风电虚拟仿真与运维实训系统
系统利用先进的计算机仿真技术,在虚拟现实平台上完成风力发电机的虚拟维修维护和拆装过程仿真实训。如学生在计算机上通过该虚拟维修维护和模拟拆装过程仿真实训,能全面熟悉风力发电机的各部件关系和总成结构,掌握工具的使用、零部件的拆卸方法、拆装过程、零部件的摆放、工具的摆放等基本的拆装技术规范。
利用虚拟现实进行教学实验和仿真实训,不仅能直观地模拟风力发电机三维结构、工作原理和运行过程,模拟维修维护和拆装操作过程,也能激发学生的学习兴趣、提高学生的装配技能、规范学生装配过程中的操作意识,进一步强化和巩固理论教学知识学习,并有效降低了学校的教学成本和时间成本。
风力发电仿真教学资源库
风电发电机模型库
系统内置“风电发电机三维模型库”,包含多种依据真实数据构建的风力发电机三维模型,每个3D模型均具有完整的组成部件和机械结构,如总成、机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、高速轴及其机械闸、发电机、偏航装置、液压系统、冷却元件、塔、风速计及风向标、尾舵,电气电路等。
每个系统组成部件,均按照虚拟仿真的技术要求、教学实验和仿真实训的要求,进行了全面的“属性编辑”,均为可编辑、可交互、可编程控制的矢量模型,具备接受外部数据实时驱动和交互控制的性能。用户可根据教学实训的需要,实时打开相应的风电模型,进行教学实验和仿真实训。
运维工具库
系统内置的“工具箱”,有各种虚拟专用工具,如各种类型的:扳手、螺丝刀、电笔、钳子以及各种专用工具,教学实训过程中,用户可以利用系统的交互功能和交互设备,根据需要轻松“选择或拿取”。
运维指南库
系统内置风力发电运维指南教学资源库,包含各种类型的风电设备运维技术资料,并以图片、文字或视频动画的方式存储在数据库中。学员在仿真实训的过程,可随时调用相应的“教学指南”文件实时参考对照理论知识和运维指导,正确完成虚拟拆装和虚拟维修维护的教学实验和实训过程,进一步强化理论教学和动手实践的有效结合。
三维模型属性编辑功能
系统内置一个虚拟装配属性编辑功能模块,用户在做虚拟拆装之前,可以实时调入所需要的风电设备模型,并对该模型场景进行属性编辑、修改和保存,包括:如:物理数据、组织结构关系、装配顺序、装配装配关系、节点命名规则、逻辑关系、应用属性、坐标位置、碰撞检测属性定义、功能用途等,每个要素模型的信息数据与模型部件本身一一对应,并被保存在一个内置的数据库中,以备用户实时调用、查询读取和程序驱动(代码控制),为虚拟维修和虚拟装配提供基本的属性模型。
虚拟维修维护
系统内置故障案例教学资源库,用户可根据教学实训要求打开相应的“故障案例情景模式”,比如:“停车、短路、磨损等故障案例,每个故障涉及多个“故障源模型”。学员利用选择好的案例和“故障源模型”,根据内置的“运维指南”进行判断,并进行维修维护过程仿真实训。
系统具备多维交互功能和虚拟装配功能,用户可戴上VR头显和交互设备,走进虚拟场景,检视装备结构和“故障点”,根据已有的理论知识和运维指南中的维修维护目录,分析故障成因并迅速判断,然后,打开内置的“维修维护工具”和运维指南,采用正确的维修维护措施,完成风电发电机的维修维护实训过程。
虚拟拆装仿真实训
系统虚拟装配功能模块,用户可根据需要从教学资源中实时调入“风电发电机3D模型”。利用相应的交互设备进行虚拟拆装仿真实训操作训练。如键盘鼠标、六自由度位置追踪系统、数据手套或计算机力反馈装置等设备。
实训过程中,用户可戴上VR头显和交互设备,走进虚拟场景,检视装备结构,并按照虚装配关系和装配顺序的要求进行虚拟装配操作,包括:总成的拆装过程、零部件拆卸与安装过程、工具选择与使用等。
多人协同仿真实训
对于一些大型的风电装备,往往需要多人协同操作,同时,不同的实训人员之间需要相互沟通、交流和指导。系统内置的多人协同演练模块,可支持多人协同虚拟拆装和维修维护教学实验、仿真训练。如:在一个实训室内,教师和学生每人可佩戴“头戴式显示器(VR眼镜系统)”,在大型位置追踪系统的辅助下实现多人协同交互和仿真实训。每一个参与人员分工作业,各司其职、互动演练。参与人员可以在一个局域网内、也可以在互联网环境下,随时随地、不受时空限制地在“同一个场景中共同完成一个虚拟拆装教学实训项目的仿真演练”。
考核评价
系统还内置考核评价功能,可对实验过程中操作记录,包含违规操作的记录、工具使用是否正确的记录、拆装顺序是否正确的记录和工艺处理记录。功能模块包括:权限管理、理论考试和仿真实训考核。
  • 权限管理模块采用“分权管理”原则,教师和学员可利用“姓名+密码+ID号”登陆。教师可以设置考试科目、设计考试内容,并对学员的考试内容进行考评和报告推送、打印等。学员可选择实训科目和内容进行操作训练,也根据教师设置的考试科目和进行“考试”,并提交考试内容和“试卷”。
  • 理论考试模块内置机械基础理论考试题库和多个考试科目,教师根据权限,设置不同的理论考试科目和试卷内容,学员登录后可进行理论考试,系统进行自动考核,并给出评价报告和得分等。并给出实验报告,可打印输出,供实验教师查看和评估。
  • 学员登录仿真实训考试模式后,系统将自动开启“考核评价系统”,利用“预置判断机制”对学员的实训过程进行自动考评、判断或打分。并给出实验报告,可打印输出,供实验教师查看和评估。
  • 记录回放功能:系统也将自动录制整过操作过程的视频资料,教师可对考试实训过程进行还原回放。
动态工作过程仿真
系统按照1:1的比例,在三维高精度建模的基础上(基于CATIA、Solidwork、Pro/E、UG或其三维CAD软件平台构建的三维模型),根据机械原理、机构联动方程、物理属性仿真算法和仿真交互要求,真实模拟风电发电机的“动态工作过程和工作原理”,可为虚拟教学实验和仿真实训提供一个高度逼真的三维可视化样机原型。基于三维可视化仿真过程,教师可以更容易地表达和讲解,学生也能更轻松快捷的接受所学的知识内容。
风电发电机动态过程仿真
基于三维模型的可编辑、可编程与可交互性,教师可以利用该系统真实模拟风电发动机的动态工作过程。虚拟场景中,教师或学生可使用鼠标或六自由度交互装置开启点击按钮、启动发电机,多维度、多视角地再现风电发电机的运转过程、工作原理和系统工艺流程;同时也能通过快进和慢放按钮,观察设备的动态运转过程或流程,详细呈现工业装备的工作原理。
接口与数据可视化模块
系统提供外部数据驱动接口,这些数据可以是机械运动方程、机构联动方程或外部控制软件发送的控制数据,如:转速、油门、步长、旋转角速度、位置等,用以驱动静态三维模型,实现机构联动和动态运转。
同时系统提供仿真分析数据接口,如来自MatLab、ADAMS等仿真分析结果数据,用以实现机械装备工作过程中“动力学、温度场、压力、应力场”等的数据可视化和动态数值模拟显示。

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