云端虚拟仿真技术在《失效物理基础》课程中的应用

2022-03-21版权声明我要投稿

摘要:本文介绍了云端虚拟仿真技术在飞行器质量与可靠性专业本科核心课程《失效物理基础》建设和实践中的应用。首先分析了课程建设前期面临的问题及采用虚拟仿真技术的必要性,基于科研成果和工程实践经验提炼了课程的教学思路和内容,之后介绍了云端虚拟仿真平台的建设和在课程中的应用,最后总结了将软件工程与电子技术相结合,开展信息化教学取得的初步成效。云端虚拟仿真平台的引入,提高了课程内容的挑战性,实现了以事实性、概念性教学为辅,理论和方法的应用、分析、创造为主的综合性教学模式,引导学生形成对失效物理学的系统认知能力,培养了学生系统思维能力和创新能力,激发了自主学习积极性。

关键词:虚拟仿真;云计算;失效物理;可靠性;软件工程;

近年来,随着人工智能、“互联网+”、云计算、大数据、虚拟仿真等新兴技术的迅猛发展,开创了新技术、新产业和新模式为特征的新经济形式[1]。与此同时,高等教育教学改革也迎来了新的契机,利用网络及人工智能技术的教学模式已然成为一种重要的趋势[2]。

1 虚拟仿真技术的必要性

虚拟仿真可以将教学内容更加形象、逼真的展现在学生眼前,通过实时的交互提高课程内容的趣味性,翟明等[3]以能源动力相关课程群和应用型研究生培养基地为基础,建立基于虚拟仿真平台的能源动力类本、研一体化实验教学与管理系统,实现了从本科生到研究生的理论教学与实践教学一体化。

《失效物理基础》课程是以电子产品为研究对象,重点从静力学、动力学、电学和电磁学等角度讲授电子产品常见失效机理及其根源、影响因素,阐述如何将失效机理和物理模型应用于电子产品可靠性分析、设计、预计、评估、故障诊断以及健康管理等方面的一门本科生核心专业课。该课程的实践性非常强,要求学生结合实际的产品,从其工作的环境和载荷以及产品内部构造等内外因角度来进行分析,定位产品的薄弱环节,并通过仿真计算来评价产品的可靠性。传统线下理论授课的方式很难实现课程的实践性教学目标。课题组探索了采用虚拟仿真方法,加强课程的实践环节,利用计算机技术和软件工程、信息技术、仿真技术来支撑教学工作的方案,并进行了实践。

2 云端虚拟仿真在课程中的应用实践

课程团队首先梳理了课程的教学内容,确定理论教学和实践教学两个部分的有机联系,并以科研成果和工程经验为基础,设计课程实践部分的案例,同时利用互联网技术,开发了云端虚拟仿真软件,为学生提供学习的平台。

2.1 梳理授课内容

为了实现课程内容中的理论和虚拟仿真的结合,首先需要梳理教学思路和授课内容,课程的教学思路定为“一条主线、两个重点、多知识点集成应用”,其中一条主线是“失效物理”、两个重点是“认识失效机理、描述失效行为”、多知识点集成应用是“将各种失效机理、物理模型集成应用于可靠性设计、分析、评估中”。

基础性的授课内容主要通过线下教师讲解、课堂微视频和讨论等方式实现。授课内容主要分为三大部分,第一部分是认识失效机理,包括结构的变形与疲劳、电子产品的热疲劳与振动疲劳、结构磨损与腐蚀、电子产品的腐蚀、迁移与扩散、电子产品的热载流子、栅氧化层击穿和电迁移、静电放电以及空间环境下的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应;第二部分是刻画失效行为,给出了失效物理模型的类型,解析类失效物理模型的推导方法、反应论类失效物理模型的数据拟合方法以及性能退化类物理模型的数据拟合方法;第三部分是失效物理学在可靠性工程中的应用,包括故障机理分析方法(FMMEA)、故障行为仿真方法(RST)、基于故障物理的故障监测与预测方法(PHM)等内容,如图1所示。

图1中认识失效机理、刻画失效行为是课程的理论基础,而可靠性工程应用部分的实践性最强。因此,课程团队设计了基于失效物理的产品设计改进与云端仿真验证、云端可靠性仿真分析与评估等实践案例。这两个案例要用到课程大部分理论基础知识,包括失效机理、失效物理模型、FMMEA和RST。为了满足近百名同学的实践需求,必须要建设云端虚拟仿真平台,利用云计算的方式,利用互联网上的计算资源来解决大容量的运算求解问题。

2.2 云端虚拟仿真平台的建设

针对图2(a)所示的某电源驱动模块设计的教学案例,要进行各种有限元仿真和失效物理的计算,因此团队开发了“电子产品可靠性仿真评估云平台”(如图2(b)所示),学生可以分别从本地电脑登录账号,进入云端查看实践课程,教师可以在线上讲解案例的实现流程,学生操作完成后,在线提交,教师进行批改评分。

虚拟仿真教学过程引入有限元热分析和振动分析软件,从EDA模型的导入、几何模型的建立,有限元模型的建立、网格的划分、材料参数和边界条件的确定,再到最后热和振动数值计算,结果的后处理,学生可以利用实验指导书,自己动手操作,变换初始条件和边界条件,观察电子产品的仿真响应。将失效物理课程理论部分的重点—失效物理模型、可靠性算法以程序的形式写入虚拟仿真软件,学生们能够将热和振动环境下的产品响应与可靠性计算相互关联,将课程理论部分内容付诸实践。

3 结论

借助云端虚拟仿真平台,实现了以应用、分析、创造为主的综合性教学模式,引导学生形成对失效物理学的系统认知能力,培养学生系统思维能力和创新能力,激发自主学习积极性。云端虚拟仿真平台建设完成后,在全校本科大三学生中开设,受到了同学们的认可和好评。课程内容与学生暑假生产实习相辅相成,推动了所学的理论知识的融会贯通,为学生走向可靠性工程实践提供了基础,更多的同学对失效物理研究方向产生了兴趣,在本科阶段就参与到了相关的科研工作中,提升了研究能力和水平。2020年,失效物理基础课程通过评选成为院级一流本科课程,还获得了校级优秀教学成果奖。实践证明,充分利用互联网的资源,开发虚拟仿真教学平台,教学过程虚实结合、优势互补,提升了教学效果。

参考文献

[1]李朝霞,刘金春,邢鑫.人工智能在网络运维中的应用[J].电子技术与软件工程,2021(10):5-6.

[2]唐利红.大数据及其关键技术的教育应用[J].电子技术与软件工程,2021(10):136-137.

[3]翟明,姜宝成,宋彦萍,帅永,温风波,曾令艳.基于虚拟仿真平台的能源动力类本、研一体化实验教学与管理实践[J].实验室研究与探索,2020,39(5):187-192.

作者:陈颖 王艳芳 李姝敏 单位:北京航空航天大学可靠性与系统工程学院

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