ניסוי סימולציה וירטואלי של מכניקה: עיוות וכשל של חומרים על בסיס מיקרוסקופ אלקטרונים סורק
Summary
עבודה זו מציגה ניסוי סימולציה וירטואלית תלת מימדית לעיוות וכשל חומרי, המספק תהליכי ניסוי חזותיים. באמצעות סדרה של ניסויים, משתמשים יכולים להכיר את הציוד וללמוד את הפעולות בסביבת למידה immersive ואינטראקטיבי.
Abstract
עבודה זו מציגה סדרה של ניסויים וירטואליים מקיפים כדי לזהות עיוות וכישלון חומר. חלקי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומרים, כגון מכונת חיתוך מטלוגרפית ומכונת בדיקת זחילה אוניברסלית בטמפרטורה גבוהה, משולבים במערכת מבוססת אינטרנט כדי לספק שירותים ניסיוניים שונים למשתמשים בסביבת למידה אימרסיבית ואינטראקטיבית. הפרוטוקול בעבודה זו מחולק לחמישה תתי סעיפים, דהיינו, הכנת החומרים, יציקת הדגימה, אפיון הדגימה, העמסת דגימות, התקנת ננו-אינדנטר וניסויי SEM באתרם , ופרוטוקול זה נועד לספק הזדמנות למשתמשים לגבי זיהוי ציוד שונה והפעולות המתאימות, כמו גם שיפור המודעות למעבדה, וכו’, בגישת סימולציה וירטואלית. כדי לספק הנחיות ברורות לניסוי, המערכת מדגישה את הציוד/הדגימה שישמשו בשלב הבא ומסמנת את המסלול המוביל לציוד בחץ בולט. כדי לחקות את הניסוי המעשי ככל האפשר, תכננו ופיתחנו חדר מעבדה תלת ממדי, ציוד, פעולות ונהלי ניסוי. יתר על כן, המערכת הווירטואלית שוקלת גם תרגילים אינטראקטיביים ורישום לפני השימוש בכימיקלים במהלך הניסוי. פעולות שגויות מותרות גם, וכתוצאה מכך הודעת אזהרה ליידע את המשתמש. המערכת יכולה לספק ניסויים אינטראקטיביים וויזואליים למשתמשים ברמות שונות.
Introduction
מכניקה היא אחת הדיסציפלינות הבסיסיות בהנדסה, כפי שמראה הדגש שהושם על יסודות המכניקה המתמטית והידע התיאורטי ותשומת הלב הניתנת לטיפוח היכולות המעשיות של התלמידים. עם ההתקדמות המהירה של המדע והטכנולוגיה המודרניים, לננו-מדע ולטכנולוגיה הייתה השפעה עצומה על חיי האדם והכלכלה. ריטה קולוול, לשעבר מנהלת הקרן הלאומית למדע של ארה”ב (NSF), הצהירה בשנת 2002 כי לטכנולוגיה ננומטרית תהיה השפעה שווה לזו של המהפכה התעשייתית1 וציינה כי ננוטכנולוגיה היא באמת שער לעולם חדש2. התכונות המכניות של חומרים בקנה מידה ננומטרי הן אחד הגורמים הבסיסיים והנחוצים ביותר לפיתוח יישומי היי-טק, כגון ננו-התקנים 3,4,5. ההתנהגות המכנית של חומרים בקנה מידה ננומטרי והאבולוציה המבנית תחת לחץ הפכו לנושאים חשובים במחקר הננומכני הנוכחי.
בשנים האחרונות, הפיתוח והשיפור של טכנולוגיית ננו-הזחה, טכנולוגיית מיקרוסקופ אלקטרונים, מיקרוסקופ בדיקה סורק ועוד, הפכו את ניסויי “מכניקת באתרם” לטכניקת בדיקה מתקדמת החשובה במחקר ננומכניקה 6,7. כמובן, מנקודת המבט של הוראה ומחקר מדעי, יש צורך להכניס טכניקות ניסוי גבול לתוך תוכן ההוראה המסורתי לגבי ניסויים מכניים.
עם זאת, ניסויים במכניקה מיקרוסקופית שונים באופן משמעותי מניסויים במכניקה בסיסית מקרוסקופית. מצד אחד, למרות שהמכשירים והציוד הרלוונטיים זכו לפופולריות כמעט בכל המכללות והאוניברסיטאות, מספרם מוגבל בגלל המחיר הגבוה ועלות התחזוקה. בטווח הקצר, אי אפשר לרכוש מספיק ציוד להוראה לא מקוונת. גם אם יש משאבים כספיים, עלויות הניהול והתחזוקה של ניסויים לא מקוונים גבוהות מדי, שכן סוג זה של ציוד יש מאפיינים דיוק גבוה.
מצד שני, ניסויים במכניקה באתרם כגון מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) הם מקיפים מאוד, עם דרישות תפעוליות גבוהות ותקופת ניסוי ארוכה מאוד 8,9. ניסויים לא מקוונים דורשים מהתלמידים להיות ממוקדים מאוד במשך זמן רב, והפעלה שגויה עלולה להזיק למכשיר. אפילו עם אנשים מיומנים מאוד, ניסוי מוצלח דורש כמה ימים כדי להשלים, החל מהכנת דגימות מתאימות ועד העמסת הדגימות לניסויים מכניים באתרם. לכן, היעילות של הוראה ניסויית לא מקוונת היא נמוכה ביותר.
כדי לטפל בבעיות הנ”ל, ניתן להשתמש בסימולציה וירטואלית. פיתוח הוראת ניסויי סימולציה וירטואלית יכול לתת מענה לצוואר הבקבוק של העלות והכמות של ציוד ניסויי מכניקה באתרו , ובכך לאפשר לתלמידים להשתמש בקלות בפריטי ציוד מתקדמים שונים מבלי לפגוע במכשירים משוכללים. הוראת ניסוי סימולציה מאפשרת לתלמידים גם לגשת לפלטפורמת ניסוי הסימולציה הווירטואלית דרך האינטרנט בכל זמן ובכל מקום. אפילו עבור כמה מכשירים בעלות נמוכה, התלמידים יכולים להשתמש במכשירים וירטואליים מראש לאימון ולתרגול, מה שעשוי לשפר את יעילות ההוראה.
בהתחשב בנגישות ובזמינות של מערכות מבוססות אינטרנט10, בעבודה זו, אנו מציגים מערכת ניסויי סימולציה וירטואלית מבוססת אינטרנט שיכולה לספק סדרה של ניסויים הקשורים לפעולות בסיסיות במכניקה ובחומרים, עם דגש על ניסוי מכניקה באתר .
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד היתרונות של ניסויי סימולציה וירטואליים הוא שהם מאפשרים למשתמשים לבצע את הניסויים ללא חשש מפגיעה במערכת הפיזית או גרימת נזק לעצמם11. לפיכך, משתמשים יכולים לבצע כל פעולה, כולל פעולות נכונות או שגויות. עם זאת, המערכת נותנת למשתמש הודעת אזהרה המשולבת בניסוי האינטראקטיבי כדי ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרנות המחקר הבסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות במסגרת מענק 2042022kf1059; הקרן למדעי הטבע של מחוז חוביי במסגרת מענק 2022CFB757; הקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט במסגרת מענק 2022TQ0244; מימון פרויקט טכנולוגיית הניסוי של אוניברסיטת ווהאן במסגרת מענק WHU-2021-SYJS-11; פרויקטי ההוראה והמחקר המחוזיים במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי בשנת 2021 תחת מענק 2021038; ופרויקט מחקר המעבדה המחוזית במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי תחת מענק 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).
