開放式網(wǎng)上材料力學虛擬實驗室軟件簡介
適用專業(yè)：機械工程、力學、材料與土木等專業(yè)。
材料力學課程是機械、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，它的實驗教學是材料力學課程教學中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。目前，現(xiàn)實中的材料力學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.實驗設(shè)備外形較大，實驗室難以擺放足夠數(shù)量的設(shè)備，無法滿足學生獨立進行實驗的需求；
3.實驗設(shè)備昂貴，操作不當極易造成設(shè)備損壞；
4.實驗器材損耗大，如試樣拉伸斷裂后無法再使用，浪費現(xiàn)象嚴重；
隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學改革的不斷深入，材料力學實驗的教學任務(wù)越來越重，儀器設(shè)備臺套數(shù)和實驗教師數(shù)量相對不足等問題愈加突出。為了以最少的經(jīng)費投入解決以上問題，并進一步激發(fā)學生的學習興趣、增強實驗效果、提高實驗教學質(zhì)量，特定制開發(fā)開放式網(wǎng)上材料力學虛擬實驗室軟件。
使用現(xiàn)有器材模型，課程可開展如下10個常用材料力學虛擬實驗的訓練：
• 拉伸虛擬實驗
• 壓縮虛擬實驗
• 扭轉(zhuǎn)虛擬實驗
• 彎曲與扭轉(zhuǎn)組合變形虛擬實驗
• 沖擊演示虛擬實驗
• 梁彎曲正應(yīng)力虛擬實驗
• 彈性模量虛擬實驗
• ??????? 壓桿穩(wěn)定虛擬實驗
• ??????? 彈性模量和泊松比測定實驗
• ??????? ???????金屬材料的疲勞虛擬實驗
（1）拉伸虛擬實驗
本虛擬仿真系統(tǒng)提供鋁合金、鑄鐵、低碳鋼等多種試樣的選擇，并提供力—位移，力—變形等數(shù)十種測試。后臺建立了豐富的實驗數(shù)據(jù)庫，使得實驗可以很靈活，實驗曲線和數(shù)據(jù)結(jié)果可以保證學生實驗數(shù)據(jù)和報告不會千篇一律，更具個性化！
本虛擬實驗室軟件基于Socket通訊技術(shù)，可靈活調(diào)用word編輯器，并可將測試數(shù)據(jù)、云圖、曲線等實驗結(jié)果自動反饋到word版實驗報告中，學生可將自動生成的實驗報告保存至電腦、打印成紙質(zhì)版或者上傳給老師，真正實現(xiàn)輸入有輸出的完整實驗教學流程；
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圖一 拉伸虛擬實驗場景效果圖
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圖二 用游標卡尺測量試樣直徑
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圖三 加載試樣
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圖四 安裝引伸儀
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圖五 拉伸實驗測試結(jié)果
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圖六 實驗結(jié)束生成實驗報告
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圖七 生成的實驗報告
（2）壓縮虛擬實驗
本虛擬實驗通過虛擬仿真技術(shù)搭建壓縮實驗實驗場景及壓縮試驗機，并模擬完整的壓縮實驗操作流程。實驗提供鑄鐵、低碳鋼兩種試樣可供選擇，并提供對應(yīng)的實驗曲線及實驗結(jié)果。實驗結(jié)束后可生成實驗報告，將虛擬實驗中得到的測量數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果等自動反饋到實驗報告中。
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圖八 壓縮實驗過程
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圖九 觀察并記錄實驗結(jié)果
（3）扭轉(zhuǎn)虛擬實驗
本虛擬實驗通過虛擬仿真技術(shù)搭建扭轉(zhuǎn)實驗實驗場景及扭轉(zhuǎn)試驗機，主要提供以下的操作流程：在試樣三個不同的位置垂直測量直徑、檢查扭轉(zhuǎn)機端面是否水平、用扳手固定試樣、測試過程，實驗提供鑄鐵、低碳鋼兩種試樣可供選擇，并提供對應(yīng)的實驗曲線及實驗結(jié)果，并將實驗的結(jié)果最終保存到實驗報告中。
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圖十 扭轉(zhuǎn)虛擬實驗場景效果圖
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圖十一 實驗開始前設(shè)置軟件參數(shù)
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圖十二 實驗測試結(jié)果
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圖十三 生成實驗報告
（4）彎曲與扭轉(zhuǎn)組合虛擬實驗
本虛擬實驗通過虛擬仿真技術(shù)搭建扭轉(zhuǎn)實驗實驗場景及扭轉(zhuǎn)試驗機，并模擬完整的扭轉(zhuǎn)實驗操作流程。實驗提供鑄鐵、低碳鋼兩種試樣可供選擇，并提供對應(yīng)的實驗曲線及實驗結(jié)果。學生在電腦上就可以完成實驗，本實驗提供不同加載力下壓桿的應(yīng)變值，學生可記錄實驗讀書，繪制實驗曲線，并將測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，加深對本實驗的掌握。
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圖十四 彎曲與扭轉(zhuǎn)組合實驗
圖十五 記錄實驗數(shù)據(jù)
（5）沖擊虛擬實驗
本虛擬實驗通過虛擬仿真技術(shù)搭建沖擊實驗實驗場景及沖擊試驗機，并模擬開機前儀器檢查、沖擊實驗的完整操作流程。實驗提供低碳鋼、中碳鋼兩種試樣可供選擇，并提供不同試樣高溫、室溫、低溫不同的處理及沖擊功等數(shù)據(jù)。
圖十六 沖擊演示虛擬實驗場景效果圖
圖十七 記錄實驗數(shù)據(jù)，填寫沖擊功
（6）梁彎曲正應(yīng)力虛擬實驗
本虛擬仿真實驗通過使用3D MAX、Maya等專業(yè)軟件進行三維建模、場景渲染等，搭建出梁彎曲正應(yīng)力虛擬實驗場景，及應(yīng)變儀、加載架等的三維模型，具有很高的仿真度。通過Unity虛擬仿真技術(shù)，模擬出完整的實驗操作流程，學生可在互聯(lián)網(wǎng)上完成梁彎曲正應(yīng)力實驗，并將實驗結(jié)果記錄到實驗報告中。
圖十八 梁的寬度和高度
圖十九 記錄實驗數(shù)據(jù)
（7）彈性模量虛擬實驗
本虛擬仿真實驗通過使用3D MAX、Maya等專業(yè)軟件進行三維建模、場景渲染等，搭建出彈性模量虛擬實驗場景，及配套使用的實驗儀器和試樣，具有很高的仿真度。通過Unity虛擬仿真技術(shù)，模擬出完整的實驗操作流程，學生可在互聯(lián)網(wǎng)上完成彈性模量實驗，并在電腦軟件上觀察實驗結(jié)果，填寫實驗數(shù)據(jù)。
圖二十 彈性模量與泊松比虛擬實驗場景效果圖
圖二十一 觀察測量結(jié)果
（8）壓桿穩(wěn)定虛擬實驗
本虛擬實驗采用三維建模技術(shù)搭建出壓桿穩(wěn)定實驗場景，用戶可通過鼠標鍵盤交互操作，控制角色的行走，并可操作實驗儀器。學生在電腦上就可以完成實驗，本實驗提供不同加載力下壓桿的應(yīng)變值，學生可記錄實驗讀書，繪制實驗曲線，并將測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，加深對本實驗的掌握。
圖二十二 壓桿穩(wěn)定虛擬實驗場景效果圖
圖二十三 記錄測量結(jié)果
（9）彈性模量和泊松比測定實驗
本虛擬仿真實驗通過虛擬仿真技術(shù)搭建了彈性模量與泊松比測定實驗場景，還原了多功能實驗裝置、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等實驗設(shè)備，具有很高的仿真度。用電測法測量低碳鋼的彈性模量E和泊松比 ，通過Unity虛擬仿真技術(shù)，模擬出完整的實驗操作流程，學生可在互聯(lián)網(wǎng)上完成彈性模量和泊松比測定實驗，并在電腦軟件上觀察實驗結(jié)果，填寫實驗數(shù)據(jù)。
圖二十四 打開多功能實驗裝置和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀
圖二十五 輸入修正系數(shù)
圖二十六 記錄實驗數(shù)據(jù)
（10）金屬材料的疲勞虛擬實驗
本虛擬實驗提供金屬材料的疲勞拉伸實驗的完整操作流程，包括測量試樣直徑，選擇位移模式，開啟油源系統(tǒng)，安裝試樣，夾緊試樣，設(shè)置平均載荷大小、幅值大小、頻率大小，選擇sine波形，設(shè)置載荷檢測窗口上下限和載荷檢測參數(shù)，觀察測試曲線，設(shè)置報警和位移參數(shù)為disabled，再次選擇位移控制模式重置，關(guān)閉油源系統(tǒng)，觀察斷裂試樣斷口形貌。
圖二十七 測量試件尺寸
圖二十八 設(shè)置實驗參數(shù)
圖二十九 安裝試樣
圖三十 觀察實驗結(jié)果
系統(tǒng)服務(wù)器端用戶分為學生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權(quán)限。
• ??????? 學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結(jié)果、查詢實驗成績和批語。
• ??????? 教師：典型實驗庫維護、發(fā)布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統(tǒng)指導、統(tǒng)計并發(fā)布學生的實驗成績和批語。
• ??????? 教務(wù)管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設(shè)置、開課審核、開課查詢。
• 系統(tǒng)管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)維護等。
性能指標
支持同時在線用戶數(shù)1萬人以上，經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不限終端用戶數(shù)，完全能滿足日常教學使用。
服務(wù)器運行環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows Server ，Linux/Unix Server
Web服務(wù)器：Tomcat6.0，JDK6.0
數(shù)據(jù)庫：MySQL
客戶端運行環(huán)境
操作系統(tǒng)： All Windows系列
相關(guān)信息：
研制單位：北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號院文教產(chǎn)業(yè)園1號樓 郵政編碼：100876
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