本实验以培养面向能源电力行业的应用型人才为目标，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，坚持“问题导向牵引、点面知识协同、闭环教学反馈、力学创新电力”的实验教学理念，围绕国家能源结构调整中重要的风力发电新能源装备，以风力机叶片为切入点，提高对动力机械强度课程知识的理解和掌握，以及其在解决能源电力装备分析和设计的能力，增强对课程和风力发电装备的认知，激发学生的学习兴趣和励志服务我国能源装备的意志品格。实验围绕风载作用下叶片的响应，设计了18个实验步骤，实现了不同风速下、不同材料叶片的风载响应虚拟仿真模拟，以解决实践教学过程中的局限性。
（1）实验对象特殊。风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，约占风力机总成本的15-25%。即使实验对象采用叶片缩比模型，模型的制作也将耗费大量经费。
（2）实验费用高昂。风速模拟须在风洞内开展，而风洞实验室的建造与维护是一项巨大的投入，涉及到资金、场地、人力等，因此，实际实施难度较大。
（3）实验时空限制。大型风力发电机组占地面积较大，现有学校的资源无法满足该类实验的开展；同时，现有风力发电现场也无法提供学生进行分批实验，而且实际运行机组也不进行叶片的力学响应测试，无法获得数据进行分析。
为解决我国风力新能源发电设备动力学分析，实现高端能源电力装备人才的培养，依托我校国家新能源培训基地和国家级能源与动力特色学科，结合理论力学、材料力学、流体力学、数值仿真、风力机组等多学科交叉知识，建立了典型的风力机叶片的风载响应虚拟仿真实验。学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，实现自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。本虚拟仿真实验旨在使学生达到以下实验目的（见图1）：
（1）掌握风力叶片的结构特点；
（2）能够正确选择风力机叶片的材料；
（3）理解不同风速下风力机叶片位移变化规律；
（4）具备风力机叶片的应力分析以及强度设计准则的运用能力；
（5）能够在系统指导下，学会如何避免设计错误。
图1 实验目的框架
（1）实验所属课程所占课时：32
（2）该实验项目所占课时：2
（1）实验原理
风力机叶片的力学性能安全是风力机发电的基本要求，能够有效的分析风力机叶片在风载荷下的应力关系，揭示风载荷与叶片变形和受力安全之间的联系，对风力机的设计及安全具有重要意义，对大型风力发电场的运行维护，确保能源电力供给提供了有效技术支撑。
影响风力机叶片的力学行为的因素较多，如叶片形状、叶片材料、叶片控制模式以及风荷载模式、地震荷载等。为了有效获取风力机叶片的力学响应，本课程主要围绕影响风力机叶片载荷和力学安全入手，通过有限元计算方法，获取风载下的风力机叶片力学响应，判断风力机叶片的力学安全性。
1）风力机结构影响叶片载荷分布
一般而言，风力机的整体结构相对固定，但是，根据不同的风场条件，又有所不同，如风力机的高度、叶片的长度、风场的风速等。显然，风力机结构对风力机叶片外载荷影响较大，因此，在分析风力机叶片的力学行为和动态响应时，需要考虑到风力机结构对风力机叶片力学行为的影响。
2）风载荷影响风力机叶片受力
风力机叶片的主要外载荷就是风载荷，决定着叶片的应力与应变，因此，风载荷下风力机叶片的力学行为的安全性，是关键核心知识点。由于风资源非常复杂，包含有风速、方向、涡旋、动态变化性等，导致风载荷较难具体确定。本实验从固体力学出发，以风速对固体表面产生载荷作为风力机叶片外载荷，不考虑流场对风力机叶片的气固耦合，进行计算简化，从而得到风力机叶片的风载响应。
3）风力机叶片载荷响应分析与材料选择决定了叶片结构安全
风力机叶片的力学性能是否安全是设计和运行维护必须回答的技术问题，因此，如何评定风力机叶片力学行为成为安全分析的关键。本课程从材料和强度评定标准出发，根据许用应力条件，获取叶片结构的安全性。
（2）对应的知识点（6个）
1）风力机构成
叶片的初始参数，包括风轮直径D、叶片长度L、叶片数B、风轮转速Ω、叶尖速比λ、翼型数据以及外部条件。叶片的气动设计要求包括额定设计风速、切入风速、切出风速以及相应的湍流条件等；外形尺寸包括弦长、桨距角及其厚度沿叶片展向的分布，以及翼型基本数据。
2）风力机叶片的翼型
①中弧线；内切圆圆心的连线；②前缘；翼型中弧线最前点；③前缘半径rN；④后缘：翼型中弧线最后点；⑤后缘角：上下两弧线之间的夹角；⑥弦线；⑦厚度；⑧弯度。
3）叶片的失效载荷
重力载荷、惯性载荷和气动载荷是风力机叶片运行中承受的主要载荷,叶片载荷分析的复杂性主要源于各种载荷的耦合特性，承载超过设计标准，就会引起叶片失效。
4）风载荷下叶片的位移变化规律
风力机叶片作为风力发电机组中重要的能量转换和受力部件,在实际的运行工作中受到多种载荷的作用,风力机叶片容易产生较大变形,以及造成叶片结构应变/应力的集中,从而影响风力机组的安全运行和叶片的使用寿命。
5）风载荷下叶片的应力分布规律
风电机叶片受到风载荷的作用下造成叶片结构应变/应力的集中,从而影响风力机组的安全运行和叶片的使用寿命。因此，对风力机叶片载荷与其位移变形、应力/应变耦合的研究具有重大的理论研究意义和较大的工程应用价值。
6）风力机叶片失效判据
材料在外力作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著塑性变形时的突然断裂，称为脆性破坏；二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为塑性破坏。破坏的原因十分复杂。由于工程上的需要，两百多年来，人们对材料破坏的原因，提出了各种不同的假说。但这些假说都只能被某些破坏试验所证实，而不能解释所有材料的破坏现象，这些假说统称强度理论。
四大强度理论，指的是最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论、形状改变比能理论这四个与强度有关的理论。一般来说，第一、二强度理论适用于脆性材料，第三、四强度理论适用于塑性材料。
虚拟仿真实验需要：计算机、虚拟仿真实验教学平台、虚拟仿真软件，包括以下内容：涉及的虚拟仪器为风力机的缩比模型，主要包含风力机塔架、齿轮箱、叶片等部件。
此软件系统主要依托以下工具及技术：
（1）虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机生成一种模拟环境，是一种多信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的仿真系统。
（2）3DS Max
以3DS Max为工具，建立虚拟现实场景下风力机受风载情形，并在建模软件中使用1:1的比例来完成建模。从设备的外貌形状到细节，皆进行了高精度还原，确保软件系统所展示内容的真实效果。
（3）Unity 3D引擎
Unity 3D引擎为3D互动引擎技术，与虚拟现实技术配套使用，用于开发虚拟现实软件。本项目采用3D游戏引擎Unity开发实验系统，赋予其在虚拟现实设备中展示的能力与和用户实施交互的逻辑。
本虚拟仿真实验教学项目线上基于风力叶片的风载响应虚拟实验环境及虚拟实验对象，不需消耗类或易损类实验材料，项目以风力机发电叶片风载荷环境为依托，学生可以自主选择相应参数，模拟相应过程，满足实验教学需求。
实验所设计的参数如下：
（1）叶片材料；
（2）来流攻角：0°、15°、30°、45°、60°和90°；
（3）风速：3m/s、6m/s、10m/s、12m/s、15m/s、18m/s。
学生需要在线学习完整实验流程，通过在线三维场景化模式操作选择材料、使用工具、调节配比参数等重要手段，实现对实验方法的掌握，在交互式学习中体验和掌握力学实验的精髓。
为了满足应用型人才需求、服务产业转型升级和区域经济发展的需求，并且突破传统实验教学的局限性，基于多种虚拟仿真技术，建设了风力机叶片的风载响应虚拟仿真实验，与课程配套开设。项目的实施开展采用了“问题导向牵引、点面知识协同、闭环教学反馈、力学创新电力”的教学方法，培养学生对风力机叶片风载响应计算和力学分析的能力，充分挖掘虚拟仿真平台的技术优势，使学习更加深入生动，同时有利于充分调动学生自主学习的兴趣和积极性，将自主学习、互助学习、研究性学习有机结合。从而使学生构建完整的知识体系，增强专业课程理论教学的辅助功能，有利于复合应用型人才的培养。
① 虚拟现实式教学。对大型风力机叶片的风载响应分析，实验的实际动手操作具有难度大、费用高、步骤繁琐、耗时长等问题。通过对实际场景的风力机叶片进行模拟分析，可以在短期内完成对大型风力机叶片在风载下的应力分布计算，有助于学生更好的理解和整体提升建模分析能力。通过虚拟仿真软件，可亲身体验全过程，让学生体验并掌握实验内容。
② 情景再现式教学。通过虚拟仿真情景沉浸式的体验学习，使学生更好地掌握。可以让学生在移动终端根据已经学习掌握的步骤来操作。在模拟学习过程中使整个制作过程可视化，让学生们深入掌握实验过程，解决了场地、台套数以及实践操作受限的问题。
基于以上教学思想和教学目的的主线，本实验建立了具有特色鲜明的实验教学方法，主要表现如下：
（1）使用目的
1）掌握动力机械强度分析过程
本实验以风力机叶片的风载响应为例，完整的展现了设计、分析和评价整个过程，为动力机械强度分析提供了样例。通过本课程的学习，学生可以掌握动力机械强度分析过程，如何构建结构与外载荷作用下模型与分析，以及动力机械强度安全评判方法。
2）激发学生学习兴趣
通过虚拟仿真技术，将为学生展示风力机叶片强度的动态变化过程，尤其是风力机叶片变形过程。学生可以非常直观的观测到风载条件下风力机叶片的力学特性，这些都是现实风力机观测不到的。通过安全性分析和评判，实时互动，反馈信息，及时修正错误设计，不仅可以激发学生对风力机叶片强度分析的兴趣，同时也可牵引到其他动力机械强度分析。
3）增强学生学习效果
通过网络平台，学生可以不受时间和地域限制，24小时随时可以进行仿真实验，以加强对知识的理解。同时，平台提供了问题反馈环节，设置通关模式，学生可以直接清楚的了解设计过程的错误，有助于避免学习误区和错误的产生。
（2）实施过程
实验课程采用集中授课和课下练习相结合的方式。课程伊始，教师在虚拟仿真实验室对虚拟仿真实验教学平台中的虚拟软件进行演示。学生在开始实验前，通过网络平台预习、观摩、模拟相关实验过程，实验过程中，学生进入仿真环境，进行模拟现场的虚拟实验，同时，可根据自身需求反复练习，并最终在线提交的实验报告，实验教师在线评分及时反馈给学生。此外，在网络平台，师生可通过平台上的在线答疑功能进行互动交流。
1）问题导向牵引
本课程以风力机叶片断裂问题为牵引，突出风力机叶片力学分析的重要性。为了避免该类安全事故的发生，从风力机结构出发，逐步深入材料、载荷和力学计算，展示风力机叶片的风载响应规律，给出安全设计评定标准，为解决风力机叶片断裂提供解决方案。
2）点面知识协同
结构的安全性分析涉及知识面较多，要对多个知识点进行系统分析。风力机叶片的风载响应和安全评判需要材料学、力学、风力机运行特性、安全准则等多方面知识。本课程通过提供知识点的形式，提高学生对于该类知识面上的认识，如风力机叶片的来流攻角选择，需要学生理解风力机叶片的运动过程。通过点面知识协同，可以让学生在较短时间内掌握系统分析方法。
3）闭环教学反馈
本课程设置了过关模式的操作，即学生先期进行材料选择、安全判断准则、强度确定等，给出是否安全的结论。系统会根据学生的选择和结论，自动判断学生是否正确。如果判断错误，学生需要重新返回进行选择，直到正确为止，方能结束。可以看出，本课程直接将问题反馈给学生，需要学生进行及时更改，纠正了学生学习中的错误。该过程教育学生，结构安全性设计是不允许出现错误，否则将对后续工程运行带来极大安全隐患。
4）力学创新电力
目前，风力机叶片在运行过程会出现断裂等安全事故，这与风力机叶片结构设计、翼型选择、力学分析等相关。由于风载荷的复杂性，相关理论分析也不成熟，导致分析困难。因此，就风力机叶片的力学响应而言，无论理论还是实验都亟待深入研究。本课程以固体力学为出发点对风载荷进行简化，没有考虑风力机动态载荷下力学行为，也没有考虑到杆塔支撑对风力机叶片的影响，因此安全评级仍然需要进一步研究，这将为激发学生通过力学分析，创新发展风力机叶片分析过程提供可能，从而为风能利用做出贡献。
（3）实施效果
通过上述方法的实施，虚拟仿真教学实验取得了较好的教学效果，受到师生的充分肯定和一致好评。
提高学生的学习热情。基于网络化的虚拟仿真实验环境，使得实验教学具有网络化、开放性、交互性和易操作的特点，有利于学生对相关知识的学习、实践和创新能力的培养。学生可以借助于便捷的网络计算环境，随时随地动手开展实验，在人机交互的虚拟实验中提高自主学习能力。
加强理论与实际结合。本项目的实验和实际问题密切相联，但是真实实验存在实验操作困难（大型风力机叶片尺寸过大）、难以向学生全面展示等。本平台开设的实验项目，可以有效解决上述问题，突破了实验教学受时空条件和设备条件、操作过程等条件的限制，能使学生通过自行设定相应参数，深入了解平时接触不到的设备实际运行情况。通过本项目的学习，实现信息技术和实验教学的深度融合，提高实验教学的教学水平和教学质量，进一步提升高校创新人才的培养能力。
此外，学校还构建先进、高效、实用的数字化教学平台，实现多种方式接入互联网，极大提高教学管理效率。学生可远程登录仿真软件；学生和教师均可随时查看学习记录、成绩报表、并可以进行在线答疑。本项目的建设将推动虚拟仿真实验教学向高水平、智能化方向更上一层楼。
为保证教学质量，坚持“虚实互补”的原则。虚拟实验室根据系统自动评分。实验室实验则依据知识应用、实验操作、实验结果等内容进行综合评价，具体评分依据见表1。
虚拟仿真实验教学资源和平台为建立过程与结果并重、覆盖实验教学全过程和提升能力培养的形成性实验教学考核内容与评价指标体系创造了条件。同时也使专业基础课学习和毕业设计、创新项目开展能够前后贯通、深度融合。
表1力学虚拟仿真实验教学平台考核标准和评分表
| 考核要求 | 主要考核内容 | 分值 | 打分 |
| 过程性评价 | 实验准备情况：课前需要学生自行学习，理解大型风力机相关的尺寸参数、材料强度校核及选型的理论知识。 | 10 | |
| 考勤：根据学生出勤情况及实验态度进行打分。 | 10 | ||
| 实验平时操作：根据学生上机操作和对应操作过程练习以及完成情况，进行打分。 | 30 | ||
| 实验报告撰写：考查实验报告的全面性和完整性，应包括实验目的、实验原理、实验内容、实验分析，实验结论等。 | 20 | ||
| 理论考试（笔试）：叶片风载响应相关理论知识要点。 | 30 |
（1）专业与年级要求
本实验项目适用于能源与动力工程、新能源科学与工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的本科生。
（2）基本知识和能力要求
学生需完成以下课程的学习：机械制图、高等数学、理论力学、材料力学等。
（1）本校上线时间：2018.03
（2）是否纳入到教学计划： √是 □否
（3）是否面向社会提供服务：√是 □否
（4）社会开放时间 ：2018.03