Een virtueel simulatie-experiment van mechanica: materiaalvervorming en falen op basis van scanning elektronenmicroscopie
Summary
Dit werk presenteert een driedimensionaal virtueel simulatie-experiment voor materiaalvervorming en -falen dat gevisualiseerde experimentele processen biedt. Door middel van een reeks experimenten kunnen gebruikers vertrouwd raken met de apparatuur en de bewerkingen leren in een meeslepende en interactieve leeromgeving.
Abstract
Dit werk presenteert een reeks uitgebreide virtuele experimenten om materiaalvervorming en -falen te detecteren. De meest gebruikte apparatuur in de mechanica en materiaaldisciplines, zoals een metallografische snijmachine en een universele kruiptestmachine op hoge temperatuur, zijn geïntegreerd in een webgebaseerd systeem om verschillende experimentele diensten aan gebruikers te bieden in een meeslepende en interactieve leeromgeving. Het protocol in dit werk is verdeeld in vijf subsecties, namelijk de voorbereiding van de materialen, het vormen van het monster, monsterkarakterisering, monsterbelasting, nano-indenterinstallatie en SEM in situ-experimenten , en dit protocol heeft tot doel gebruikers de mogelijkheid te bieden met betrekking tot de herkenning van verschillende apparatuur en de bijbehorende bewerkingen, evenals de verbetering van het laboratoriumbewustzijn, enz., met behulp van een virtuele simulatiebenadering. Om duidelijke richtlijnen voor het experiment te bieden, markeert het systeem de apparatuur / het monster dat in de volgende stap moet worden gebruikt en markeert het pad dat naar de apparatuur leidt met een opvallende pijl. Om het hands-on experiment zo goed mogelijk na te bootsen, hebben we een driedimensionale laboratoriumruimte, apparatuur, operaties en experimentele procedures ontworpen en ontwikkeld. Bovendien houdt het virtuele systeem ook rekening met interactieve oefeningen en registratie voordat chemicaliën tijdens het experiment worden gebruikt. Onjuiste bewerkingen zijn ook toegestaan, wat resulteert in een waarschuwingsbericht dat de gebruiker informeert. Het systeem kan interactieve en gevisualiseerde experimenten bieden aan gebruikers op verschillende niveaus.
Introduction
Mechanica is een van de basisdisciplines in de techniek, zoals blijkt uit de nadruk die wordt gelegd op de basis van wiskundige mechanica en theoretische kennis en de aandacht die wordt besteed aan het cultiveren van de praktische vaardigheden van studenten. Met de snelle vooruitgang van de moderne wetenschap en technologie hebben nanowetenschap en -technologie een enorme impact gehad op het menselijk leven en de economie. Rita Colwell, de voormalige directeur van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), verklaarde in 2002 dat nanoschaaltechnologie een impact zou hebben die gelijk is aan de industriële revolutie1 en merkte op dat nanotechnologie echt een portaal is naar een nieuwe wereld2. De mechanische eigenschappen van materialen op nanoschaal zijn een van de meest fundamentele en noodzakelijke factoren voor de ontwikkeling van hightechtoepassingen, zoals nano-apparaten 3,4,5. Het mechanische gedrag van materialen op nanoschaal en de structurele evolutie onder stress zijn belangrijke kwesties geworden in het huidige nanomechanische onderzoek.
In de afgelopen jaren hebben de ontwikkeling en verbetering van nano-indentatietechnologie, elektronenmicroscopietechnologie, scanning probe microscopie, enz., “in situ mechanica” experimenten tot een geavanceerde testtechniek gemaakt die belangrijk is in nanomechanica-onderzoek 6,7. Het is duidelijk dat het vanuit het perspectief van onderwijs en wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk is om grensverleggende experimentele technieken te introduceren in de traditionele onderwijsinhoud met betrekking tot mechanische experimenten.
Experimenten met microscopische mechanica verschillen echter aanzienlijk van macroscopische basismechanica-experimenten. Aan de ene kant, hoewel de relevante instrumenten en apparatuur populair zijn geworden in bijna alle hogescholen en universiteiten, is hun aantal beperkt vanwege de hoge prijs en onderhoudskosten. Op korte termijn is het onmogelijk om voldoende apparatuur aan te schaffen voor offline lesgeven. Zelfs als er financiële middelen zijn, zijn de beheer- en onderhoudskosten van offline experimenten te hoog, omdat dit type apparatuur zeer nauwkeurige kenmerken heeft.
Aan de andere kant zijn in situ mechanische experimenten zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM) zeer uitgebreid, met hoge operationele vereisten en een extreem lange experimentele periode 8,9. Offline experimenten vereisen dat studenten lange tijd zeer gefocust zijn en verkeerde werking kan het instrument beschadigen. Zelfs met zeer bekwame individuen vereist een succesvol experiment een paar dagen om te voltooien, van het voorbereiden van gekwalificeerde exemplaren tot het laden van de monsters voor in situ mechanische experimenten. Daarom is de efficiëntie van offline experimenteel onderwijs extreem laag.
Om de bovenstaande problemen aan te pakken, kan virtuele simulatie worden gebruikt. De ontwikkeling van virtueel simulatie-experimentonderwijs kan de kosten- en kwantiteitsknelpunten van in situ mechanica experimentele apparatuur aanpakken en zo studenten in staat stellen om gemakkelijk verschillende geavanceerde apparaten te gebruiken zonder hightech-instrumenten te beschadigen. Simulatie-experimentonderwijs stelt studenten ook in staat om altijd en overal toegang te krijgen tot het virtuele simulatie-experimentplatform via internet. Zelfs voor sommige goedkope instrumenten kunnen studenten van tevoren virtuele instrumenten gebruiken voor training en oefening, wat de efficiëntie van het lesgeven kan verbeteren.
Gezien de toegankelijkheid en beschikbaarheid van webgebaseerde systemen10, presenteren we in dit werk een webgebaseerd virtueel simulatie-experimenteersysteem dat een reeks experimenten kan bieden met betrekking tot fundamentele bewerkingen in mechanica en materialen, met een focus op het in situ mechanica-experiment.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de voordelen van virtuele simulatie-experimenten is dat ze gebruikers in staat stellen om de experimenten uit te voeren zonder zich zorgen te maken over het beschadigen van het fysieke systeem of het veroorzaken van schade aan zichzelf11. Gebruikers kunnen dus alle bewerkingen uitvoeren, inclusief correcte of verkeerde bewerkingen. Het systeem geeft de gebruiker echter een waarschuwingsbericht dat is geïntegreerd in het interactieve experiment om hen te begeleiden bij het correct uitvoere…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd mede mogelijk gemaakt door de Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant 2042022kf1059; de Nature Science Foundation van de provincie Hubei onder Grant 2022CFB757; de China Postdoctoral Science Foundation onder Grant 2022TQ0244; de Wuhan University Experiment Technology Project Funding onder Grant WHU-2021-SYJS-11; de provinciale onderwijs- en onderzoeksprojecten in de hogescholen en universiteiten van de provincie Hubei in 2021 onder Grant 2021038; en het provinciale laboratoriumonderzoeksproject in de hogescholen en universiteiten van de provincie Hubei onder subsidie 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).
