摘 要： 力學(xué)虛擬實驗實現(xiàn)了實驗結(jié)果的仿真以及實驗儀器三維模型及操控的真實再現(xiàn)，補充了現(xiàn)實的實驗設(shè)備與技術(shù)，使得實驗力學(xué)問題可以進行預(yù)實驗和數(shù)據(jù)處理方法分析，大大提高了力學(xué)實驗的高效性。根據(jù)仿真實驗的實驗原理，發(fā)展相應(yīng)的實驗?zāi)M算法進行計算，將實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖像或曲線顯示出來。虛擬實驗儀器的實現(xiàn)，首先用3DMAX軟件建立實驗儀器的三維仿真模型，然后將結(jié)果輸入到EON Studio軟件中進行模型操控的邏輯關(guān)系編輯和腳本語言控制。虛擬儀器的操控方式與實驗結(jié)果仿真統(tǒng)一設(shè)計，這樣參數(shù)計算時可以通暢高效的進行。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗； 基礎(chǔ)力學(xué)虛擬實驗室； Ⅱ?型裂紋擴展； 應(yīng)變

中圖分類號： TN911?34； TM417 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0153?04

Abstract： The mechanics virtual experiment realized the simulation of experiment results and true representation of experimental instrument′s 3D model and control， supplemented the practical experimental equipment and technology， so the mechanics experiment problem can be analyzed with pre?experiment and data processing method to improve the efficiency of the mechanics experiment greatly. According to the experiment principle of the simulation experiment， the corresponding experimental simulation algorithm was developed for calculation， and the experimental results were converted into image or curve for display. The 3DMAX software is used to establish the 3D simulation model of virtual experiment instrument. And then the results are input into EON Studio software for logical relationship editing and script language control of model control. The control method and experimental results simulation of virtual instrument are designed uniformly to ensure the high?efficient parameters calculation.

Keywords： virtual experiment； virtual laboratory of basic mechanics； Ⅱ?type crack propagation； strain

0 引 言

虛擬實驗系統(tǒng)在實現(xiàn)技術(shù)上必將形成多種技術(shù)相融合，優(yōu)勢互補的局面。虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建上應(yīng)該研究如何使虛擬實驗系統(tǒng)達到與真實實驗相近和等同的效果[1]。在設(shè)計與開發(fā)方面，體現(xiàn)在對實驗元件、實驗環(huán)境和實驗現(xiàn)象進行模擬，處理好虛擬環(huán)境與用戶之間的交互，實現(xiàn)多用戶的并發(fā)協(xié)同操作等方面。使用某個單一技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，在某些方面有優(yōu)勢，在另一方面必然存在不足。優(yōu)秀的虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)將多個技術(shù)相融合開發(fā)，優(yōu)勢互補[2]。

設(shè)計的力學(xué)虛擬實驗室系統(tǒng)將具備兩個突出的特點：

（1） 虛擬實驗的真實性，力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)中各種實驗方法除實現(xiàn)實驗結(jié)果的仿真外，還實現(xiàn)了實驗儀器的真實再現(xiàn)和操控，操作者在此系統(tǒng)上進行實驗，除了用鼠標(biāo)代替手進行操作外，與真實實驗幾乎沒有區(qū)別；

（2） 力學(xué)虛擬實驗的系統(tǒng)化，本文中的力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)包含了實驗力學(xué)中電測、光測的基本方法的研究，操作及界面統(tǒng)一，是一個比較完整且成熟的實驗力學(xué)研究及教學(xué)的工具[3?4]。

1 虛擬實驗的實現(xiàn)思路

1.1 實驗結(jié)果模擬

虛擬實驗的實驗結(jié)果模擬是實驗?zāi)M中最為重要的一部分，實際的力學(xué)實驗中是通過實驗圖像分析試件的位移場或應(yīng)力場，但虛擬實驗需要得到和顯示實驗圖像，考慮到實驗結(jié)果的真實性，以及實驗場景和參數(shù)的復(fù)雜隨機性，實驗圖像要計算得到而不能用實際實驗數(shù)據(jù)代替，那么如果將實際實驗的順序倒過來，由試件的位移場或應(yīng)力場計算得到實驗圖像，將實驗參數(shù)參與計算，考慮不同實驗狀態(tài)到算法中，即可得到真實的實驗結(jié)果了[5]。

1.2 實驗儀器模型及操控模擬

實驗結(jié)果的真實模擬和實時計算是虛擬實驗的良好基礎(chǔ)，緊接著就要實現(xiàn)虛擬實驗場景的真實性與人機交互性。實驗儀器的三維模型制作主要用3D Studio Max軟件實現(xiàn)[6]。

3D Studio Max軟件可以制作復(fù)雜形狀物體的三維結(jié)構(gòu)圖，不僅可以完全按照實驗中儀器的三維尺寸來制作，并且可以直接導(dǎo)入模型到EON Studio（制作實驗可操作化的軟件），繼續(xù)編輯模型的操作。用VB軟件將實驗的結(jié)果計算與實驗的人機交互結(jié)合起來，并加入人性化的系統(tǒng)界面，成為一個包含多個實驗的虛擬實驗室系統(tǒng)[7]。將實驗結(jié)果計算程序翻譯成C語言，VB將其調(diào)用，將EON嵌套在VB里，與程序進行輸入計算與輸出，并且增加相應(yīng)的操作按鈕如顯示圖像和保存圖像，對實驗圖像進行調(diào)用，另外，加入實驗介紹窗口及返回等按鈕以及制作系統(tǒng)主界面，增強虛擬實驗室系統(tǒng)的可讀性和豐富性[8]。

2 虛擬實驗的實現(xiàn)方法

2.1 實驗結(jié)果模擬實例

以光彈性實驗為例，首先設(shè)計實驗測量的模型類型，光彈性實驗中典型的實驗試件有對徑受壓圓盤，三點彎梁，再加入幾個形狀具有力學(xué)特性的試件如帶孔方板，變截面梁，圓環(huán)，著重研究邊緣區(qū)域的應(yīng)力分布。

模型的應(yīng)力場分為兩類：

（1） 存在解析解，直接計算得到應(yīng)力場；

（2） 無解析解，用數(shù)值方法模擬得到應(yīng)力場。

PDE Toolbox是Matlab中的偏微分方程工具箱，用其進行簡單圖形的有限元分析方法簡潔，得到的力學(xué)分布與進一步的模擬算法銜接便捷。

確定試件尺寸及材料參數(shù)后，進行建模。設(shè)計試件施加載荷為1 N，這樣將試件的實際受力作為參數(shù)，可以得到彈性階段任意載荷下的應(yīng)力場。根據(jù)試件的受力狀態(tài)，設(shè)置邊界條件。

2.2 實驗儀器模型及操控模擬實例

以單擺實驗為例介紹儀器模擬及操控模擬。單擺實驗的儀器三維模型主要用3DMax軟件制作完成。

單擺實驗中首先制作一個簡易的實驗支座，可以簡單的由一個立方體和兩個圓柱體構(gòu)成。然后可以由一個細圓柱和一個球體組成擺線和單擺小球。圓柱和小球的截面設(shè)置可以相應(yīng)的減小，這樣在之后的操控編輯中可以提高運行的速度。

畫好基本圖形之后，將支座的三個物體合并為一個整體，將擺線和小球合并為一個整體，并且將這部分的中心移至繩的頂端，以便后面的操控編輯。

在3D建模的過程中，最好給各個部分命名有意義的名字，因為在模型輸入到EON中進行編輯時，小構(gòu)件過多時便于快速準(zhǔn)確地找到欲編輯的具體組成部分。建模完成后，給模型附上材質(zhì)，并進行渲染。

運行程序，單擺實驗實現(xiàn)的效果圖如圖3所示，點擊小球?qū)⑵渫蟿拥饺我饨嵌龋〝[角小于10°），松開鼠標(biāo)，小球開始進行單擺運動，點擊實驗臺底座，小球停止單擺運動恢復(fù)初始位置。還可以再次開始實驗。

3 虛擬實驗室的應(yīng)用與仿真

3.1 應(yīng)變片電測虛擬實驗

應(yīng)變片電測實驗主要是通過試件上金屬絲被拉伸或壓縮后的阻值改變來求解試件的形變，因此這是一個通過電阻求電壓進而求應(yīng)變的過程。應(yīng)變片電測實驗中連接應(yīng)變儀的方式不同，會得到不同的實驗結(jié)果，程序模擬要對每一種接橋方式全面考慮，完整地模擬實驗過程。

（1） 由試件的應(yīng)變場計算得到電阻的改變量，這里對于不同的電橋接法有不同的考慮和運算；

（2） 由電阻值計算電壓值，將電壓值曲線顯示出來。

應(yīng)變片電測實驗中應(yīng)變片的貼片和應(yīng)變片連接應(yīng)變儀是比較重要的兩個步驟，在貼片時，貼片的數(shù)量和大小不定，貼片的位置和角度需要記錄參與運算，應(yīng)變片的電阻及改變量需要記錄計算；在連接應(yīng)變儀時，選擇何種橋路需要分情況計算，是否連接了溫度補償片需要單獨計算，因此，此處需要著重考慮實驗參數(shù)的輸入及參與運算方式的設(shè)計。

貼片數(shù)量是不確定的，但惠更斯電橋具有四個橋路是確定的，那么將四個橋路的連接狀況與所連接的應(yīng)變片參數(shù)作為固定的[4x]矩陣進行參數(shù)輸入及運算，程序運行一次只運算一個應(yīng)變儀通道，即一個電橋四個橋路，所有應(yīng)變片的信息就可以全部有序的參與運算了。

應(yīng)變片電測實驗的實驗結(jié)果是電壓?載荷曲線圖，用程序模擬出理論值是平滑的直線，如圖4所示，選用低碳鋼材料的拉伸試件（試件的長為50 mm，高為10 mm，厚為5 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3），選用一個大小為10 mm 5 mm的應(yīng)變片以90°的貼片角度粘貼在試件上，接入應(yīng)變儀的第一通道的“ab”口，選用一個同種材料的試件貼上一個大小為20 mm 10 mm的應(yīng)變片作為溫度補償片，接入應(yīng)變儀的第一通道的“bc”口，加載1～100 N的力，實際的應(yīng)變片電測實驗中，實驗結(jié)果受很多外界因素的影響，不可避免地會有誤差，因此，虛擬實驗的結(jié)果模擬為了更加真實地仿真真實的實驗狀況，給實驗結(jié)果加入了噪聲，如圖5所示。

3.2 光彈性虛擬實驗

光彈性方法是光測實驗力學(xué)中的一種經(jīng)典測量方法，實驗時通過特殊的光路設(shè)計，使偏振光通過由光彈性材料制成的受力模型后發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋——等差線和等傾線，可以直觀地顯示模型中的應(yīng)力場。光彈性方法一直是力學(xué)專業(yè)或機械類專業(yè)實驗力學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。

利用虛擬光彈實驗?zāi)K，操作者可以與在真實儀器上一樣的方式進行實驗，還可以進行實驗原理學(xué)習(xí)、實驗數(shù)據(jù)處理等若干特殊的操作。

正式進行虛擬實驗時先安裝試件，在實驗操作臺上用鼠標(biāo)點擊選擇試件及相應(yīng)的夾具，通過鼠標(biāo)拖動試件和夾具將其置于光彈儀的加載裝置中。系統(tǒng)還支持自制試件，操作者可根據(jù)自己的意愿設(shè)計任意形狀試件及加載方式，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)中進行實驗。安裝完試件后進行加載：點擊并旋轉(zhuǎn)加載手輪對試件進行加載，通過力傳感器可讀取載荷數(shù)值，以此控制載荷的大小。在對光彈儀的操作中，系統(tǒng)會實時計算并顯示檢偏鏡后面出現(xiàn)的干涉光場結(jié)果。操作者在獲得一個滿意的實驗結(jié)果后，還可通過“保存”按鈕保存等傾線和等差線的條紋圖像，然后通過實驗數(shù)據(jù)處理程序分析試件的應(yīng)力場。虛擬光彈性實驗的操作如圖7所示。

由虛擬光彈性實驗的例子可以看出，力學(xué)虛擬實驗室的設(shè)計完全依據(jù)于真實實驗，在最大程度上保持了實驗的真實性和完整性，實驗操作者能從中最大程度地體會真實實驗的感覺。虛擬實驗系統(tǒng)的其他模塊與上述光彈性實驗一樣，也完全按同一原則設(shè)計，有同樣的效果。

4 結(jié) 論

虛擬實驗的實現(xiàn)分為實驗結(jié)果模擬和實驗儀器模型及操控模擬兩部分。實驗結(jié)果的模擬方法，首先從受力模型中獲取力學(xué)量分布，通過解析解或數(shù)值解得到其應(yīng)力或位移解；然后根據(jù)不同實驗的實驗原理，將上述力學(xué)量分布轉(zhuǎn)化為條紋圖或曲線圖等結(jié)果圖像。實驗儀器模型及操控的模擬，首先用3D Studio Max軟件制作實驗儀器三維模型，然后用EON對實驗儀器模型進行可操作化的邏輯編輯，實現(xiàn)交互的實驗操作，不受操作先后順序的限制，仿真真實的實驗操作方法。根據(jù)現(xiàn)實實驗儀器建立基礎(chǔ)力學(xué)虛擬實驗室，實現(xiàn)了從實驗結(jié)果到實驗操控的仿真模擬，是實驗力學(xué)研究分析和實驗力學(xué)教學(xué)的重要輔助。

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