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開放式網(wǎng)上理論力學(xué)虛擬實驗室軟件簡介

適用專業(yè)：機械工程、力學(xué)、材料與土木等專業(yè)。

理論力學(xué)課程是機械、材料、土木等專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性和實踐性都很強，它的實驗教學(xué)是理論力學(xué)課程教學(xué)中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。目前，現(xiàn)實中的理論力學(xué)實驗存在以下局限性：

1．硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；

2．實驗室難以擺放足夠數(shù)量的設(shè)備，無法滿足學(xué)生獨立進行實驗的需求；

隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學(xué)改革的不斷深入，理論力學(xué)實作為力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，實驗教學(xué)又是理論教學(xué)的重要組成部分面對實驗室場地有限等窘境，開展新型教學(xué)模式，利用理論力學(xué)虛擬實驗輔助教學(xué)迫在眉睫。

該軟件是針對大學(xué)專科、本科《理論力學(xué)》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展的虛擬實驗，該軟件在使用過程中有如下優(yōu)勢：

1．系統(tǒng)模擬實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，提供網(wǎng)上實驗教學(xué)過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統(tǒng)計、實驗答疑等功能模塊?？蓾M足高等學(xué)校和各類培訓(xùn)機構(gòu)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠程教學(xué)；

2．使用3DMAX、Maya等專業(yè)軟件進行三維建模、動畫制作、場景渲染等，模擬真實的實驗環(huán)境。

使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開展如下11個常用理論力學(xué)虛擬實驗的訓(xùn)練：

• 摩擦力實驗；

• 剛體碰撞實驗；

• 單擺實驗；

• 四連桿機構(gòu)實驗；

• 簡支梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析實驗；

• 質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量實驗

• 自由振動實驗

• 機構(gòu)運動演示實驗

• 剛性轉(zhuǎn)子動剛度和動反力實驗

• 哥式慣性力實驗

• 離心慣性力演示實驗

圖一理論力學(xué)實驗室界面

（1）單擺虛擬實驗

本虛擬實驗提供鋼球和乒乓球兩種材質(zhì)小球開展實驗，固定小球單擺范圍θ<5°，取小球擺動周期多次，減小系統(tǒng)誤差，達到實驗數(shù)據(jù)靈活處理，通過周期公式反解出重力加速度，并通過實驗對比兩種材質(zhì)小球?qū)嶒灛F(xiàn)象，得出空氣浮力對測重力加速度的影響，從而得出測重力加速度的影響因素。

圖二測量小球直徑

圖三單擺范圍

（2）簡支梁結(jié)構(gòu)模態(tài)虛擬實驗

本虛擬實驗提供了四個模塊，實驗過程按照結(jié)構(gòu)、采樣、分析和動畫的順序來進行，其中結(jié)構(gòu)對簡支梁進行了節(jié)點劃分，采樣確定實驗測點位置和測點個數(shù)，點擊觸發(fā)采樣之后，采樣數(shù)據(jù)在電腦屏幕中實時跟蹤顯示，軟件會對其進行模態(tài)分析、振型編輯，而動畫則顯示了簡支梁的一階陣型圖、二階陣型圖、三階陣型圖和四階陣型圖，實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果與真實開展的實驗無異。

圖四簡支梁觸發(fā)試樣

圖五觸發(fā)試樣圖像

（3）摩擦力虛擬實驗

本虛擬實驗提供了兩種參數(shù)的測量選擇，同時提供五種材質(zhì)的功能選擇，學(xué)者實驗過程中可以隨機選擇測量參數(shù)，動摩擦因數(shù)或靜摩擦因數(shù)。測定靜摩擦因數(shù)時，通過逐漸增加斜面傾角，測得滑塊將滑未滑時的摩擦角，其正切值即為靜摩擦因數(shù)，這能夠使學(xué)者清楚的了解摩擦角的含義并很好的區(qū)分靜摩擦與滑動摩擦的區(qū)別。測定動摩擦因數(shù)時，實驗中才用光電門和數(shù)字顯示器，當帶有遮光條的滑塊通過兩光電門時，能夠求得加速度，從而求得動摩擦因數(shù)，這個過程不但使學(xué)者了解光電傳感器的使用，而且考查學(xué)生綜合運用所學(xué)理論和實驗技術(shù)的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決問題的能力。

圖六測量摩擦角

圖七安裝光電門

圖八滑塊通過光電門，光電計時器計時

（4）機構(gòu)運動演示實驗

本虛擬實驗提供了近十種類型機械運動機構(gòu)的運動形式，包括機器與機構(gòu)、平面邊桿機械的基本形式、平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)的形成、齒輪機構(gòu)的各種類型、齒輪的基本性質(zhì)、輪系的基本形成、間歇運動機構(gòu)、組合機構(gòu)和空間連桿機構(gòu)，加強學(xué)者對機械與機器的認識，通過實驗，直觀地、全面地了解理論力學(xué)相關(guān)機構(gòu)，了解各種機構(gòu)的組成及應(yīng)用情況。

圖九機構(gòu)陳列

圖十機械豹

圖十一疊合組合

（5）四連桿機構(gòu)演示實驗

本虛擬實驗提供了所搭接機構(gòu)的機構(gòu)運動，通過演示實驗，使學(xué)者了解平面連桿機構(gòu)的組成形式，鉸鏈四連桿機構(gòu)中曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)的組成特點。

圖十二雙曲柄機構(gòu)

（6）自由振動虛擬實驗

本虛擬實驗提供了單自由度振動系統(tǒng)四種不同參數(shù)的測量，學(xué)者通過實驗可以掌握單自由度振動系統(tǒng)靜剛度，固有頻率、阻尼比、等效質(zhì)量的測量方法，同時也可以掌握阻尼對單自由度振動系統(tǒng)振動衰減的影響，便于學(xué)者綜合學(xué)習(xí)振動相關(guān)知識。