Ett virtuellt simuleringsexperiment av mekanik: materialdeformation och misslyckande baserat på svepelektronmikroskopi
Summary
Detta arbete presenterar ett tredimensionellt virtuellt simuleringsexperiment för materialdeformation och misslyckande som ger visualiserade experimentella processer. Genom en uppsättning experiment kan användarna bekanta sig med utrustningen och lära sig operationerna i en uppslukande och interaktiv inlärningsmiljö.
Abstract
Detta arbete presenterar en uppsättning omfattande virtuella experiment för att upptäcka materialdeformation och fel. De vanligaste utrustningarna inom mekanik och materialdiscipliner, såsom en metallografisk skärmaskin och en universell kryptestmaskin med hög temperatur, integreras i ett webbaserat system för att tillhandahålla olika experimentella tjänster till användare i en uppslukande och interaktiv inlärningsmiljö. Protokollet i detta arbete är uppdelat i fem underavsnitt, nämligen beredning av materialen, gjutning av provet, provkarakterisering, provbelastning, nanoindenterinstallation och SEM in situ-experiment , och detta protokoll syftar till att ge användarna möjlighet att känna igen olika utrustningar och motsvarande operationer samt förbättra laboratoriemedvetenheten, etc., med hjälp av en virtuell simuleringsmetod. För att ge tydlig vägledning för experimentet markerar systemet utrustningen/provet som ska användas i nästa steg och markerar vägen som leder till utrustningen med en iögonfallande pil. För att efterlikna det praktiska experimentet så nära som möjligt designade och utvecklade vi ett tredimensionellt laboratorierum, utrustning, operationer och experimentella procedurer. Dessutom tar det virtuella systemet hänsyn till interaktiva övningar och registrering innan kemikalier används under experimentet. Felaktiga åtgärder är också tillåtna, vilket resulterar i ett varningsmeddelande som informerar användaren. Systemet kan tillhandahålla interaktiva och visualiserade experiment till användare på olika nivåer.
Introduction
Mekanik är en av de grundläggande disciplinerna inom teknik, vilket framgår av betoningen på grunden för matematisk mekanik och teoretisk kunskap och uppmärksamheten på odlingen av elevernas praktiska förmågor. Med den snabba utvecklingen av modern vetenskap och teknik har nanovetenskap och teknik haft en enorm inverkan på människors liv och ekonomin. Rita Colwell, tidigare chef för US National Science Foundation (NSF), förklarade 2002 att nanoskala teknik skulle ha en inverkan som motsvarar den industriella revolutionen1 och noterade att nanoteknik verkligen är en portal till en ny värld2. De mekaniska egenskaperna hos material på nanonivå är en av de mest grundläggande och nödvändiga faktorerna för utvecklingen av högteknologiska tillämpningar, såsom nano-enheter 3,4,5. Det mekaniska beteendet hos material på nanoskala och den strukturella utvecklingen under stress har blivit viktiga frågor i nuvarande nanomekanisk forskning.
Under de senaste åren har utvecklingen och förbättringen av nanoindentationsteknik, elektronmikroskopiteknik, svepprobmikroskopi etc. gjort “in situ-mekanik” -experiment till en avancerad testteknik som är viktig inom nanomekanikforskning 6,7. Ur ett undervisnings- och forskningsperspektiv är det naturligtvis nödvändigt att införa avancerade experimentella tekniker i det traditionella undervisningsinnehållet om mekaniska experiment.
Experiment med mikroskopisk mekanik skiljer sig emellertid signifikant från makroskopiska grundläggande mekaniska experiment. Å ena sidan, även om relevanta instrument och utrustning har populariserats i nästan alla högskolor och universitet, är deras antal begränsat på grund av det höga priset och underhållskostnaden. På kort sikt är det omöjligt att köpa tillräckligt med utrustning för offlineundervisning. Även om det finns ekonomiska resurser är hanterings- och underhållskostnaderna för offline-experiment för höga, eftersom denna typ av utrustning har hög precisionsegenskaper.
Å andra sidan är in situ-mekaniska experiment som svepelektronmikroskopi (SEM) mycket omfattande, med höga operativa krav och en extremt lång experimentperiod 8,9. Offline-experiment kräver att eleverna är mycket fokuserade under lång tid, och felaktig användning kan skada instrumentet. Även med mycket skickliga individer kräver ett framgångsrikt experiment några dagar att slutföra, från att förbereda kvalificerade prover till att ladda proverna för in situ-mekaniska experiment. Därför är effektiviteten hos offline experimentell undervisning extremt låg.
För att ta itu med ovanstående problem kan virtuell simulering användas. Utvecklingen av virtuell simuleringsexperimentundervisning kan ta itu med kostnads- och kvantitetsflaskhalsen för experimentell utrustning på plats och därmed låta eleverna enkelt använda olika avancerade utrustningar utan att skada högteknologiska instrument. Simuleringsexperimentundervisning gör det också möjligt för studenter att komma åt den virtuella simuleringsexperimentplattformen via internet när som helst och var som helst. Även för vissa billiga instrument kan eleverna använda virtuella instrument i förväg för utbildning och övning, vilket kan förbättra undervisningseffektiviteten.
Med tanke på tillgängligheten och tillgängligheten av webbaserade system10 presenterar vi i detta arbete ett webbaserat virtuellt simuleringsexperimentsystem som kan ge en uppsättning experiment relaterade till grundläggande operationer inom mekanik och material, med fokus på in situ-mekanikexperimentet .
Protocol
Representative Results
Discussion
En av fördelarna med virtuella simuleringsexperiment är att de tillåter användare att utföra experimenten utan oro för att skada det fysiska systemet eller skada sig själva11. Således kan användare utföra alla operationer, inklusive antingen korrekta eller felaktiga operationer. Systemet ger dock användaren ett varningsmeddelande som är integrerat i det interaktiva experimentet för att vägleda dem att utföra experimenten korrekt när en felaktig operation utförs. På detta sätt ka…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes delvis av grundforskningsfonderna för de centrala universiteten under bidrag 2042022kf1059; Nature Science Foundation i Hubei-provinsen under bidrag 2022CFB757; China Postdoctoral Science Foundation under bidrag 2022TQ0244; Wuhan University Experiment Technology Project Finansiering under bidrag WHU-2021-SYJS-11; provinsiella undervisnings- och forskningsprojekt i Hubeiprovinsens högskolor och universitet 2021 under bidrag 2021038; och Provincial Laboratory Research Project i Hubei-provinsens högskolor och universitet under bidrag HBSY2021-01.
References
- Chong, K., Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. , 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. . Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
