Et virtuelt simuleringseksperiment af mekanik: materialedeformation og svigt baseret på scanningelektronmikroskopi

Summary

Dette arbejde præsenterer et tredimensionelt virtuelt simuleringseksperiment for materialedeformation og fejl, der giver visualiserede eksperimentelle processer. Gennem et sæt eksperimenter kan brugerne blive fortrolige med udstyret og lære operationerne i et fordybende og interaktivt læringsmiljø.

Abstract

Dette arbejde præsenterer et sæt omfattende virtuelle eksperimenter til påvisning af materialedeformation og fejl. De mest almindeligt anvendte stykker udstyr inden for mekanik og materialediscipliner, såsom en metallografisk skæremaskine og en universel krybetestmaskine ved høj temperatur, er integreret i et webbaseret system for at levere forskellige eksperimentelle tjenester til brugerne i et fordybende og interaktivt læringsmiljø. Protokollen i dette arbejde er opdelt i fem underafsnit, nemlig forberedelse af materialerne, støbning af prøven, prøvekarakterisering, prøvebelastning, nanoindenterinstallation og SEM in situ-eksperimenter , og denne protokol sigter mod at give brugerne mulighed for anerkendelse af forskelligt udstyr og de tilsvarende operationer samt forbedring af laboratoriebevidstheden, osv. ved hjælp af en virtuel simuleringsmetode. For at give klar vejledning til eksperimentet fremhæver systemet det udstyr/prøve, der skal bruges i næste trin, og markerer den vej, der fører til udstyret, med en iøjnefaldende pil. For at efterligne det praktiske eksperiment så tæt som muligt designede og udviklede vi et tredimensionelt laboratorierum, udstyr, operationer og eksperimentelle procedurer. Desuden overvejer det virtuelle system også interaktive øvelser og registrering, før der anvendes kemikalier under eksperimentet. Forkerte handlinger er også tilladt, hvilket resulterer i en advarselsmeddelelse, der informerer brugeren. Systemet kan levere interaktive og visualiserede eksperimenter til brugere på forskellige niveauer.

Introduction

Mekanik er en af de grundlæggende discipliner inden for teknik, som det fremgår af den vægt, der lægges på grundlaget for matematisk mekanik og teoretisk viden og opmærksomheden på dyrkning af elevernes praktiske evner. Med den hurtige udvikling af moderne videnskab og teknologi har nanovidenskab og teknologi haft en enorm indflydelse på menneskelivet og økonomien. Rita Colwell, den tidligere direktør for US National Science Foundation (NSF), erklærede i 2002, at nanoskalateknologi ville have en indvirkning svarende til den industrielle revolution¹ og bemærkede, at nanoteknologi virkelig er en portal til en ny verden². De mekaniske egenskaber af materialer på nanoskala er en af de mest grundlæggende og nødvendige faktorer for udviklingen af højteknologiske applikationer, såsom nano-enheder ^3,4,5. Materialers mekaniske opførsel på nanoskala og den strukturelle udvikling under stress er blevet vigtige spørgsmål i den nuværende nanomekaniske forskning.

I de senere år har udviklingen og forbedringen af nanoindrykningsteknologi, elektronmikroskopiteknologi, scanningssondemikroskopi osv. gjort “in situ-mekanik” eksperimenter til en avanceret testteknik, der er vigtig i nanomekanikforskningen ^6,7. Ud fra et undervisningsmæssigt og videnskabeligt forskningsperspektiv er det naturligvis nødvendigt at indføre grænseeksperimentelle teknikker i det traditionelle undervisningsindhold vedrørende mekaniske eksperimenter.

Imidlertid er eksperimenter med mikroskopisk mekanik signifikant forskellige fra makroskopiske grundlæggende mekaniske eksperimenter. På den ene side, selvom de relevante instrumenter og udstyr er blevet populariseret i næsten alle gymnasier og universiteter, er deres antal begrænset på grund af de høje priser og vedligeholdelsesomkostninger. På kort sigt er det umuligt at købe nok udstyr til offline undervisning. Selvom der er økonomiske ressourcer, er styrings- og vedligeholdelsesomkostningerne ved offline eksperimenter for høje, da denne type udstyr har høje præcisionsegenskaber.

På den anden side er in situ-mekaniske eksperimenter såsom scanningelektronmikroskopi (SEM) meget omfattende med høje operationelle krav og en ekstremt lang eksperimentel periode ^8,9. Offline eksperimenter kræver, at eleverne er meget fokuserede i lang tid, og fejlbetjening kan beskadige instrumentet. Selv med meget dygtige individer kræver et vellykket eksperiment et par dage at gennemføre, fra forberedelse af kvalificerede prøver til indlæsning af prøverne til in situ-mekanikeksperimenter. Derfor er effektiviteten af offline eksperimentel undervisning ekstremt lav.

For at løse ovenstående problemer kan virtuel simulering bruges. Udviklingen af virtuel simulationseksperimentundervisning kan løse omkostningerne og mængden flaskehals af in situ mekanik eksperimentelt udstyr og dermed give eleverne mulighed for nemt at bruge forskellige avancerede stykker udstyr uden at beskadige højteknologiske instrumenter. Simulationseksperimentundervisning giver også eleverne adgang til den virtuelle simuleringseksperimentplatform via internettet når som helst og hvor som helst. Selv for nogle billige instrumenter kan eleverne bruge virtuelle instrumenter på forhånd til træning og praksis, hvilket kan forbedre undervisningseffektiviteten.

I betragtning af tilgængeligheden og tilgængeligheden af webbaserede systemer¹⁰ præsenterer vi i dette arbejde et webbaseret virtuelt simuleringseksperimentsystem, der kan tilvejebringe et sæt eksperimenter relateret til grundlæggende operationer inden for mekanik og materialer med fokus på in situ-mekanikeksperimentet .

Protocol

I dette arbejde diskuteres procedurerne for mikrocantilever strålebrudseksperimentet med revner som følger, som er åben for fri adgang via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alle trin udføres i onlinesystemet baseret på den virtuelle simuleringsmetode. Institutional Review Board godkendelse var ikke påkrævet for denne undersøgelse. Der blev indhentet samtykke fra de frivillige studerende, der deltog i denne undersøgelse. 1. Adgang til systemet og indtastning af græ…

Representative Results

Systemet giver klar vejledning til brugerens operationer. For det første integreres træning på begynderniveau, når en bruger kommer ind i systemet. For det andet fremhæves udstyret og laboratorierummet, der skal bruges til næste trin. Systemet kan bruges til flere forskellige uddannelsesformål for forskellige niveauer af studerende. For eksempel omfatter figur 1 syv af de mest almindeligt anvendte typer udstyr inden for de mekaniske og mat…

Discussion

En af fordelene ved virtuelle simuleringseksperimenter er, at de giver brugerne mulighed for at udføre eksperimenterne uden bekymringer om at beskadige det fysiske system eller forårsage skade på sig selv¹¹. Således kan brugerne udføre alle operationer, herunder enten korrekte eller forkerte operationer. Systemet giver dog brugeren en advarselsmeddelelse, der er integreret i det interaktive eksperiment for at guide dem til at udføre eksperimenterne korrekt, når der udføres en forkert handl…

Materials

Virtual interface

None

None

http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd