Un esperimento di simulazione virtuale di meccanica: deformazione e guasto del materiale basato sulla microscopia elettronica a scansione
Summary
Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.
Abstract
Questo lavoro presenta una serie di esperimenti virtuali completi per rilevare la deformazione e il cedimento del materiale. Le apparecchiature più comunemente utilizzate nelle discipline meccaniche e dei materiali, come una macchina da taglio metallografica e una macchina per prove di scorrimento universale ad alta temperatura, sono integrate in un sistema basato sul web per fornire diversi servizi sperimentali agli utenti in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo. Il protocollo in questo lavoro è diviso in cinque sottosezioni, vale a dire, la preparazione dei materiali, lo stampaggio del campione, la caratterizzazione del campione, il caricamento del campione, l’installazione di nanoindentatori e gli esperimenti SEM in situ , e questo protocollo mira a fornire un’opportunità per gli utenti per quanto riguarda il riconoscimento di diverse apparecchiature e le operazioni corrispondenti, nonché il miglioramento della consapevolezza del laboratorio, ecc., utilizzando un approccio di simulazione virtuale. Per fornire una guida chiara per l’esperimento, il sistema evidenzia l’attrezzatura / campione da utilizzare nella fase successiva e contrassegna il percorso che conduce all’apparecchiatura con una freccia evidente. Per imitare l’esperimento pratico il più fedelmente possibile, abbiamo progettato e sviluppato una sala di laboratorio tridimensionale, attrezzature, operazioni e procedure sperimentali. Inoltre, il sistema virtuale considera anche esercizi interattivi e registrazione prima di utilizzare sostanze chimiche durante l’esperimento. Sono inoltre consentite operazioni errate, con conseguente messaggio di avviso che informa l’utente. Il sistema può fornire esperimenti interattivi e visualizzati agli utenti a diversi livelli.
Introduction
La meccanica è una delle discipline di base dell’ingegneria, come dimostra l’enfasi posta sulle basi della meccanica matematica e delle conoscenze teoriche e l’attenzione data alla coltivazione delle abilità pratiche degli studenti. Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia moderne, la nanoscienza e la tecnologia hanno avuto un enorme impatto sulla vita umana e sull’economia. Rita Colwell, ex direttrice della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, ha dichiarato nel 2002 che la tecnologia su scala nanometrica avrebbe avuto un impatto pari alla rivoluzione industriale1 e ha osservato che la nanotecnologia è davvero un portale per un nuovo mondo2. Le proprietà meccaniche dei materiali su scala nanometrica sono uno dei fattori più fondamentali e necessari per lo sviluppo di applicazioni high-tech, come i nano-dispositivi 3,4,5. Il comportamento meccanico dei materiali su scala nanometrica e l’evoluzione strutturale sotto stress sono diventati questioni importanti nell’attuale ricerca nanomeccanica.
Negli ultimi anni, lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia di nanoindentazione, della tecnologia di microscopia elettronica, della microscopia a scansione di sonda, ecc., Hanno reso gli esperimenti di “meccanica in situ” una tecnica di test avanzata importante nella ricerca nanomeccanica 6,7. Ovviamente, dal punto di vista della didattica e della ricerca scientifica, è necessario introdurre tecniche sperimentali di frontiera nei contenuti didattici tradizionali riguardanti gli esperimenti meccanici.
Tuttavia, gli esperimenti di meccanica microscopica sono significativamente diversi dagli esperimenti di meccanica di base macroscopica. Da un lato, sebbene gli strumenti e le attrezzature pertinenti siano stati resi popolari in quasi tutti i college e le università, il loro numero è limitato a causa del prezzo elevato e dei costi di manutenzione. A breve termine, è impossibile acquistare abbastanza attrezzature per l’insegnamento offline. Anche se ci sono risorse finanziarie, i costi di gestione e manutenzione degli esperimenti offline sono troppo alti, poiché questo tipo di apparecchiatura ha caratteristiche di alta precisione.
D’altra parte, gli esperimenti di meccanica in situ come la microscopia elettronica a scansione (SEM) sono molto completi, con elevati requisiti operativi e un periodo sperimentale estremamente lungo 8,9. Gli esperimenti offline richiedono agli studenti di essere altamente concentrati per lungo tempo e il malfunzionamento può danneggiare lo strumento. Anche con individui molto qualificati, un esperimento di successo richiede alcuni giorni per essere completato, dalla preparazione di campioni qualificati al caricamento dei campioni per esperimenti di meccanica in situ. Pertanto, l’efficienza dell’insegnamento sperimentale offline è estremamente bassa.
Per risolvere i problemi di cui sopra, è possibile utilizzare la simulazione virtuale. Lo sviluppo dell’insegnamento dell’esperimento di simulazione virtuale può affrontare il collo di bottiglia in termini di costi e quantità delle apparecchiature sperimentali di meccanica in situ e, quindi, consentire agli studenti di utilizzare facilmente vari pezzi avanzati di attrezzature senza danneggiare gli strumenti ad alta tecnologia. L’insegnamento dell’esperimento di simulazione consente inoltre agli studenti di accedere alla piattaforma di esperimenti di simulazione virtuale via Internet sempre e ovunque. Anche per alcuni strumenti a basso costo, gli studenti possono utilizzare strumenti virtuali in anticipo per la formazione e la pratica, che possono migliorare l’efficienza dell’insegnamento.
Considerando l’accessibilità e la disponibilità di sistemi basati sul web10, in questo lavoro, presentiamo un sistema di sperimentazione di simulazione virtuale basato sul web che può fornire una serie di esperimenti relativi a operazioni fondamentali in meccanica e materiali, con particolare attenzione all’esperimento di meccanica in situ .
Protocol
Representative Results
Discussion
Uno dei vantaggi degli esperimenti di simulazione virtuale è che consentono agli utenti di condurre gli esperimenti senza preoccuparsi di danneggiare il sistema fisico o causare danni a se stessi11. Pertanto, gli utenti possono eseguire qualsiasi operazione, comprese le operazioni corrette o errate. Tuttavia, il sistema fornisce all’utente un messaggio di avviso integrato nell’esperimento interattivo per guidarlo a condurre correttamente gli esperimenti quando viene eseguita un’operazione errata….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto in parte dai fondi di ricerca fondamentale per le università centrali nell’ambito della sovvenzione 2042022kf1059; la Nature Science Foundation della provincia di Hubei nell’ambito della sovvenzione 2022CFB757; la China Postdoctoral Science Foundation nell’ambito della sovvenzione 2022TQ0244; il finanziamento del progetto tecnologico sperimentale dell’Università di Wuhan nell’ambito della sovvenzione WHU-2021-SYJS-11; i progetti provinciali di insegnamento e ricerca nei college e nelle università della provincia di Hubei nel 2021 nell’ambito del Grant 2021038; e il progetto di ricerca di laboratorio provinciale nei college e nelle università della provincia di Hubei nell’ambito della sovvenzione HBSY2021-01.
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