耿志挺，陳學(xué)軍

(1.清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100084;2.北京藍(lán)嶺技術(shù)有限公司，北京 100084)

0 引 言

材料力學(xué)是研究材料構(gòu)件承載能力和變形的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，它的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料力學(xué)課程教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)[1]。通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生不僅能掌握基本理論，善于分析和解決問題，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、驗(yàn)證理論、探索新知識的能力。

目前，傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法存在一些問題，例如，實(shí)驗(yàn)設(shè)備外形較大，實(shí)驗(yàn)室難以擺放足夠數(shù)量的設(shè)備，無法滿足學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求；實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，操作不當(dāng)極易造成設(shè)備損壞；實(shí)驗(yàn)器材損耗大，如試樣拉伸斷裂后無法再使用，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；隨著招生規(guī)模的逐年擴(kuò)大，教學(xué)改革的不斷深入，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)越來越重，儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)和實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量相對不足等問題愈加突出[2-4]。

為了以最少的經(jīng)費(fèi)投入解決以上問題，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，我校材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教師經(jīng)過多年努力，采用C++語言開發(fā)出一套材料力學(xué)性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大地激發(fā)了學(xué)生對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。而且還可以滿足其他高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，也可適用于遠(yuǎn)程教學(xué)[5-7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

1.1 技術(shù)路線

虛擬軟件系統(tǒng)應(yīng)該涵蓋基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的要求內(nèi)容，并能結(jié)合學(xué)校的需求擴(kuò)展定制實(shí)驗(yàn)，以有助于實(shí)際教學(xué)為目標(biāo)，力求簡潔、實(shí)用和高效[8-9]。

虛擬模擬和數(shù)值計(jì)算結(jié)合，細(xì)致的虛擬演示功能，使得虛擬實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)際操作系統(tǒng)結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的三維化演示。

前提：虛擬數(shù)據(jù)應(yīng)以實(shí)際真實(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)(每個(gè)用戶虛擬數(shù)據(jù)均不同)，不僅僅要求虛擬實(shí)驗(yàn)逼真，更要求合理。

必須注重專業(yè)，實(shí)用性要強(qiáng)，對機(jī)房要求低，運(yùn)行效率高，且交互性要強(qiáng)，又不失嚴(yán)肅性。圖1所示為軟件系統(tǒng)登入界面。

圖1 軟件登入界面

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

虛擬軟件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)視頻演示和虛擬實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分。

實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)部分則包含：金屬拉伸、金屬壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等材料力學(xué)內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅闡明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本原理與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟和方法、注意事項(xiàng)以及對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，同時(shí)還在每個(gè)實(shí)驗(yàn)之后都附有思考題，旨在幫助實(shí)驗(yàn)操作者能更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)的目的和原理。用戶只需點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)功能按鈕，就可選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可以直接在左側(cè)目錄菜單中選擇相關(guān)條目進(jìn)行學(xué)習(xí)，如圖2所示。

圖2 理論基礎(chǔ)模塊

另外，該軟件還可以進(jìn)行實(shí)測錄像，同步顯示材料受力變形-時(shí)間曲線，利用生動(dòng)的演示功能，詳細(xì)解析實(shí)驗(yàn)過程中的各個(gè)步驟、細(xì)節(jié)以及相關(guān)理論要點(diǎn)，讓學(xué)生在上課之前就對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有充分了解。用戶只需點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)視頻演示功能按鈕，即可進(jìn)入操作模塊。

視頻演示部分包含拉伸實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。分別以典型材料低碳鋼和鑄鐵來進(jìn)行演示，用戶可以點(diǎn)擊工具欄相應(yīng)按鈕進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，如圖3所示。

圖3 選擇視頻演示學(xué)習(xí)

2 系統(tǒng)功能說明

該系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)部分包含了碳鋼與鑄鐵材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)內(nèi)容，如圖4所示。下面以拉伸實(shí)驗(yàn)為例，說明虛擬實(shí)驗(yàn)的基本過程。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)界面

選擇“試樣初始測量”按鈕，開始進(jìn)行試件測量，軟件程序會(huì)自動(dòng)測試并記錄數(shù)據(jù)到表格中，如圖5所示。

點(diǎn)擊“試樣安裝按鈕”進(jìn)行試件安裝操作，拖動(dòng)試件到試驗(yàn)機(jī)夾口處進(jìn)行安裝。三維顯示上夾口先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)松開夾口，安裝試件，然后順時(shí)針擰緊夾口，如圖6所示。

圖5 試件初始測量

圖6 拉伸實(shí)驗(yàn)-試件安裝

擰緊試件后，點(diǎn)擊虛擬萬能材料試驗(yàn)機(jī)軟件工具欄中“夾持力清除”按鈕進(jìn)行夾持力清零動(dòng)作，如圖7所示。

圖7 拉伸實(shí)驗(yàn)-力清零

夾持力清零完成后，點(diǎn)擊虛擬萬能材料試驗(yàn)機(jī)軟件工具欄中“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”按鈕進(jìn)行試驗(yàn)配置設(shè)置，也可按默認(rèn)設(shè)置，用戶可以瀏覽配置信息。配置完成后，方可進(jìn)行測試工作，如圖8所示。

圖8 拉伸實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)配置完成后，點(diǎn)擊虛擬萬能材料試驗(yàn)機(jī)軟件工具欄“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕開始測試，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入測試狀態(tài)。虛擬試驗(yàn)機(jī)開始顯示實(shí)驗(yàn)曲線及測試數(shù)據(jù)，如圖9～10所示。

該材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)暫停實(shí)驗(yàn)、查看或修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)。同時(shí)還能將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存并退出系統(tǒng)，以后如果重新讀入保存的數(shù)據(jù)就可以繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖9 拉伸實(shí)驗(yàn)-開始測試

圖10 拉伸實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)完成

3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

(1)實(shí)用性強(qiáng)，專業(yè)突出。用戶只需通過操作虛擬試驗(yàn)機(jī)和配套虛擬測控軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并可以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)曲線。

(2)具有可編輯性。軟件中實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)練習(xí)題使用word進(jìn)行編輯或更改。實(shí)驗(yàn)演示視頻可結(jié)合本校設(shè)備自行錄制、修改和替換。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行效率高，對系統(tǒng)要求較低。系統(tǒng)完全采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，不受其他平臺(tái)引擎限制，可適配不同軟、硬件配置，Xp,win7,win8,win10全面兼容[10]。

(4)詳細(xì)的幫助系統(tǒng)。軟件中涉及的主要操作步驟都有詳細(xì)的幫助信息，可實(shí)時(shí)對每個(gè)步驟及操作進(jìn)行解釋。

(5)細(xì)致的虛擬演示功能、更多的信息化及集成化的軟件設(shè)計(jì)，使得虛擬實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)際操作系統(tǒng)完美結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作的三維化，虛擬實(shí)驗(yàn)變得更加合理逼真[11-13]。

4 結(jié) 語

本文介紹了材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索和改革[14-16]。學(xué)生通過對該虛擬教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，可以更好地掌握基礎(chǔ)力學(xué)理論知識，近一步加強(qiáng)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不僅能使課前預(yù)習(xí)、課堂操作、課后練習(xí)與作業(yè)，以及課下答疑等教學(xué)環(huán)節(jié)在數(shù)字化課堂上靈活呈現(xiàn)，而且還可以極大地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和探索新知識的能力。