材料力学电测仿真系统开发

 

实验教学是高等学校人才培养不可缺少的重要环节，对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力有着不可替代的作用。材料力学实验是高校工科专业技术基础课程《材料力学》、《工程力学》、《建筑力学》的重要组成部分。通过材料力学实验，可以让学生加深对材料力学基本概念、基本理论的理解和认识，使学生牢固掌握材料性能指标的检测方法，培养学生分析问题、解决问题。材料基本变形、组合变形测量等实验涉及众多电测方面的知识，如应变片、应变仪、力的传感器、桥路及其连接、贴片与温度补偿等，是力学与电学知识相结合的实验。近年来，由于专业热点变化，这类材料力学基础实验在高校普遍存在压减学时、实验室规模萎缩、仪器使用损坏率高、实验经费有限等问题，同时，实验中应变片的粘贴实验周期长，而且因为虚贴等操作会造成材料损耗，测量前的线路焊接、电桥搭配等的不正确操作也会造成仪器的损毁，所以实验中的这些步骤都在实际实验中省略了，学生失去了动手动脑进行科研训练的机会，实验做完后对电测原理一无所知，教学效果很不好。

 

如何在现有条件下发挥有限资源的最大效率，并显著提高材料力学实验教学效果，是广大实验教学老师正在探讨的课题。近年来，国内各高校不断尝试将计算机仿真技术引入到实验教学中，改变了传统的教学模式，使得教与学的方式发生了革命性的变化。

 

仿真实验是通过计算机及其相应的模拟程序来完成实验过程，不受实验室仪器设备、实验材料的限制，因其具有经济性、开放性、针对性及安全性等特点，是培养学生综合创新能力的一种有效实验手段。

 

为此，结合材料力学电测实验课程的特点，运用信息技术寻求一种合理、高效的仿真实验途径具有非常现实的意义。研制材料力学电子测量仿真系统，可以让学生在较短的时间内通过仿真贴片、接线、加载、测量，对电测原理有个完整了解，作为课内实验的补充，也可大大提高实验教学效果。

 

 

1）材料力学电测实验仿真系统的技术选型

 

系统开发选用C++ Builder， C++ Builder具有快速的可视化开发集成环境，内置了大量完全封装了Windows公用特性且具有完全可扩展性的可重用控件，利用C++ Builder可以快速完成复杂的界面交互，让我们将开发的重点放在内部流程与算法，无需考虑界面实现与数据交互，从而提高开发效率。

 

后台数据库选用比较通用的关系数据库SQL Sever，采用两层的C/S架构，数据库中记录实验操作人员、实验场景数据、实验过程操作记录、实验结果记录等，实验老师可以通过系统管理程序查看记录，了解学生实验情况及仿真系统使用情况。使用通用关系数据库SQL Sever的好处之一是可以支持网络并行操作，学生可以在不同终点同时做不同实验；另一个好处是保存大量的实验记录数据而不会导致系统明显变慢。

 

2）材料力学电测实验仿真系统构成

 

材料力学电测实验仿真系统主要分为两大部分：超媒体的教学演示系统（表1 ）和仿真模拟实验。超媒体的教学演示系统主要利用计算机将每一个实验项目的实验目的、基本原理和操作步骤以文字、动画、声音、视屏等方式组合展示出来，目的是使学生了解实验的基本原理、实验过程、实验中的重点难点等。

 

仿真模拟实验部分主要是材料力学的五个主要电测实验：分别是 材料弹性常数测量实验、材料切变模量的测量实验、材料纯弯正应力测量实验、材料弯扭组合主应力测量实验、材料弯扭组合内力素测量实验。每个实验提供一个虚拟的三维实验场景（如图1为弯扭组合的实验场景），实验者可以通过键盘与鼠标与程序交互，完成相应的实验。

 

3）仿真实验过程

 

下面以材料弯扭组合内力素测量为例来说明仿真实验过程：

 

①试件参数确定：选择主界面的材料弯扭组合内力素测量实验，进入图1的实验场景，就可以选择实验的材质、尺寸，确定材质就相应确定了材料的弹性常数，选定尺寸就是需要输入梁的长度、内外径及加力臂的大小。

 

②贴片：如果2所示，可以在放大的工作区及温度补偿区进行贴片，可以在应变计面板选择不同型号的应变计，

 

③桥路设计：通过点击鼠标并拖动，可以在应变计引脚与应变仪A、B、C、D1、D、D2等引脚间连线，不同连线方式形成不同的桥路设计。

 

④加载测量：开启应变仪电源，应变仪显示屏显示应变输出，如果桥路设计不准确，应变仪显示屏将显示错误“E”，这时需要回到上一步重新进行连线操作。如果屏幕显示随机变动的值，点击清零后就可以恢复为零，并可以开始加载实验，加载过程点选记录实验数据，当前外载荷及应变输出系统就会记录。

 

⑤实验结束，选择打印实验报告，将输出带全部实验参数及实验过程记录的完整实验记录报告，需要手工完成的是实验数据后处理。

 

4）材料力学电测实验仿真系统主要特色

 

①目前国内有些高校在电测仿真系统有些探索，但主要还停留在实验过程的辅导上，如应变片选择、贴片、桥路设计、加载、测量等，每个过程都是最优的单一选择，就像一个电子教案。材料力学电测实验仿真系统在此方面进行重点突破，提供一个完整的实验场景，试件的材质、尺寸可以在许可范围内自由设定，应变花可以随意选择，补偿片的选择，桥路选择都有充分的自由度，系统内依据选定的参数及桥路设计、加载情况计算出相应的应变仪输出，并在输出结果上加上白噪声和时漂移，操作人员可以按照真实测量那样进行实验数据处理。

 

②材料力学电测实验仿真系统涵盖了材料力学课程中的所有电测实验，国内涉及材料力学课程的所有专业因实验学时的原因最多只会实做两个实验，短学时的专业只会做最简单的材料弹性常数测量实验。由于贴片到可以测量一般需要数天时间，实做实验都不会涉及贴片和接线。而仿真系统就可以由浅入深的包含全部5个电测实验，并可仿真全部的实验过程。

 

 

材料力学电测仿真实验是一种全新的虚拟实验环境，在这种环境下学生可以反复进行“实验”，并迅速获得实验结果其方便性是实物实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习的兴趣和培养创新意识，尤其是在实验经费和设备受到限制的条件下，能有效地缓解当前材料力学实验教学的困境，也是高等教育的大众化发展的一种必然趋势。

 

参考文献

 

[1] 李会云， 陈二忠，杨少冲.材料力学仿真实验设计[J]，山西建筑，2008，10，Vol.30，No.30

 

[2] 卞步喜，夏晶，钟文龙. 材料力学纯弯梁电测仿真实验研制与实践[J]，中国新技术新产品，2010，NO.16

 

[3] 牛亮，刘轶.虚拟实验在材料力学实验中的应用[J]，云南民族大学学报： 自然科学版，2012，21（4）：309～312

 

[4] 池德汝，朱聪玲，盛冬发，曾绍锋. 基于 Pro /ENGINEER 开发的材料力学仿真实验系统[J]， 实验室研究与探索，2011，9， Vol.30，No.9

 

[5] 赖震环，吴起星. 土力学实验仿真系统的开发[J]， 实验室研究与探索，2012，6，Vol.31，No.6