间,观 察不同延时对爆破效果的影响演示;再次,改变装药 结构（径向不耦合、轴向不耦合装药），观察不同装 药结构及不耦合系数工况下的爆破效果演示。 （3） 隧道掘进爆破虚拟仿真模块 建立隧道模型,首先,基于一定的隧道断面尺寸 （受限空间内），改变掘进进尺，观察爆破效果及炮 156爆破2020年9月 孔利用率;其次,采用不同的起爆顺序、掏槽孔布置 形式,观察掏槽效果；再次,改变周边孔的布置形式 及参数，观察光面爆破效果。 4拆除爆破虚拟仿真模块 分别建立砖混结构、框架结构的房屋建筑,观察 爆破倾倒过程，并考察不同结构尺寸长、宽、高及 爆破缺口高度对倾倒效果、爆堆尺寸等的影响；建立 高耸建筑物模型，选用单向倾倒、折叠单向倾倒、折 叠双向倾倒、原地坍塌等不同爆破模式的爆破效果 及倾倒范围，并在模拟折叠爆破时考察不同延时时 间对爆破效果的影响。见图3。 图3爆破工程虚拟仿真实验系统软件界面 Fig . 3 Software interface of virtual simulation experiment system for blasting eng ineering 3爆破工程虚拟现实实验教学实践 分别以框架楼房拆除爆破虚拟仿真实验和隧道 掘进爆破工艺流程虚拟仿真为例，阐述虚拟仿真实 验系统的功能。 3.1框架楼房拆除爆破虚拟仿真实验框架楼房拆除爆破虚拟仿真实验 利用有限元软件ANSYS建立10层钢筋混凝土 框架楼房模型，楼房长21叫宽13.5叫高33 m,层 高3. 3 m,柱结构断面尺寸为600 mm X 600 mm,采 用斜切形切口定向倾倒的方案爆破拆除，分别对不 同爆破切口高度的三种爆破方案进行模拟，切口尺 寸为方案一 9. 9 m、方案二13.2 m、方案三16. 5 mo 四排立柱间的延期时间间隔均为400 mso 观察楼房倒塌过程，比较不同切口高度楼房在 起爆后倒塌过程中的倒塌姿态和解体情况随时间变 化如图4 6所示，对比分析楼房的倒塌时间,倒塌 效果及爆堆范围如表1所示。 通过虚拟仿真，可以更直观地观察框架楼房爆 破拆除的倒塌过程、楼房的倒塌姿态和建筑物构件 的运动及解体过程。并且通过对比分析爆破效果各 项指标,结合实际爆破对安全环保的要求,选择合理 的爆破方案。 3.2隧道掘进爆破工艺虚拟仿真实验隧道掘进爆破工艺虚拟仿真实验 首先,根据隧道掘进所需达到的要求,设计隧道 掘进爆破方案、选取爆破参数。其次,基于不同的爆 破方案和工艺参数进行数值模拟仿真，得出不同工 况条件下隧道掘进爆破效果,并分析其爆破危害效 应。最后，结合爆破模拟仿真结果，开发隧道掘进爆 破生产工艺流程仿真动画。 图4楼房模型 Fig . 4 Building Model 图5爆破切口侧视图 Fig . 5 Blasting cut side view 表1爆破仿真结果参数对比 Table 1 Comparison of parameters of blasting simulation results 倒塌倒塌爆堆后座 时间/s长度/m高度/m距离/m 一4.748.84.88.3 二4.347.74.611.2 二 4.146.84.210.9 4结语 1基于虚拟仿真实验教学理论和爆破工程专 业实际情况，构建了爆破虚拟仿真实验系统,该系统 第37卷第3期叶海旺，雷 涛，李 梅，等 爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究157 设计合理、内容丰富、教学过程符合教学认知规律， 为爆破工程虚拟仿真实验提供良好的平台。 3.0 s3.5 s4.0 s4.5 s I 图6框架楼房倒塌过程仿真 Fig . 6 Collapse process simulation of frame building a 钻孔 a Dr il l in g b装药 b Ch a r gin g c爆破 c Bl a st in g d出渣 Disch a r gin g 图7隧道掘进爆破仿真动画过程 Fig . 7 Simulation animation process of tunneling blasting 2教学实践证明,爆破工程虚拟仿真实验可 以很好地反映爆破工程的真实情况，不但提升了学 生的工程实践能力，还极大地激发了探究爆破机理 的学习兴趣，达到了教学目标要求。 参考文献参考文献References [1]王玉杰爆破工程[M ].武汉武汉理工大学出版社, 2018. 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