Ein virtuelles Simulationsexperiment der Mechanik: Materialverformung und -versagen anhand der Rasterelektronenmikroskopie
Summary
Diese Arbeit stellt ein dreidimensionales virtuelles Simulationsexperiment für Materialverformung und -versagen vor, das visualisierte experimentelle Prozesse liefert. Durch eine Reihe von Experimenten können sich die Benutzer mit den Geräten vertraut machen und die Bedienung in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung erlernen.
Abstract
Diese Arbeit stellt eine Reihe umfassender virtueller Experimente vor, um Materialverformungen und -versagen zu erkennen. Die in der Mechanik und in den Werkstoffdisziplinen am häufigsten verwendeten Geräte, wie z. B. eine metallographische Schneidemaschine und eine Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, sind in ein webbasiertes System integriert, um den Benutzern verschiedene experimentelle Dienste in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung anzubieten. Das Protokoll in dieser Arbeit ist in fünf Unterabschnitte unterteilt, nämlich die Vorbereitung der Materialien, das Formen der Probe, die Charakterisierung der Probe, die Probenbeladung, die Installation von Nanoindentern und REM-In-situ-Experimente , und dieses Protokoll zielt darauf ab, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, verschiedene Geräte und die entsprechenden Vorgänge zu erkennen sowie das Laborbewusstsein zu verbessern. usw., unter Verwendung eines virtuellen Simulationsansatzes. Um eine klare Anleitung für das Experiment zu geben, hebt das System die im nächsten Schritt zu verwendende Ausrüstung/Probe hervor und markiert den Weg, der zum Gerät führt, mit einem auffälligen Pfeil. Um das praktische Experiment so genau wie möglich nachzuahmen, haben wir einen dreidimensionalen Laborraum, Geräte, Operationen und experimentelle Verfahren entworfen und entwickelt. Darüber hinaus berücksichtigt das virtuelle System auch interaktive Übungen und Registrierungen, bevor Chemikalien während des Experiments verwendet werden. Fehlerhafte Vorgänge sind ebenfalls zulässig, was zu einer Warnmeldung führt, die den Benutzer informiert. Das System kann Benutzern interaktive und visualisierte Experimente auf verschiedenen Ebenen zur Verfügung stellen.
Introduction
Die Mechanik ist eine der Grunddisziplinen des Ingenieurwesens, wie die Betonung der Grundlagen der mathematischen Mechanik und des theoretischen Wissens sowie die Aufmerksamkeit für die Kultivierung der praktischen Fähigkeiten der Studierenden zeigen. Mit dem rasanten Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technologie haben Nanowissenschaften und -technologie einen enormen Einfluss auf das menschliche Leben und die Wirtschaft. Rita Colwell, die ehemalige Direktorin der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), erklärte 2002, dass die nanoskalige Technologie einen ähnlichen Einfluss haben würde wie die industrielle Revolution1 und stellte fest, dass die Nanotechnologie wirklich ein Portal zu einer neuen Weltist 2. Die mechanischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala sind einer der grundlegendsten und notwendigsten Faktoren für die Entwicklung von High-Tech-Anwendungen, wie z. B. Nanobauelementen 3,4,5. Das mechanische Verhalten von Materialien auf der Nanoskala und die strukturelle Entwicklung unter Belastung sind zu wichtigen Themen in der aktuellen nanomechanischen Forschung geworden.
In den letzten Jahren haben die Entwicklung und Verbesserung der Nanoindentationstechnologie, der Elektronenmikroskopie, der Rastersondenmikroskopie usw. dazu geführt, dass “In-situ-Mechanik“-Experimente zu einer fortschrittlichen Testtechnik geworden sind, die für die Nanomechanik-Forschung wichtig ist 6,7. Offensichtlich ist es aus der Perspektive der Lehre und der wissenschaftlichen Forschung notwendig, experimentelle Grenztechniken in die traditionellen Lehrinhalte in Bezug auf mechanische Experimente einzuführen.
Experimente der mikroskopischen Mechanik unterscheiden sich jedoch signifikant von makroskopischen grundlegenden mechanischen Experimenten. Obwohl die entsprechenden Instrumente und Geräte in fast allen Hochschulen und Universitäten populär geworden sind, ist ihre Anzahl aufgrund des hohen Preises und der hohen Wartungskosten begrenzt. Kurzfristig ist es unmöglich, genügend Ausrüstung für den Offline-Unterricht zu kaufen. Selbst wenn finanzielle Ressourcen vorhanden sind, sind die Verwaltungs- und Wartungskosten von Offline-Experimenten zu hoch, da diese Art von Geräten hochpräzise Eigenschaften aufweist.
Auf der anderen Seite sind in situ mechanische Experimente wie die Rasterelektronenmikroskopie (REM) sehr umfangreich, mit hohen Betriebsanforderungen und einer extrem langen Versuchsdauer 8,9. Offline-Experimente erfordern, dass die Schüler über einen längeren Zeitraum hochkonzentriert sind, und eine Fehlbedienung kann das Instrument beschädigen. Selbst mit sehr erfahrenen Personen dauert ein erfolgreiches Experiment einige Tage, von der Vorbereitung qualifizierter Proben bis zum Laden der Proben für mechanische In-situ-Experimente. Daher ist die Effizienz des experimentellen Offline-Unterrichts äußerst gering.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann eine virtuelle Simulation verwendet werden. Die Entwicklung des Unterrichts in virtuellen Simulationsexperimenten kann den Kosten- und Mengenengpass von In-situ-Mechanik-Versuchsgeräten beheben und es den Schülern so ermöglichen, verschiedene fortschrittliche Geräte problemlos zu verwenden, ohne High-Tech-Instrumente zu beschädigen. Die Lehre von Simulationsexperimenten ermöglicht es den Studierenden zudem, jederzeit und überall über das Internet auf die virtuelle Simulationsexperimentplattform zuzugreifen. Selbst bei einigen kostengünstigen Instrumenten können die Schüler virtuelle Instrumente im Voraus für Training und Praxis verwenden, was die Unterrichtseffizienz verbessern kann.
Unter Berücksichtigung der Zugänglichkeit und Verfügbarkeit webbasierter Systeme10 stellen wir in dieser Arbeit ein webbasiertes virtuelles Simulationsexperimentiersystem vor, das eine Reihe von Experimenten im Zusammenhang mit grundlegenden Operationen in Mechanik und Materialien bereitstellen kann, wobei der Schwerpunkt auf dem In-situ-Mechanik-Experiment liegt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Einer der Vorteile virtueller Simulationsexperimente besteht darin, dass sie es den Benutzern ermöglichen, die Experimente durchzuführen, ohne befürchten zu müssen, das physische System zu beschädigen oder sich selbst Schaden zuzufügen11. Auf diese Weise können Benutzer beliebige Vorgänge ausführen, einschließlich richtiger oder falscher Vorgänge. Das System gibt dem Benutzer jedoch eine Warnmeldung, die in das interaktive Experiment integriert ist, um ihn bei einer falschen Operation z…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise durch die Grundlagenforschungsfonds für die Zentraluniversitäten im Rahmen des Grants 2042022kf1059 unterstützt; die Nature Science Foundation der Provinz Hubei im Rahmen des Zuschusses 2022CFB757; die China Postdoctoral Science Foundation im Rahmen des Stipendiums 2022TQ0244; die Finanzierung des Wuhan University Experiment Technology Project im Rahmen des Stipendiums WHU-2021-SYJS-11; die Lehr- und Forschungsprojekte der Provinzen an den Hochschulen und Universitäten der Provinz Hubei im Jahr 2021 im Rahmen von Grant 2021038; und das Provincial Laboratory Research Project in den Colleges und Universitäten der Provinz Hubei im Rahmen des Stipendiums HBSY2021-01.
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