材料力学虚拟仿真实验系统的设计与开发

耿志挺，陈学军

(1.清华大学 材料学院，北京 100084;2.北京蓝岭技术有限公司，北京 100084)

0 引 言

材料力学是研究材料构件承载能力和变形的一门基础学科，其理论性和实践性都很强，它的实验教学是材料力学课程教学中的一个重要实践环节[1]。通过理论教学与实验教学相结合，使学生不仅能掌握基本理论，善于分析和解决问题，同时也培养学生的动手能力、验证理论、探索新知识的能力。

目前，传统的力学实验教学模式和方法存在一些问题，例如，实验设备外形较大，实验室难以摆放足够数量的设备，无法满足学生独立进行实验的需求；实验设备昂贵，操作不当极易造成设备损坏；实验器材损耗大，如试样拉伸断裂后无法再使用，浪费现象严重；随着招生规模的逐年扩大，教学改革的不断深入，材料力学实验教学任务越来越重，仪器设备台套数和实验教师数量相对不足等问题愈加突出[2-4]。

为了以最少的经费投入解决以上问题，并进一步激发学生的学习兴趣、增强实验效果、提高实验教学质量，我校材料学院实验教学中心教师经过多年努力，采用C++语言开发出一套材料力学性能虚拟仿真实验系统用于实验教学，极大地激发了学生对材料力学实验的学习兴趣。而且还可以满足其他高等学校实验教学环节的需要，也可适用于远程教学[5-7]。

1 系统结构概述

1.1 技术路线

虚拟软件系统应该涵盖基础力学教学实验大纲的要求内容，并能结合学校的需求扩展定制实验，以有助于实际教学为目标，力求简洁、实用和高效[8-9]。

虚拟模拟和数值计算结合，细致的虚拟演示功能，使得虚拟实验过程与实际操作系统结合，真正实现实验操作的三维化演示。

前提：虚拟数据应以实际真实数据为依据(每个用户虚拟数据均不同)，不仅仅要求虚拟实验逼真，更要求合理。

必须注重专业，实用性要强，对机房要求低，运行效率高，且交互性要强，又不失严肃性。图1所示为软件系统登入界面。

图1 软件登入界面

1.2 实验内容

虚拟软件实验内容分为实验理论基础、实验视频演示和虚拟实验3个部分。

实验理论基础部分则包含：金属拉伸、金属压缩、扭转实验等材料力学内容，每个实验不仅阐明了实验目的、基本原理与实验内容，还详细介绍了实验设备、实验步骤和方法、注意事项以及对实验报告的要求，同时还在每个实验之后都附有思考题，旨在帮助实验操作者能更好地理解和掌握实验的目的和原理。用户只需点击实验理论基础功能按钮，就可选择学习内容，也可以直接在左侧目录菜单中选择相关条目进行学习，如图2所示。

图2 理论基础模块

另外，该软件还可以进行实测录像，同步显示材料受力变形-时间曲线，利用生动的演示功能，详细解析实验过程中的各个步骤、细节以及相关理论要点，让学生在上课之前就对实验内容有充分了解。用户只需点击实验视频演示功能按钮，即可进入操作模块。

视频演示部分包含拉伸实验、压缩实验和扭转实验。分别以典型材料低碳钢和铸铁来进行演示，用户可以点击工具栏相应按钮进行观看学习，如图3所示。

图3 选择视频演示学习

2 系统功能说明

该系统虚拟实验部分包含了碳钢与铸铁材料的拉伸、压缩、扭转等试验内容，如图4所示。下面以拉伸实验为例，说明虚拟实验的基本过程。

图4 虚拟实验界面

选择“试样初始测量”按钮，开始进行试件测量，软件程序会自动测试并记录数据到表格中，如图5所示。

点击“试样安装按钮”进行试件安装操作，拖动试件到试验机夹口处进行安装。三维显示上夹口先逆时针旋转松开夹口，安装试件，然后顺时针拧紧夹口，如图6所示。

图5 试件初始测量

图6 拉伸实验-试件安装

拧紧试件后，点击虚拟万能材料试验机软件工具栏中“夹持力清除”按钮进行夹持力清零动作，如图7所示。

图7 拉伸实验-力清零

夹持力清零完成后，点击虚拟万能材料试验机软件工具栏中“实验设置”按钮进行试验配置设置，也可按默认设置，用户可以浏览配置信息。配置完成后，方可进行测试工作，如图8所示。

图8 拉伸实验-实验配置

实验配置完成后，点击虚拟万能材料试验机软件工具栏“开始实验”按钮开始测试，系统自动进入测试状态。虚拟试验机开始显示实验曲线及测试数据，如图9～10所示。

该材料力学虚拟实验系统还可以在实验过程中随时暂停实验、查看或修改实验参数。同时还能将实验数据实时保存并退出系统，以后如果重新读入保存的数据就可以继续进行相关实验。

图9 拉伸实验-开始测试

图10 拉伸实验-实验完成

3 系统性能指标

(1)实用性强，专业突出。用户只需通过操作虚拟试验机和配套虚拟测控软件来进行实验，并可以实时显示实验曲线。

(2)具有可编辑性。软件中实验指导书、实验练习题使用word进行编辑或更改。实验演示视频可结合本校设备自行录制、修改和替换。

(3)适应性强、运行效率高，对系统要求较低。系统完全采用C++语言进行开发，不受其他平台引擎限制，可适配不同软、硬件配置，Xp,win7,win8,win10全面兼容[10]。

(4)详细的帮助系统。软件中涉及的主要操作步骤都有详细的帮助信息，可实时对每个步骤及操作进行解释。

(5)细致的虚拟演示功能、更多的信息化及集成化的软件设计，使得虚拟实验过程与实际操作系统完美结合，真正实现了实验操作的三维化，虚拟实验变得更加合理逼真[11-13]。

4 结 语

本文介绍了材料力学虚拟实验系统在教学实验中的应用。将虚拟仿真技术运用到材料力学性能实验中，是实验教学模式的探索和改革[14-16]。学生通过对该虚拟教学系统的学习，可以更好地掌握基础力学理论知识，近一步加强传统教学实验。该虚拟仿真实验教学系统，不仅能使课前预习、课堂操作、课后练习与作业，以及课下答疑等教学环节在数字化课堂上灵活呈现，而且还可以极大地培养学生的动手能力、创新能力和探索新知识的能力。