SHPB虚拟仿真实验教学项目的研究与开发

毛继泽，曲 嘉，夏培秀

（1.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 本科生院，黑龙江 哈尔滨 150001）

自Kolsky[1]将分离式霍普金森压杆（split Hopkinson press bar，SHPB）系统引入高应变率下材料的动态力学性能研究以来，该技术经过70余年的发展已逐渐成熟。但由于需使用火药或高压气体作为发射动力而具有一定的危险性，且部分典型的率相关材料如铅等重金属具有一定的毒性，因此不易推广。

目前，国内外不少大学研制并建设了SHPB设备，开展相关的实验教学与科学研究[2-7]，但由于存在危险性均由经培训的专职人员操作。实验过程中，由于发射气压、子弹长度、电桥桥压、增益系数、采样率和触发条件等实验参数的设置相互影响，在实际教学中学生难以熟练掌握，而是需要通过重复性实验积累经验、探索规律。然而，重复性实验教学的耗损费用较高、危险性增加，因此有必要通过变革SHPB装置的实验教学模式，研发虚拟仿真实验项目。

近年来，虚拟仿真技术被越来越多地应用于各学科专业的教学实践中，在实验教学中表现出巨大优势。虚拟仿真实验教学具有的沉浸式、交互性、可重复、低成本、无危险、可回放、易共享等特点[8-12]，为解决分离式霍普金森杆冲击压缩的实验教学提供了很好的解决方法。本文综合应用三维虚拟仿真技术和ANSYS有限元软件，开发了SHPB虚拟仿真实验教学项目，以下对此进行介绍。

1 开发需求、难点和思路

1.1 开发需求

（1）沉浸式环境需求。需要具有SHPB测试系统的全部要素，包括：杆系结构、应变片、气压调节系统、超动态电阻应变仪、数字存储示波器，以及试样和游标卡尺。

（2）交互式需求。需要试样材质、发射子弹长度、发射气压、应变仪增益、示波器量程、触发方式、触发电压、触发延时等一系列参数的相互耦合。根据学生对参数的设置给出不同的数据反馈，同时给出标准计算结果用于教师批改报告时的参考。实验项目中的参数设置需要学生进行探索式尝试，要从多次实验中找到合适的参数设置，获得实验经验，改变以往为了避免采集超量程或不触发采集而使实验失败，教师提前给出建议参数的作法。

（3）引入误差和实验失败的可能性。由于ANSYS实时计算程序耗时较长，利用计算算例结果数据库，共完成计算结果文件3072个。学生根据实验操作时所设定的参数，可对计算结果进行数值差分并引入随机误差，形成各次实验的实验数据和结果文件，保证每个人得到的实验结果均不相同。

（4）实验方案设计应使实验教学深度由浅入深。实验方案设计可基于相同的实验原理，从明确实验题目出发，选择不同的实验材料试样，进行1~n次不确定次数的实验，重复部分实验步骤，最终完成实验。同时，根据实验结果数据得到冲击波速测量、动态屈服强度测量、应变率增强系数、应变率—应变—应力曲线测量、Johnson-Cook本构参数测量等测试结论，使实验教学深度逐渐由浅入深。

1.2 开发难点

实验项目可分为基础规范型实验、综合设计型实验和研究探索型实验[4]。其中，综合设计型实验旨在使学生综合运用课堂上所学的理论知识解决所遇到的问题，研究探索型实验旨在使学生发现问题、提出研究方案、建立实验平台、开展实验并处理实验数据，最终找到问题根源并发现其中的规律。在SHPB实验教学过程中，要求学生不仅要活学活用理论知识，总结实验规律，还要求他们能够自主制定实验方案，探究材料在高应变率实验条件下的动态力学行为。

虚拟仿真实验平台要服务于实验教学，要在开发过程中基于实际实验涉及到的学科知识点和实验步骤，并在不影响虚拟仿真结果可信度的情况下进行一定的简化和理想化。SHPB整套实验装置对应的课程多、学科应用广泛，因而开发难点之一就是如何合理地将诸多知识点融合成一个整体，从而能够虚拟仿真多种不同的实验工况。难点之二是如何做好人机交互，使其具有更好的代入感，从而使虚拟仿真实验过程贴近实际实验操作，使虚拟仿真实验平台成为研究性、开放性的平台。

1.3 开发思路

将SHPB实验分解为实验准备、参数设置和数据处理三个环节，而虚拟实验过程中的操作步骤应符合实际实验的流程要求。其中，实验准备环节主要培养学生的操作熟练度；参数设置环节应引导学生探索参数间的耦合关系，进而归纳总结设置经验；数据处理环节主要培养学生深入掌握应变率与应变、应力之间的积分计算方法和力学关系。通过三个环节的不同侧重，由浅入深地引导学生掌握SHPB实验技术的操作细节和原理应用。

SHPB虚拟仿真实验项目的开发难点和重点是实验准备环节和参数设置引起的交互性，包括引入误差和失败的可能性。首先，子弹尺寸和发射气压是实验过程的第一个交互性关键变量，软件根据此两参数利用弹道曲线差分出撞击速度。其次，要以能实现不同材料和多种尺寸试样的动态力学性能测量为开发重点，通过在虚拟仿真实验平台中录入铝、铜、铅等金属材料的冲击实验数据计算结果，支撑后台数据库，并提供数据处理的参考结果。最后，通过设计相关参数的设置页面和开放式的实验环境，引导学生归纳总结不同参数设置对实验现象影响的规律，甚至在失败的实验中总结经验，以符合研究探索型实验的要求。

2 仿真平台设计研究

2.1 开发工具

SHPB虚拟仿真实验平台的搭建采用 3D仿真开发技术，三维场景部分以 Unity3D和 Visual Studio 2015开发环境为制作引擎，配套的管理平台采用Eclipse作为开发工具，内部应用JAVA进行算法与交互编程及模拟控制，并采用MyQL进行数据库管理。

2.2 仿真平台界面设计

图1为SHPB虚拟仿真实验平台的界面。主界面背景为3D建模的实际实验室场景，展示了SHPB实验中的供气系统、SHPB装置主体部分、信号采集系统和信号处理系统等实验装置。主界面下方显示了整个实验的操作流程，随着操作流程的进行，对应的文字会被标亮，提示实验进程。在实验开始前，学生可

以通过鼠标点击主界面中的任意仪器设备，此时会出现介绍该设备的标注，通过上下滑动滚轮也可以对实验室的场景进行局部放大和缩小。在主界面左上角子弹长度一栏中，能够显示当前使用的子弹长度。

图1 SHPB虚拟仿真实验项目主界面

2.3 虚拟仿真实验流程设计

1）实验准备环节。

选用早熟、优质、高产，抗病虫、抗逆性强、适应性广、商品性好的品种。当前攀西地区种植较为普遍的品种为豫选一号品种，亩用种量2.5—3.5公斤。菜豆品种有红花青壳、双青玉豆、天马架豆王、泰国架豆王、碧丰8号等。

首先，进行电测系统连接。通过点击鼠标，在杆件上的适当部位采用半桥对臂方法粘贴应变片；点选应变片的引线，在惠斯通电桥上采用半桥接线方式与动态应变仪相连接；点击电桥连接线，将动态应变仪上对应的信道与示波器连接。第二，进行试样测试装夹，包括测量试样尺寸。以鼠标点击工作台上放置的试样，在试样材料窗口弹出的黄铜、纯铅、铝三种材料中进行选择，注意三种材料的率敏感性不同；点击旁边放置的游标卡尺，测量试样的直径和厚度；再点击工作台上放置的毛刷，在试样两端面涂抹高压脂，以降低冲击实验摩擦，起到波形整形作用。第三，将试样装夹到入射杆和透射杆之间。此时弹出子弹长度选择界面如图2所示，从6种不同长度的试样中选择实验子弹长度；将对应长度的子弹放置到发射管中。与实际实验不同，此时将发射管设置为透明，即可看着将子弹安装到发射准备位置。第四，调节发射装置上的气压调节旋钮，顺时针旋转鼠标为增大气压，逆时针旋转为减小气压。由不同的子弹长度和发射气压，可以得到不同的发射速度，进而形成不同的冲击波强度和波长，最终导致试样不同的应力应变曲线和残余变形[13]，如图3所示。

图2 选择子弹长度

图3 调节发射气压

2）参数设置环节。

首先，打开超动态电阻应变仪，通过调节旋钮，设置增益系数和低通滤波系数。然后打开示波器和采集通道，设置触发通道和触发条件。旋转触发时间旋钮设置触发延时，通过旋转电平旋钮设置触发基准，通过旋转标度旋钮设置采样率，单击采集按钮并打开采集面板设置采样长度。设置完成后单击单次采集按钮，完成参数设置工作。此项工作将影响测试精度，错误的设置结果将使数据采集不全或超量程，从而导致实验失败。用鼠标触发阀门开关发射子弹后，系统将根据实验中的参数设置、试样和子弹等的选取，输出不同的波形图，如图4所示。

图4 示波器调节面板及测试结果

3）数据处理环节。

图5 应力—应变率—应变双坐标实验结果

3 成绩评定与统计

教师在线上可根据学生帐号对照实验报告与平台系统自动生成的计算结果，对学生的实验成绩进行评定，大大减轻了教师核对实验数据与计算结果正确性的工作量。此外，实验结束后，系统可自动统计本次实验共计消耗的耗材和试样数量，包括真实实验所需要耗费的经费数量和配套人力数量等数据，从而使学生提高对实验方案重要性的认识，树立严谨的科学研究态度。系统经过一段时间运行后，可对虚拟实验中常犯的参数设置错误和易发生失误的操作进行大数据分析，用于完善实验教学内容，提高实验教学质量。

4 结语

本实验为研究探索型实验项目，能够克服以往实体实验受制于硬件条件、需要分时段多次指导、需要避免实验测量参数设置错误、不利于学生深入掌握相关实验技能等问题。系统可自动统计学生实验参数的配置情况，有利于学生总结规律，自我归纳经验。学生还可慢镜头回放实验过程中波的传播过程，这是在真实实验过程不可能做到的，有利于他们加深对冲击动力学的理解。

本项目使学生不再受制于学时数限制，并可反复尝试实验参数，对比不同参数所带来的影响。实验除对力学专业学生开放外，还面向机械、船舶、材料、航空航天及土木工程等专业的本科生和研究生开放，促进了SHPB技术的应用。

本项目在教学实施中重视“虚实结合”，当学生在虚拟仿真实验平台完成实验项目训练达到合格标准后，再通过严格的安全培训，即可向实验室提交自行拟定的详细实验方案，由在线教学服务教师审核通过后，即可预约申请真实设备，针对虚拟实验所没有的新材料进行创新性实验。

经过一年左右的运行，部分本科生在本实验基础上进一步开展了教学科研实验，并发表了论文，形成了“虚实结合”良性衔接的教学效果。