Um Experimento Virtual de Simulação de Mecânica: Deformação e Falha de Material Baseado em Microscopia Eletrônica de Varredura
Summary
Este trabalho apresenta um experimento de simulação virtual tridimensional para deformação e falha de materiais que fornece processos experimentais visualizados. Através de um conjunto de experimentos, os usuários podem se familiarizar com o equipamento e aprender as operações em um ambiente de aprendizagem imersivo e interativo.
Abstract
Este trabalho apresenta um conjunto de experimentos virtuais abrangentes para detectar deformação e falha de materiais. Os equipamentos mais comumente usados em mecânica e disciplinas de materiais, como uma máquina de corte metalográfico e uma máquina universal de teste de fluência de alta temperatura, são integrados em um sistema baseado na web para fornecer diferentes serviços experimentais aos usuários em um ambiente de aprendizado imersivo e interativo. O protocolo neste trabalho está dividido em cinco subseções, a saber, a preparação dos materiais, moldagem do corpo de prova, caracterização do corpo de prova, carregamento do corpo de prova, instalação de nanoindenter e experimentos in situ de MEV, e este protocolo visa proporcionar uma oportunidade para os usuários quanto ao reconhecimento de diferentes equipamentos e as operações correspondentes, bem como o aumento da conscientização laboratorial, etc., utilizando uma abordagem de simulação virtual. Para fornecer uma orientação clara para o experimento, o sistema destaca o equipamento/amostra a ser usado na próxima etapa e marca o caminho que leva ao equipamento com uma seta conspícua. Para imitar o experimento prático o mais próximo possível, projetamos e desenvolvemos uma sala de laboratório tridimensional, equipamentos, operações e procedimentos experimentais. Além disso, o sistema virtual também considera exercícios interativos e registro antes do uso de produtos químicos durante o experimento. Operações incorretas também são permitidas, resultando em uma mensagem de aviso informando o usuário. O sistema pode fornecer experimentos interativos e visualizados para usuários em diferentes níveis.
Introduction
A mecânica é uma das disciplinas básicas da engenharia, como mostra a ênfase dada à fundamentação da mecânica matemática e do conhecimento teórico e a atenção dada ao cultivo das habilidades práticas dos alunos. Com o rápido avanço da ciência e tecnologia modernas, a nanociência e a tecnologia tiveram um enorme impacto na vida humana e na economia. Rita Colwell, ex-diretora da National Science Foundation (NSF) dos EUA, declarou em 2002 que a tecnologia em nanoescala teria um impacto igual ao da Revolução Industrial1 e observou que a nanotecnologia é realmente um portal para um novo mundo2. As propriedades mecânicas dos materiais em nanoescala são um dos fatores mais fundamentais e necessários para o desenvolvimento de aplicações de alta tecnologia, como os nanodispositivos 3,4,5. O comportamento mecânico de materiais na escala nanométrica e a evolução estrutural sob estresse tornaram-se questões importantes na pesquisa nanomecânica atual.
Nos últimos anos, o desenvolvimento e o aprimoramento da tecnologia de nanoindentação, da tecnologia de microscopia eletrônica, da microscopia de varredura por sonda, etc., tornaram os experimentos de “mecânica in situ” uma técnica avançada de testes importante na pesquisa em nanomecânica 6,7. Obviamente, do ponto de vista do ensino e da pesquisa científica, é necessário introduzir técnicas experimentais de fronteira no conteúdo tradicional de ensino de experimentos mecânicos.
No entanto, experimentos de mecânica microscópica são significativamente diferentes de experimentos de mecânica básica macroscópica. Por um lado, embora os instrumentos e equipamentos relevantes tenham sido popularizados em quase todas as faculdades e universidades, seu número é limitado devido ao alto preço e custo de manutenção. A curto prazo, é impossível comprar equipamentos suficientes para o ensino offline. Mesmo que haja recursos financeiros, os custos de gerenciamento e manutenção de experimentos off-line são muito altos, já que esse tipo de equipamento tem características de alta precisão.
Por outro lado, experimentos de mecânica in situ, como a microscopia eletrônica de varredura (MEV), são bastante abrangentes, com alta exigência operacional e período experimental extremamentelongo8,9. Experimentos off-line exigem que os alunos estejam altamente focados por um longo tempo, e o mau funcionamento pode danificar o instrumento. Mesmo com indivíduos muito habilidosos, um experimento bem-sucedido requer alguns dias para ser concluído, desde a preparação de espécimes qualificados até o carregamento dos espécimes para experimentos de mecânica in situ. Portanto, a eficiência do ensino experimental offline é extremamente baixa.
Para resolver as questões acima, a simulação virtual pode ser utilizada. O desenvolvimento do ensino de experimentos de simulação virtual pode resolver o gargalo de custo e quantidade de equipamentos experimentais de mecânica in situ e, assim, permitir que os alunos usem facilmente vários equipamentos avançados sem danificar instrumentos de alta tecnologia. O ensino de experimentos de simulação também permite que os alunos acessem a plataforma de experimentos de simulação virtual via internet a qualquer hora e em qualquer lugar. Mesmo para alguns instrumentos de baixo custo, os alunos podem usar instrumentos virtuais antecipadamente para treinamento e prática, o que pode melhorar a eficiência do ensino.
Considerando a acessibilidade e disponibilidade de sistemas baseados naweb10, neste trabalho, apresentamos um sistema de experimentação de simulação virtual baseado na web que pode fornecer um conjunto de experimentos relacionados a operações fundamentais em mecânica e materiais, com foco no experimento de mecânica in situ .
Protocol
Representative Results
Discussion
Uma das vantagens dos experimentos de simulação virtual é que eles permitem que os usuários conduzam os experimentos sem preocupações em danificar o sistema físico ou causar qualquer dano a si mesmos11. Assim, os usuários podem realizar quaisquer operações, incluindo operações corretas ou erradas. No entanto, o sistema dá ao usuário uma mensagem de aviso que é integrada ao experimento interativo para orientá-lo a conduzir os experimentos corretamente quando uma operação errada é…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi parcialmente apoiado pelos Fundos de Pesquisa Fundamental para as Universidades Centrais sob o Grant 2042022kf1059; a Fundação de Ciências da Natureza da Província de Hubei sob o Grant 2022CFB757; a Fundação de Ciência de Pós-doutorado da China sob Grant 2022TQ0244; o Financiamento do Projeto de Tecnologia de Experimentos da Universidade de Wuhan sob Grant WHU-2021-SYJS-11; os Projetos Provinciais de Ensino e Pesquisa nas Faculdades e Universidades da Província de Hubei em 2021 sob Grant 2021038; e o Projeto de Pesquisa de Laboratório Provincial nas Faculdades e Universidades da Província de Hubei sob o 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).
