基于虚拟仿真技术在材料力学实验中应用的研究*

卜万奎,徐慧,闫冰洁,朱明听

(1.菏泽学院城市建设学院,山东 菏泽 274015;2.菏泽学院机电工程学院,山东 菏泽 274015)

0 引言

材料力学是高校土木工程、机械、动力、材料等工科专业必修的一门技术基础课,主要研究单根杆件在外力作用下的强度、刚度及稳定性问题,在高等院校的教学计划中占有很重要的地位.材料力学与工程实际联系紧密,该课程主要研究杆件在外力作用下的内力、应力、变形的规律,涉及到的实验项目有金属材料拉伸压缩实验、金属材料扭转实验、梁的弯曲正应力测定等实验.开展上述实验有利于加深学生对于力学理论的理解,对如何更好地应用力学知识解决实际的工程问题具有重要的意义.

虚拟仿真技术已成为目前力学发展较为先进的辅助方法,它是以计算机为媒介,将数字化信息技术和计算机技术应用于力学建模,通过数值计算得出结构受力、变形的变化规律,并通过图表、云图或等值线等方式呈现.目前,已有不少学者对于如何将虚拟仿真技术与材料力学相融合的相关课题进行了研究,例如:章芳芳将Midas应用在土木工程专业材料力学教学中,激发了学生的学习兴趣,深化了学生的工程意识[1];郭旭洋,黄雷将仿真数值平台应用于材料力学课程教学改革中,并达到了提升材料力学课程教学质量的目的[2];黄涛,胡佳恒等借助虚拟仿真实验,通过教学实例验证了虚拟仿真实验能够更好的融合线上线下的教学[3];赵辛将虚拟仿真技术应用于与多媒体教学相结合的材料力学实验教学中,提升了学生实验能力,并取得了较好的教学效果[4];马雯波,许福基于CDIO理念,将建立的虚拟仿真平台,应用在材料力学课程教学中,并取得了较好的教学效果[5];耿志挺,陈学军在材料力学课程设计开发了虚拟仿真实验系统,这个系统不仅能使学生方便的进行课前预习、课堂操作、课后练习,而且极大的培养了学生的动手能力、创新能力[6].本文基于以上研究成果,设计了材料力学虚拟仿真实验系统,教学实践证明该系统可较好的达到线下实验的效果.

1 材料力学实验教学中存在的问题

1.1 实验教学方法落后

由于我校目前材料力学实验室建设存在不完善,不能满足全体学生进行实际操作的需求.材料力学实验教学内容主要包括金属材料拉伸与压缩、压杆稳定、金属材料的扭转、弯曲正应力测定、剪切、弯扭组合变形实验等综合性实验,在上实验课时,主要是教师先进行讲解实验原理、步骤及注意事项,学生按照老师的讲解进行机械性的演示操作.这必然带来部分学生对实验原理的理解不深,不会操作,特别是比较复杂的实验,比如弯曲正应力测定、弯扭组合变形实验,对于电测原理的接线操作,学生仅仅通过课堂有限的时间很难弄通、弄懂,导致做实验时学生只是单纯的为了完成老师布置的实验任务而进行实验操作,教学效果不理想.这种教学方式制约了学生分析、解决实际问题能力的提升.

1.2 实验课程设置不合理

近年来,学校按照教学大纲对各个专业的课时进行了调整,材料力学课程的学时也在不断减少,实验学时为八学时.而一些大型的实验设备操作复杂,相应实验所需课时较多,这必然导致实际课时量与所需课时量之间不匹配.由于教师在让学生进行实地操作前,占用了一部分时间讲解实验理论和操作方法,必然没有充足的时间让学生进行实地操作,导致学生不能较好掌握设备的使用方法,存在实验理论与实际操作脱节的问题,在这种情况下,无法达到满意的实验效果.

1.3 考核方法不完善

实验教学现在还在沿用之前的考核方法,往往是将学生的出勤率和实验报告作为考核和评价的依据,这势必会给一些学生提供弄虚作假的机会,即为了应付老师、照搬抄袭其他学生的实验报告.因此,这种传统的考核方式在一定程度上难以激发学生主动动手的能力,不能全面的展现学生的实验水平,限制了学生实践能力的提高.

2 虚拟仿真平台在实验教学运用中的探索

针对当前实验教学中存在的问题,我校土木工程专业材料力学实验课题组进行了实验教学的改革,设计了虚拟仿真实验系统,运用虚拟仿真实验进行线上实验和传统实验教学进行线下实验相结合的方式进行了实验教学改革,做到了虚实结合,较好的解决了实验设备老化、不足、实验课时少等问题.

2.1 虚拟仿真技术开发的目的

材料力学实验中,许多实验多属于损耗性实验,每次都要使用大量的低碳钢或者铸铁试件.由于部分学生不熟悉实验原理或过程,往往需进行多次重复实验,无形中造成了试件的浪费,既不经济又不环保,甚至是潜在人身安全隐患,虚拟仿真系统充分利用了计算机设备,具有不受场地、时间及材料限制,更不会存在人身安全问题.学生可以在虚拟仿真系统进行无限次重复实验,不会造成实验试件的浪费,从而达到在线下实验操作前就熟练掌握了实验原理、步骤及方法.另外,虚拟仿真实验作为线下实验的有效补充,可有效避免线下实际操作中错误发生的概率,提高了线下实验的成功率.

2.2 虚拟仿真实验内容

虚拟的实验仿真实验内容主要分为实验理论知识介绍、实验视频演示和虚拟实验操作三个部分.实验内容包括:金属材料拉伸和压缩实验、弹性模量实验、剪切实验、金属材料扭转实验、梁弯曲正应力测定实验、弯扭组合变形实验、冲击实验、压杆稳定实验等实验内容,每个实验不仅介绍了实验目的、实验方法和实验的基本原理,还详解介绍了实验运行环境、实验仪器,实验模块,如表1所示,实验步骤以及实验过程中的注意事项,目的是帮助使用者更好的了解和掌握实验.使用者只需要点击开始按钮,就可以按照操作提示进行实验.

表1 实验中的模块介绍

2.3 虚拟仿真实验步骤

以拉伸实验为例,介绍实验界面操作步骤如下所示.

(1)按照虚拟仿真实验界面的操作提示,点击“开始”按钮进入实验,先选取试件:“低碳钢Q235”或者“铸铁HT200”,然后利用游标卡尺测量出试件的原始尺寸,并将数据填入实验表格.

(2)用锲形片加紧试件,用夹头套进行固定,旋转上夹头使之与上横梁为铰接状态,旋出时不应旋出过长,必需保证上夹头头套与上横梁点半之间的间隙应在3～10 mm之间.调整试验机下夹头套的位置,打开电机电源.按下“油泵启动”按钮,选择压缩上行按钮使下夹头上移,打开进油手轮使下夹套头上移直到可以放入试件,移动至合适的位置后,关闭进油手轮,将试件拖动到夹头位置.

(3)连接测试线路,选择第一通道测力,并连接到试验机的拉、压传感器上.打开测试箱电源,设置数据采集环境.选择“文件”→“引入项目”,按照提示将刚才测定的数据引入系统中,打开进油手轮,控制加载速度,进行加载测试,当试件断裂后,停止实验.

(4)记录屈服强度阶段的最大荷载值和最小荷载值以及强化阶段的最大荷载值,最后将试件与套筒分离后记录试件断后的标距.具体操作步骤如图1所示.

(a)测量试件尺寸

(b)装载试件

(c)连接线路

(d)屈服强度阶段的最小荷载值

(e)屈服强度阶段的最大荷载值

(f)强化阶段的最大荷载值

3 虚拟仿真技术在材料力学实验中的教学改革

3.1 虚拟和线下教学相结合的教学模式

虚拟仿真技术由电脑技术、仿真技术、数字媒体技术、人工智能技术、人机接口技术及测量传输技术等多种先进技术集合而成,具有仿真和实时交互等特征[7].依据材料力学的实验教学大纲,我校与某软件公司共同设计开发了《材料力学实验仿真教学系统》.该实验系统是按照我校材料力学教学大纲所要求的全部实验项目、实验内容进行研发制作的,与线下实验内容、实验步骤与实验室内的实验设备高度重合.为充分利用《材料力学实验仿真教学软件》的优势,提出并在实验教学中采用课堂理论教学、虚拟仿真教学、实验室实践教学相结合的教学模式,即在实验室实践课开设线下实验之前,教师首先将实验中重要的知识和原理传授给学生,然后学生采用该软件开展虚拟仿真实验,学生在计算机上按照教师讲授的内容进行预习,这样学生对将要进行的实验原理、实验步骤、实验安全规章制度等内容就有了初步的了解,为线下实验室内的实际操作实验打下基础[8].现以“金属材料拉伸实验”为例进行介绍,教学流程图见图2.

图2 虚拟仿真相结合的教学流程图

3.2 学科竞赛教学模式

教育部在2019年就提出,要有针对性地“以赛促学,以赛促教、以赛促创”,通过学科竞赛来加深学生对于专业课程的理解.例如全国大学生力学竞赛中,在理论与实践操作部分需要考察一个团队中三位学生对力学基础知识的理解,以及学生的动手能力、合作能力和创新能力等[9].比赛中,需要团队利用自己所学到的力学知识进行实验的设计、实验设备的调试及实验的验证,这就要求学生必需具备较强的实验设计能力,因此,通过让学生参加力学竞赛,激发学生利用虚拟仿真与线下实践相结合的方式,进行力学实验的研究,同时提升了学生的动手能力及自我创新的能力.

3.3 材料力学实验教学考核方法改革

传统的材料力学实验教学考核方式是以实验报告的成绩为主,对课前预习与实验操作不做要求.本次实验教学改革,即在实验室实践教学中引入虚拟仿真技术并将其作为考核的依据.学生在实验理论课结束后,在计算机上模拟虚拟实验,按照实验提示进行操作,并导出实验报告,最后在实验室实地操作后完成实际操作的实验报告,实验报告完成后统一报送给实验教师批阅[10]-[11].最终的实验成绩由三部分组成,即:理论上课情况,占比为20%;虚拟实验报告完成情况,占比为30%;实际操作的实验报告完成情况,占比为50%,实验的总成绩=理论上课×20%+虚拟实验报告成绩×30%+实际操作的实验报告×50%.通过这种考核方式的改革,学生的学习积极性和实际操作能力都得到了极大的提高.此外,在进行线下实验之前,学生通过虚拟仿真实验基本上掌握了实验过程中的操作要点及各种安全注意事项,有效提高了线下实验的成功率,极大地保障了学生的人身安全.

4 结束语

针对目前部分院校材料力学实验室建设不完善的问题和材料力学实验课程的教学现状,本文开发了虚拟仿真实验教学系统,可让学生不受时间、场地,实验耗材及实验设备数量的限制进行相关实验项目的线上实验操作,直观的仿真实验教学软件,提高了学生参与实验的积极性.虚拟仿真实验具有不受实验时间限制、实验地点灵活、重复使用率高、实验成本低等的特点,通过与理论教学和实际实验教学相结合,能够帮助学生深入理解实验原理、掌握操作流程,节约了教学资源,提高了教师实验教学效率与学生学习效率,全方位的提升学生的实践能力.