振動力學三維虛擬實驗教學系統(tǒng)簡介
振動力學是機械、力學和土建專業(yè)二級學科主干專業(yè)課。振動力學專業(yè)培養(yǎng)具備力學基礎理論知識、計算和試驗能力，能在各種工程（如機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等）中從事與力學有關的科研、技術開發(fā)、工程設計和力學教學工作的高級工程科學技術人才；工程中稱振動問題研究的對象為系統(tǒng)，它可以是一個零部件、一臺機器或者一個完整的工程結構等等；稱外界激振力等因素為激勵或輸入；稱作用于系統(tǒng)后使之產生的振動為響應或輸出。通過該虛擬仿真軟件主要讓學生學習掌握《振動力學》課程基本的實驗方法及其基本知識。
本虛擬仿真實驗室軟件可滿足以下主要功能：
本系統(tǒng)在網上開展虛擬實驗課程，課程模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；B/S結構，支持網頁界面操作方式，軟件首頁支持學生、課程教師、教務管理員、系統(tǒng)管理員使用不同的身份登錄軟件；不同的身份具有不同的操作權限；提供系統(tǒng)管理功能，包括用戶、分組、角色、權限、日志管理等；支持完整的教學過程管理功能，包括開課管理、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗結果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能；同時可以和虛擬仿真實驗教學管理平臺無縫集成；
為保證軟件的交互性和擴展性，本軟件采用國際領先的Unity3D引擎開發(fā)而成，且插件在近1年內有更新版本，并可支持后續(xù)的優(yōu)化升級。軟件交互性良好，用戶在場景中，通過鼠標、鍵盤的交互，實現在場景中走動，通過視角旋轉、拉近觀察場景元素中的細節(jié)，支持用戶從任意視角、任意距離觀察實驗臺。
提供實驗器材欄，器材欄在實驗過程中，用戶可以隨時選擇收起和展開，同時也可以將器材欄拖動到任意位置；軟件提供視圖選擇功能，便于用戶快速切換到對應視角進行操作或觀察實驗現象；軟件采用虛擬現實實時渲染處理，畫面精美，同時提供操作幫助，言簡意賅描述實驗如何開展。
該軟件支持典型實驗個數9個；
1) 錘擊法模態(tài)分析虛擬實驗
2) 電測動態(tài)應力虛擬實驗
3) 非線性振動分岔現象虛擬實驗
4) 龍洗綜合振動虛擬實驗
5) 車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性虛擬實驗
6) 轉子系統(tǒng)演示實驗
7) 多普勒激光測振儀器模態(tài)測量實驗
8) 白車車身模態(tài)分析實驗
9) 簡支模型橋靜動力學實驗
（1）錘擊法模態(tài)分析虛擬實驗
本虛擬實驗模擬了錘擊法模態(tài)試驗的完整實驗流程，模擬了真實的實驗場景和實驗設備，實驗中通過ModelView軟件設置進行實驗3D模型繪制、數據測量、實驗和工作狀態(tài)模態(tài)分析及模態(tài)振型動畫展示。
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圖1 實驗場景
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圖2 模型建立如圖
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圖3 力錘敲擊
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圖4 實驗數據
（2）電測動態(tài)應力虛擬實驗
電測動態(tài)應力實驗提供懸臂梁沖擊實驗及簡支梁振動實驗兩種實驗選擇，模擬了兩個實驗的完整實驗流程，懸臂梁沖擊實驗通過調節(jié)手輪，點擊載荷讓其落下測得沖擊應變曲線；簡支梁振動實驗通過設置不同參數，得到簡支梁振動曲線。
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圖5 選擇實驗
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圖6 懸臂梁沖擊實驗
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圖7 沖擊應變曲線
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圖8 簡支梁振動曲線
（3）非線性振動分岔現象虛擬實驗
本虛擬實驗模擬了非線性振動分岔現象實驗的完整實驗流程，提供干摩擦材料、庫倫摩擦材料和粘性摩擦材料三種材料選擇，通過設置不同速度，觀察實驗現象。
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圖9 實驗場景
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圖10 實驗現象
（4）龍洗綜合振動虛擬實驗
本虛擬實驗模擬了龍洗綜合振動實驗的完整實驗流程，模擬了真實的實驗場景和實驗設備，在實驗中連續(xù)用手搓動龍洗使其發(fā)生振動（水花飛濺），同時改變水量的多少，觀察龍洗的振動頻率，來讓學生試探討龍洗盆材質與其構造所帶來不同的共振現象。
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圖11 實驗場景
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圖12 記錄振動頻率，四個通道的振幅和相位差，分析龍洗的振型
（5）車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性虛擬實驗
本虛擬實驗模擬了車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性實驗的完整實驗流程，其目的是為了讓學生學習并掌握橋梁結構模態(tài)參數的測試與分析方法并掌握不測力算法進行模態(tài)參數識別的原理和方法。
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圖13 實驗選擇
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圖14 實驗場景
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圖15 數據收集
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圖16 數據計算
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圖17 模態(tài)陣形圖
（6）轉子系統(tǒng)演示實驗
該虛擬實驗模擬了轉子系統(tǒng)演示實驗的實驗流程，通過軸心軌跡在通過臨界轉速時，長短軸發(fā)生明顯變化，通過觀察軸心 X-Y圖中振幅-相位變化，可以判斷臨界轉速的原理，來達到探究使用轉子轉動的振幅-轉速曲線、軸心軌跡、波形圖等判斷并找出轉子臨界轉速的目的。
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圖18 實驗場景
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圖19 實驗曲線
（7）多普勒激光測振儀器模態(tài)測量實驗
該實驗利用光學普遍的折射、反射效應，以傳感器的激光束作為發(fā)射光源，對振動著的被測體進行點測、線測（二維測量）或三維測量（輪廓測量），同時把收集的測量數據經過內置軟件的一系列算法處理，得出被測體振動的相關參數的方法。
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圖20 收集數據
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圖21 計算數據
（8）白車車身模態(tài)分析實驗
本虛擬實驗模擬了白車車身模態(tài)分析實驗的完整實驗流程。該實驗利用單點激振、多點拾振的方法,并對采樣信號進行多次平均降噪處理,通過LMS系統(tǒng)進行模態(tài)參數識別的方法來達到用試驗結果驗證白車身有限元模型的正確性，考查其固有特性是否滿足設計要求的實驗目的。
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圖22 實驗場景
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圖23 安裝激振器
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圖24 車輛震動
（9）簡支模型橋靜動力學實驗
本虛擬實驗模擬了簡支模型橋靜動力學實驗的完整實驗流程。實驗內容觀測為平直斜坡海岸水波的正向入射實驗會產生水波的淺化現象，水動力學淺化實驗通過調節(jié)坡度大小，觀察到水流運動現象。
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圖25 實驗場景
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圖26 實驗儀器
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圖27 實驗現象
系統(tǒng)服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。
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。
教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、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、權限管理、系統(tǒng)維護等。
性能指標
支持同時在線用戶數1萬人以上，經測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不限終端用戶數，完全能滿足日常教學使用。
服務器運行環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows Server ，Linux/Unix Server
Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0
數據庫：MySQL
客戶端運行環(huán)境
操作系統(tǒng)： All Windows系列
相關信息：
研制單位：北京潤尼爾網絡科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號文教文化產業(yè)園1號樓 郵政編碼：100876
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