Un experimento virtual de simulación de mecánica: deformación y falla de material basado en microscopía electrónica de barrido
Summary
Este trabajo presenta un experimento de simulación virtual tridimensional para la deformación y falla del material que proporciona procesos experimentales visualizados. A través de un conjunto de experimentos, los usuarios pueden familiarizarse con el equipo y aprender las operaciones en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo.
Abstract
Este trabajo presenta un conjunto de experimentos virtuales integrales para detectar la deformación y falla del material. Los equipos más utilizados en las disciplinas de mecánica y materiales, como una máquina de corte metalográfico y una máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura, están integrados en un sistema basado en la web para proporcionar diferentes servicios experimentales a los usuarios en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo. El protocolo en este trabajo se divide en cinco subsecciones, a saber, la preparación de los materiales, el moldeo de la muestra, la caracterización de la muestra, la carga de muestras, la instalación de nanoindentadores y los experimentos SEM in situ , y este protocolo tiene como objetivo brindar una oportunidad a los usuarios con respecto al reconocimiento de diferentes equipos y las operaciones correspondientes, así como la mejora de la conciencia del laboratorio, etc., utilizando un enfoque de simulación virtual. Para proporcionar una guía clara para el experimento, el sistema resalta el equipo / muestra que se utilizará en el siguiente paso y marca el camino que conduce al equipo con una flecha visible. Para imitar el experimento práctico lo más cerca posible, diseñamos y desarrollamos una sala de laboratorio tridimensional, equipos, operaciones y procedimientos experimentales. Además, el sistema virtual también considera ejercicios interactivos y registro antes de usar productos químicos durante el experimento. También se permiten operaciones incorrectas, lo que resulta en un mensaje de advertencia que informa al usuario. El sistema puede proporcionar experimentos interactivos y visualizados a los usuarios en diferentes niveles.
Introduction
La mecánica es una de las disciplinas básicas en ingeniería, como lo demuestra el énfasis puesto en la base de la mecánica matemática y el conocimiento teórico y la atención prestada al cultivo de las habilidades prácticas de los estudiantes. Con el rápido avance de la ciencia y la tecnología modernas, la nanociencia y la tecnología han tenido un gran impacto en la vida humana y la economía. Rita Colwell, ex directora de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF), declaró en 2002 que la tecnología a nanoescala tendría un impacto igual al de la Revolución Industrial1 y señaló que la nanotecnología es verdaderamente un portal hacia un nuevo mundo2. Las propiedades mecánicas de los materiales a nanoescala son uno de los factores más fundamentales y necesarios para el desarrollo de aplicaciones de alta tecnología, como los nanodispositivos 3,4,5. El comportamiento mecánico de los materiales a nanoescala y la evolución estructural bajo estrés se han convertido en temas importantes en la investigación nanomecánica actual.
En los últimos años, el desarrollo y la mejora de la tecnología de nanoindentación, la tecnología de microscopía electrónica, la microscopía de sonda de barrido, etc., han hecho de los experimentos de “mecánica in situ” una técnica de prueba avanzada importante en la investigación en nanomecánica 6,7. Obviamente, desde la perspectiva de la enseñanza y la investigación científica, es necesario introducir técnicas experimentales de frontera en el contenido docente tradicional sobre experimentos mecánicos.
Sin embargo, los experimentos de mecánica microscópica son significativamente diferentes de los experimentos de mecánica básica macroscópica. Por un lado, aunque los instrumentos y equipos relevantes se han popularizado en casi todos los colegios y universidades, su número es limitado debido al alto precio y costo de mantenimiento. A corto plazo, es imposible comprar suficiente equipo para la enseñanza fuera de línea. Incluso si hay recursos financieros, los costos de gestión y mantenimiento de los experimentos fuera de línea son demasiado altos, ya que este tipo de equipo tiene características de alta precisión.
Por otro lado, los experimentos de mecánica in situ como la microscopía electrónica de barrido (SEM) son muy completos, con altos requisitos operacionales y un período experimental extremadamente largo 8,9. Los experimentos fuera de línea requieren que los estudiantes estén muy concentrados durante mucho tiempo, y el mal funcionamiento puede dañar el instrumento. Incluso con individuos muy hábiles, un experimento exitoso requiere unos días para completarse, desde la preparación de especímenes calificados hasta la carga de los especímenes para experimentos de mecánica in situ. Por lo tanto, la eficiencia de la enseñanza experimental fuera de línea es extremadamente baja.
Para abordar los problemas anteriores, se puede utilizar la simulación virtual. El desarrollo de la enseñanza de experimentos de simulación virtual puede abordar el cuello de botella de costo y cantidad de equipos experimentales de mecánica in situ y, por lo tanto, permite a los estudiantes usar fácilmente varios equipos avanzados sin dañar los instrumentos de alta tecnología. La enseñanza de experimentos de simulación también permite a los estudiantes acceder a la plataforma de experimentos de simulación virtual a través de Internet en cualquier momento y en cualquier lugar. Incluso para algunos instrumentos de bajo costo, los estudiantes pueden usar instrumentos virtuales por adelantado para la capacitación y la práctica, lo que puede mejorar la eficiencia de la enseñanza.
Teniendo en cuenta la accesibilidad y disponibilidad de los sistemas basados en la web10, en este trabajo, presentamos un sistema de experimentación de simulación virtual basado en la web que puede proporcionar un conjunto de experimentos relacionados con operaciones fundamentales en mecánica y materiales, con un enfoque en el experimento de mecánica in situ .
Protocol
Representative Results
Discussion
Una de las ventajas de los experimentos de simulación virtual es que permiten a los usuarios realizar los experimentos sin preocuparse por dañar el sistema físico o causarse ningún daño a sí mismos11. Por lo tanto, los usuarios pueden realizar cualquier operación, incluidas las operaciones correctas o incorrectas. Sin embargo, el sistema le da al usuario un mensaje de advertencia que está integrado en el experimento interactivo para guiarlo a realizar los experimentos correctamente cuando …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado en parte por los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales bajo la Subvención 2042022kf1059; la Fundación de Ciencias de la Naturaleza de la provincia de Hubei bajo la subvención 2022CFB757; la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China bajo la Subvención 2022TQ0244; la financiación del Proyecto de Tecnología Experimental de la Universidad de Wuhan en virtud de la subvención WHU-2021-SYJS-11; los Proyectos Provinciales de Enseñanza e Investigación en los Colegios y Universidades de la Provincia de Hubei en 2021 bajo la Subvención 2021038; y el Proyecto de Investigación de Laboratorio Provincial en los Colegios y Universidades de la Provincia de Hubei bajo la Subvención HBSY2021-01.
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