Виртуальный имитационный эксперимент по механике: деформация и разрушение материала на основе сканирующей электронной микроскопии
Summary
В этой работе представлен трехмерный виртуальный имитационный эксперимент по деформации и разрушению материала, который обеспечивает визуализированные экспериментальные процессы. С помощью ряда экспериментов пользователи могут ознакомиться с оборудованием и изучить операции в иммерсивной и интерактивной учебной среде.
Abstract
В данной работе представлен комплекс комплексных виртуальных экспериментов по обнаружению деформации и разрушения материала. Наиболее часто используемые единицы оборудования в механике и материаловедении, такие как металлографический режущий станок и высокотемпературная универсальная машина для испытания на ползучесть, интегрированы в веб-систему для предоставления различных экспериментальных услуг пользователям в иммерсивной и интерактивной учебной среде. Протокол в этой работе разделен на пять подразделов, а именно: подготовка материалов, формование образца, характеристика образца, загрузка образца, установка наноиндентора и эксперименты SEM in situ , и этот протокол направлен на предоставление пользователям возможности в отношении распознавания различного оборудования и соответствующих операций, а также повышение осведомленности лаборатории, и т. д., используя подход виртуального моделирования. Чтобы обеспечить четкое руководство для эксперимента, система выделяет оборудование/образец, который будет использоваться на следующем этапе, и отмечает путь, ведущий к оборудованию, заметной стрелкой. Чтобы максимально точно имитировать практический эксперимент, мы спроектировали и разработали трехмерную лабораторную комнату, оборудование, операции и экспериментальные процедуры. Кроме того, виртуальная система также учитывает интерактивные упражнения и регистрацию перед использованием химических веществ во время эксперимента. Также допускаются некорректные операции, что приводит к появлению предупреждающего сообщения, информирующего пользователя. Система может предоставлять интерактивные и визуализированные эксперименты пользователям на разных уровнях.
Introduction
Механика является одной из основных дисциплин в технике, о чем свидетельствует акцент, сделанный на основе математической механики и теоретических знаний, а также внимание, уделяемое развитию практических способностей студентов. С быстрым развитием современной науки и техники нанонаука и технологии оказали огромное влияние на жизнь человека и экономику. Рита Колвелл, бывший директор Национального научного фонда США (NSF), заявила в 2002 году, что наноразмерные технологии окажут влияние, равное промышленной революции1, и отметила, что нанотехнологии действительно являются порталом в новый мир2. Механические свойства материалов на наноуровне являются одним из наиболее фундаментальных и необходимых факторов для развития высокотехнологичных приложений, таких как наноустройства 3,4,5. Механическое поведение материалов на наноуровне и структурная эволюция под напряжением стали важными вопросами в современных наномеханических исследованиях.
В последние годы развитие и совершенствование технологии наноиндентирования, технологии электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и т. д. сделали эксперименты по «механике in situ» передовым методом тестирования, важным в исследованиях наномеханики 6,7. Очевидно, что с точки зрения преподавания и научных исследований необходимо ввести передовые экспериментальные методы в традиционное содержание обучения механическим экспериментам.
Однако эксперименты по микроскопической механике существенно отличаются от экспериментов по макроскопической базовой механике. С одной стороны, хотя соответствующие инструменты и оборудование популяризированы практически во всех колледжах и университетах, их количество ограничено из-за высокой цены и стоимости обслуживания. В ближайшей перспективе невозможно закупить достаточное количество оборудования для офлайн-обучения. Даже при наличии финансовых ресурсов затраты на управление и обслуживание оффлайн-экспериментов слишком высоки, так как данный вид оборудования обладает высокоточными характеристиками.
С другой стороны, эксперименты по механике in situ, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), являются очень всеобъемлющими, с высокими эксплуатационными требованиями и чрезвычайно длительным периодом эксперимента 8,9. Автономные эксперименты требуют от учащихся высокой концентрации в течение длительного времени, а неправильная работа может повредить инструмент. Даже с очень квалифицированными людьми для успешного эксперимента требуется несколько дней, от подготовки квалифицированных образцов до загрузки образцов для механических экспериментов на месте. Поэтому эффективность автономного экспериментального обучения крайне низка.
Для решения вышеуказанных проблем можно использовать виртуальное моделирование. Развитие обучения виртуальным симуляционным экспериментам может решить проблему стоимости и количества экспериментального оборудования для механики in situ и, таким образом, позволить учащимся легко использовать различные передовые элементы оборудования, не повреждая высокотехнологичные инструменты. Преподавание симуляционных экспериментов также позволяет учащимся получить доступ к виртуальной платформе симуляционного эксперимента через Интернет в любое время и в любом месте. Даже для некоторых недорогих инструментов студенты могут заранее использовать виртуальные инструменты для обучения и практики, что может повысить эффективность обучения.
Учитывая доступность и доступность веб-систем10, в этой работе мы представляем веб-систему виртуальных имитационных экспериментов, которая может обеспечить набор экспериментов, связанных с фундаментальными операциями в механике и материалах, с акцентом на эксперимент по механике in situ .
Protocol
Representative Results
Discussion
Одним из преимуществ экспериментов по виртуальному моделированию является то, что они позволяют пользователям проводить эксперименты, не беспокоясь о повреждении физической системы или причинении какого-либо вреда себе11. Таким образом, пользователи могут проводить любы…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа выполнена при частичной поддержке Фондов фундаментальных исследований центральных университетов в рамках гранта 2042022kf1059; Фонд естественных наук провинции Хубэй в рамках гранта 2022CFB757; Китайский фонд постдокторантуры в рамках гранта 2022TQ0244; финансирование проекта экспериментальных технологий Уханьского университета в рамках гранта WHU-2021-SYJS-11; провинциальные учебные и исследовательские проекты в колледжах и университетах провинции Хубэй в 2021 году в рамках гранта 2021038; и Провинциальный лабораторный исследовательский проект в колледжах и университетах провинции Хубэй в рамках гранта 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).
