Une expérience de simulation virtuelle de la mécanique: déformation et défaillance des matériaux basée sur la microscopie électronique à balayage
Summary
Ce travail présente une expérience de simulation virtuelle tridimensionnelle pour la déformation et la défaillance des matériaux qui fournit des processus expérimentaux visualisés. Grâce à un ensemble d’expériences, les utilisateurs peuvent se familiariser avec l’équipement et apprendre les opérations dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif.
Abstract
Ce travail présente un ensemble d’expériences virtuelles complètes pour détecter la déformation et la défaillance des matériaux. Les équipements les plus couramment utilisés dans les disciplines mécaniques et matérielles, tels qu’une machine de découpe métallographique et une machine d’essai de fluage universelle à haute température, sont intégrés dans un système basé sur le Web pour fournir différents services expérimentaux aux utilisateurs dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif. Le protocole de ce travail est divisé en cinq sous-sections, à savoir, la préparation des matériaux, le moulage de l’échantillon, la caractérisation de l’échantillon, le chargement des échantillons, l’installation de nanopénétrateurs et les expériences SEM in situ , et ce protocole vise à fournir une opportunité aux utilisateurs concernant la reconnaissance des différents équipements et les opérations correspondantes, ainsi que l’amélioration de la sensibilisation des laboratoires, etc., en utilisant une approche de simulation virtuelle. Pour fournir une orientation claire pour l’expérience, le système met en évidence l’équipement / spécimen à utiliser à l’étape suivante et marque la voie qui mène à l’équipement avec une flèche bien visible. Pour imiter au mieux l’expérience pratique, nous avons conçu et développé une salle de laboratoire tridimensionnelle, de l’équipement, des opérations et des procédures expérimentales. En outre, le système virtuel envisage également des exercices interactifs et l’enregistrement avant d’utiliser des produits chimiques pendant l’expérience. Les opérations incorrectes sont également autorisées, ce qui entraîne un message d’avertissement informant l’utilisateur. Le système peut fournir des expériences interactives et visualisées aux utilisateurs à différents niveaux.
Introduction
La mécanique est l’une des disciplines de base de l’ingénierie, comme le montre l’accent mis sur le fondement de la mécanique mathématique et des connaissances théoriques et l’attention accordée à la culture des capacités pratiques des étudiants. Avec les progrès rapides de la science et de la technologie modernes, les nanosciences et la technologie ont eu un impact énorme sur la vie humaine et l’économie. Rita Colwell, ancienne directrice de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, a déclaré en 2002 que la technologie à l’échelle nanométrique aurait un impact égal à celui de la révolution industrielle1 et a noté que la nanotechnologie est véritablement un portail vers un nouveau monde2. Les propriétés mécaniques des matériaux à l’échelle nanométrique sont l’un des facteurs les plus fondamentaux et nécessaires au développement d’applications de haute technologie, telles que les nano-dispositifs 3,4,5. Le comportement mécanique des matériaux à l’échelle nanométrique et l’évolution structurelle sous contrainte sont devenus des questions importantes dans la recherche nanomécanique actuelle.
Au cours des dernières années, le développement et l’amélioration de la technologie de nanoindentation, de la technologie de microscopie électronique, de la microscopie à sonde à balayage, etc., ont fait des expériences de « mécanique in situ » une technique de test avancée importante dans la recherche en nanomécanique 6,7. De toute évidence, du point de vue de l’enseignement et de la recherche scientifique, il est nécessaire d’introduire des techniques expérimentales de pointe dans le contenu pédagogique traditionnel concernant les expériences mécaniques.
Cependant, les expériences de mécanique microscopique sont significativement différentes des expériences de mécanique de base macroscopique. D’une part, bien que les instruments et équipements pertinents aient été popularisés dans presque tous les collèges et universités, leur nombre est limité en raison du prix élevé et du coût d’entretien. À court terme, il est impossible d’acheter suffisamment d’équipement pour l’enseignement hors ligne. Même s’il existe des ressources financières, les coûts de gestion et de maintenance des expériences hors ligne sont trop élevés, car ce type d’équipement présente des caractéristiques de haute précision.
D’autre part, les expériences de mécanique in situ telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) sont très complètes, avec des exigences opérationnelles élevées et une période expérimentale extrêmement longue 8,9. Les expériences hors ligne exigent que les élèves soient très concentrés pendant une longue période, et un mauvais fonctionnement peut endommager l’instrument. Même avec des personnes très qualifiées, une expérience réussie nécessite quelques jours, de la préparation des spécimens qualifiés au chargement des spécimens pour les expériences de mécanique in situ. Par conséquent, l’efficacité de l’enseignement expérimental hors ligne est extrêmement faible.
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la simulation virtuelle peut être utilisée. Le développement de l’enseignement de l’expérience de simulation virtuelle peut résoudre le goulot d’étranglement des coûts et des quantités de l’équipement expérimental de mécanique in situ et, ainsi, permettre aux étudiants d’utiliser facilement diverses pièces d’équipement avancées sans endommager les instruments de haute technologie. L’enseignement de l’expérience de simulation permet également aux étudiants d’accéder à la plate-forme d’expérience de simulation virtuelle via Internet à tout moment et n’importe où. Même pour certains instruments à faible coût, les étudiants peuvent utiliser des instruments virtuels à l’avance pour la formation et la pratique, ce qui peut améliorer l’efficacité de l’enseignement.
Compte tenu de l’accessibilité et de la disponibilité des systèmes basés sur le Web10, dans ce travail, nous présentons un système d’expérimentation de simulation virtuelle basé sur le Web qui peut fournir un ensemble d’expériences liées aux opérations fondamentales en mécanique et en matériaux, en mettant l’accent sur l’expérience de mécanique in situ .
Protocol
Representative Results
Discussion
L’un des avantages des expériences de simulation virtuelle est qu’elles permettent aux utilisateurs de mener les expériences sans craindre d’endommager le système physique ou de se blessereux-mêmes 11. Ainsi, les utilisateurs peuvent effectuer toutes les opérations, y compris les opérations correctes ou incorrectes. Cependant, le système envoie à l’utilisateur un message d’avertissement intégré à l’expérience interactive pour le guider dans la conduite correcte des expérie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu en partie par les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales sous la subvention 2042022kf1059; la Fondation des sciences de la nature de la province du Hubei dans le cadre de la subvention 2022CFB757; la Fondation chinoise pour les sciences postdoctorales dans le cadre de la subvention 2022TQ0244; le financement du projet de technologie expérimentale de l’Université de Wuhan dans le cadre de la subvention WHU-2021-SYJS-11; les projets provinciaux d’enseignement et de recherche dans les collèges et universités de la province du Hubei en 2021 dans le cadre de la subvention 2021038; et le projet provincial de recherche en laboratoire dans les collèges et universités de la province du Hubei dans le cadre de la subvention 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).
