역학의 가상 시뮬레이션 실험: 주사 전자 현미경을 기반으로 한 재료 변형 및 파손
Summary
이 작업은 시각화된 실험 프로세스를 제공하는 재료 변형 및 파손에 대한 3차원 가상 시뮬레이션 실험을 제시합니다. 일련의 실험을 통해 사용자는 장비에 익숙해지고 몰입형 대화형 학습 환경에서 작업을 배울 수 있습니다.
Abstract
이 작업은 재료 변형 및 파손을 감지하기 위한 일련의 포괄적인 가상 실험을 제시합니다. 금속 조직 절단기 및 고온 범용 크리프 시험기와 같은 기계 및 재료 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 장비는 웹 기반 시스템에 통합되어 몰입형 대화형 학습 환경에서 사용자에게 다양한 실험 서비스를 제공합니다. 이 작업의 프로토콜은 재료 준비, 시편 성형, 시편 특성화, 시편 로딩, 나노 압자 설치 및 SEM 현장 실험의 5개 하위 섹션으로 나뉘며, 이 프로토콜은 사용자에게 다양한 장비 및 해당 작업에 대한 인식과 실험실 인식 향상에 관한 기회를 제공하는 것을 목표로 합니다. 등, 가상 시뮬레이션 접근 방식을 사용합니다. 실험에 대한 명확한 지침을 제공하기 위해 시스템은 다음 단계에서 사용할 장비/시편을 강조 표시하고 장비로 이어지는 경로를 눈에 띄는 화살표로 표시합니다. 실습 실험을 최대한 모방하기 위해 3차원 실험실, 장비, 운영 및 실험 절차를 설계하고 개발했습니다. 또한 가상 시스템은 실험 중에 화학 물질을 사용하기 전에 대화식 연습 및 등록을 고려합니다. 잘못된 작업도 허용되어 사용자에게 경고 메시지가 표시됩니다. 이 시스템은 다양한 수준의 사용자에게 대화형 및 시각화된 실험을 제공할 수 있습니다.
Introduction
역학은 수학 역학과 이론 지식의 기초에 중점을 두고 학생들의 실무 능력 배양에 대한 관심에서 알 수 있듯이 공학의 기본 분야 중 하나입니다. 현대 과학 기술의 급속한 발전으로 나노 과학과 기술은 인간의 삶과 경제에 큰 영향을 미쳤습니다. 미국 국립과학재단(NSF)의 전 이사인 리타 콜웰(Rita Colwell)은 2002년에 나노스케일 기술이 산업혁명1과 같은 영향을 미칠 것이라고 선언했으며, 나노기술은 진정한 새로운 세계로 가는 관문이라고 언급했다2. 나노 스케일에서 재료의 기계적 특성은 나노 장치 3,4,5와 같은 하이테크 응용 프로그램의 개발에 가장 기본적이고 필요한 요소 중 하나입니다. 나노 스케일에서 재료의 기계적 거동과 응력 하에서의 구조적 진화는 현재의 나노 기계 연구에서 중요한 문제가되었습니다.
최근 몇 년 동안, 나노 인덴테이션 기술, 전자 현미경 기술, 주사 프로브 현미경 등의 개발 및 개선으로 인해 “현장 역학”실험은 나노 역학 연구 6,7에서 중요한 고급 테스트 기술로 만들어졌습니다. 분명히, 교수 및 과학 연구의 관점에서 볼 때, 기계 실험에 관한 전통적인 교육 내용에 프론티어 실험 기법을 도입 할 필요가 있습니다.
그러나 미시적 역학의 실험은 거시적 기초역학 실험과 크게 다릅니다. 한편으로는 관련 장비와 장비가 거의 모든 대학에서 대중화되었지만 높은 가격과 유지 보수 비용으로 인해 그 수가 제한되어 있습니다. 단기적으로는 오프라인 교육을 위한 충분한 장비를 구입하는 것이 불가능합니다. 재원이 있더라도 오프라인 실험의 관리 및 유지 보수 비용이 너무 높습니다., 이러한 유형의 장비는 고정밀 특성을 가지고 있기 때문에.
반면에, 주사 전자 현미경 (SEM)과 같은 현장 역학 실험은 매우 포괄적이며, 높은 작동 요구 사항과 매우 긴 실험 기간 8,9. 오프라인 실험은 학생들이 오랜 시간 동안 집중해야 하며 오작동은 기기를 손상시킬 수 있습니다. 매우 숙련된 인력이 있더라도 성공적인 실험을 위해서는 자격을 갖춘 시편을 준비하는 것부터 현장 역학 실험을 위한 시편을 로드하는 것까지 완료하는 데 며칠이 걸립니다. 따라서 오프라인 실험 교육의 효율성은 매우 낮습니다.
위의 문제를 해결하기 위해 가상 시뮬레이션을 활용할 수 있습니다. 가상 시뮬레이션 실험 교육의 개발은 현장 역학 실험 장비의 비용 및 수량 병목 현상을 해결할 수 있으므로 학생들은 첨단 장비를 손상시키지 않고 다양한 고급 장비를 쉽게 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션 실험 교육을 통해 학생들은 언제 어디서나 인터넷을 통해 가상 시뮬레이션 실험 플랫폼에 액세스할 수 있습니다. 일부 저가형 악기의 경우에도 학생들은 교육 및 실습을 위해 미리 가상 악기를 사용할 수 있으므로 교육 효율성이 향상될 수 있습니다.
웹 기반 시스템(10)의 접근성 및 가용성을 고려하여, 본 연구에서는 현장 역학 실험에 초점을 맞추고, 역학 및 재료의 기본 동작과 관련된 일련의 실험을 제공할 수 있는 웹 기반 가상 시뮬레이션 실험 시스템을 제시한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
가상 시뮬레이션 실험의 장점 중 하나는 사용자가 물리적 시스템을 손상시키거나 자신에게 해를 끼칠 염려 없이 실험을 수행할 수 있다는 것입니다(11). 따라서 사용자는 올바른 작업 또는 잘못된 작업을 포함하여 모든 작업을 수행할 수 있습니다. 그러나 시스템은 잘못된 작업이 수행될 때 실험을 올바르게 수행하도록 안내하기 위해 대화형 실험에 통합된 경고 메시지를 사용자…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 보조금 2042022kf1059에 따라 중앙 대학을 위한 기초 연구 기금에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 보조금 2022CFB757에 따른 후베이성 자연 과학 재단; 보조금 2022TQ0244에 따른 중국 박사후 과학 재단; 보조금 WHU-2021-SYJS-11에 따른 우한 대학 실험 기술 프로젝트 자금 지원; 보조금 2021038에 따라 2021년 후베이성 대학의 지방 교육 및 연구 프로젝트; 그리고 보조금 HBSY2021-01에 따라 후베이성 대학의 지방 실험실 연구 프로젝트.
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