Et virtuelt simuleringseksperiment av mekanikk: materialdeformasjon og svikt basert på skanning elektronmikroskopi
Summary
Dette arbeidet presenterer et tredimensjonalt virtuelt simuleringseksperiment for materialdeformasjon og svikt som gir visualiserte eksperimentelle prosesser. Gjennom et sett med eksperimenter kan brukerne bli kjent med utstyret og lære operasjonene i et oppslukende og interaktivt læringsmiljø.
Abstract
Dette arbeidet presenterer et sett med omfattende virtuelle eksperimenter for å oppdage materialdeformasjon og feil. De mest brukte utstyrsdelene i mekanikk og materialdisipliner, for eksempel en metallografisk skjæremaskin og en høytemperatur universell krypetestmaskin, er integrert i et nettbasert system for å gi ulike eksperimentelle tjenester til brukere i et nedsenkende og interaktivt læringsmiljø. Protokollen i dette arbeidet er delt inn i fem underavsnitt, nemlig utarbeidelse av materialene, støping av prøven, prøvekarakterisering, prøvebelastning, nanoindenterinstallasjon og SEM in situ-eksperimenter , og denne protokollen tar sikte på å gi en mulighet for brukere angående anerkjennelse av forskjellig utstyr og tilhørende operasjoner, samt forbedring av laboratoriebevissthet, etc., ved hjelp av en virtuell simuleringstilnærming. For å gi klar veiledning for eksperimentet, fremhever systemet utstyret / prøven som skal brukes i neste trinn og markerer banen som fører til utstyret med en iøynefallende pil. For å etterligne det praktiske eksperimentet så nært som mulig, designet og utviklet vi et tredimensjonalt laboratorierom, utstyr, operasjoner og eksperimentelle prosedyrer. Videre vurderer det virtuelle systemet også interaktive øvelser og registrering før bruk av kjemikalier under forsøket. Feil operasjoner er også tillatt, noe som resulterer i en advarsel som informerer brukeren. Systemet kan gi interaktive og visualiserte eksperimenter til brukere på forskjellige nivåer.
Introduction
Mekanikk er en av de grunnleggende disipliner i ingeniørfag, som vist ved vekt på grunnlaget for matematisk mekanikk og teoretisk kunnskap og oppmerksomhet gitt til dyrking av elevenes praktiske evner. Med den raske utviklingen av moderne vitenskap og teknologi har nanovitenskap og teknologi hatt stor innvirkning på menneskeliv og økonomi. Rita Colwell, tidligere direktør for US National Science Foundation (NSF), erklærte i 2002 at nanoskala teknologi ville ha en innvirkning lik den industrielle revolusjonen1 og bemerket at nanoteknologi er virkelig en portal til en ny verden2. De mekaniske egenskapene til materialer på nanoskala er en av de mest grunnleggende og nødvendige faktorene for utvikling av høyteknologiske applikasjoner, for eksempel nano-enheter 3,4,5. Den mekaniske oppførselen til materialer på nanoskala og den strukturelle utviklingen under stress har blitt viktige problemer i dagens nanomekaniske forskning.
I de senere år har utvikling og forbedring av nanoindentasjonsteknologi, elektronmikroskopiteknologi, skanningsprobemikroskopi, etc., gjort “in situ mekanikk” eksperimenter en avansert testteknikk viktig i nanomekanikkforskning 6,7. Åpenbart, fra perspektivet til undervisning og vitenskapelig forskning, er det nødvendig å introdusere grenseeksperimentelle teknikker i det tradisjonelle undervisningsinnholdet om mekaniske eksperimenter.
Imidlertid er eksperimenter av mikroskopisk mekanikk vesentlig forskjellig fra makroskopiske grunnleggende mekanikkeksperimenter. På den ene siden, selv om de relevante instrumentene og utstyret har blitt popularisert på nesten alle høyskoler og universiteter, er antallet begrenset på grunn av høye priser og vedlikeholdskostnader. På kort sikt er det umulig å kjøpe nok utstyr til offline undervisning. Selv om det er økonomiske ressurser, er administrasjons- og vedlikeholdskostnadene for offline eksperimenter for høye, siden denne typen utstyr har høye presisjonsegenskaper.
På den annen side er in situ mekanikkeksperimenter som skanning elektronmikroskopi (SEM) svært omfattende, med høye operasjonelle krav og en ekstremt lang eksperimentell periode 8,9. Offline-eksperimenter krever at elevene er svært fokuserte i lang tid, og feiloperasjon kan skade instrumentet. Selv med svært dyktige individer krever et vellykket eksperiment noen dager å fullføre, fra å forberede kvalifiserte prøver til lasting av prøvene for in situ mekanikkeksperimenter. Derfor er effektiviteten av offline eksperimentell undervisning ekstremt lav.
For å løse de ovennevnte problemene kan virtuell simulering benyttes. Utviklingen av virtuell simuleringseksperimentundervisning kan adressere kostnadene og mengden flaskehals for in situ mekanikk eksperimentelt utstyr, og dermed tillate elevene å enkelt bruke ulike avanserte utstyr uten å skade høyteknologiske instrumenter. Simuleringseksperimentundervisning gjør det også mulig for studenter å få tilgang til den virtuelle simuleringseksperimentplattformen via internett når som helst og hvor som helst. Selv for noen rimelige instrumenter kan studentene bruke virtuelle instrumenter på forhånd for opplæring og praksis, noe som kan forbedre undervisningseffektiviteten.
Med tanke på tilgjengeligheten og tilgjengeligheten til nettbaserte systemer10, presenterer vi i dette arbeidet et nettbasert virtuelt simuleringseksperimentsystem som kan gi et sett med eksperimenter relatert til grunnleggende operasjoner i mekanikk og materialer, med fokus på in situ mekanikkeksperimentet.
Protocol
Representative Results
Discussion
En av fordelene med virtuelle simuleringseksperimenter er at de tillater brukere å utføre eksperimentene uten bekymringer om å skade det fysiske systemet eller forårsake skade på seg selv11. Dermed kan brukere utføre alle operasjoner, inkludert enten riktige eller gale operasjoner. Systemet gir imidlertid brukeren en advarsel som er integrert i det interaktive eksperimentet for å veilede dem til å utføre eksperimentene riktig når en feil operasjon utføres. På denne måten kan brukerne …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble delvis støttet av Basic Research Funds for the Central Universities under Grant 2042022kf1059; Nature Science Foundation i Hubei-provinsen under Grant 2022CFB757; China Postdoctoral Science Foundation under Grant 2022TQ0244; Wuhan University Experiment Technology Project Funding under Grant WHU-2021-SYJS-11; de provinsielle undervisnings- og forskningsprosjektene i Hubei-provinsens høyskoler og universiteter i 2021 under Grant 2021038; og Provincial Laboratory Research Project i Hubei-provinsens høyskoler og universiteter under Grant HBSY2021-01.
Referências
- 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).
