Summary
Dit werk presenteert een driedimensionaal virtueel simulatie-experiment voor materiaalvervorming en -falen dat gevisualiseerde experimentele processen biedt. Door middel van een reeks experimenten kunnen gebruikers vertrouwd raken met de apparatuur en de bewerkingen leren in een meeslepende en interactieve leeromgeving.
Abstract
Dit werk presenteert een reeks uitgebreide virtuele experimenten om materiaalvervorming en -falen te detecteren. De meest gebruikte apparatuur in de mechanica en materiaaldisciplines, zoals een metallografische snijmachine en een universele kruiptestmachine op hoge temperatuur, zijn geïntegreerd in een webgebaseerd systeem om verschillende experimentele diensten aan gebruikers te bieden in een meeslepende en interactieve leeromgeving. Het protocol in dit werk is verdeeld in vijf subsecties, namelijk de voorbereiding van de materialen, het vormen van het monster, monsterkarakterisering, monsterbelasting, nano-indenterinstallatie en SEM in situ-experimenten , en dit protocol heeft tot doel gebruikers de mogelijkheid te bieden met betrekking tot de herkenning van verschillende apparatuur en de bijbehorende bewerkingen, evenals de verbetering van het laboratoriumbewustzijn, enz., met behulp van een virtuele simulatiebenadering. Om duidelijke richtlijnen voor het experiment te bieden, markeert het systeem de apparatuur / het monster dat in de volgende stap moet worden gebruikt en markeert het pad dat naar de apparatuur leidt met een opvallende pijl. Om het hands-on experiment zo goed mogelijk na te bootsen, hebben we een driedimensionale laboratoriumruimte, apparatuur, operaties en experimentele procedures ontworpen en ontwikkeld. Bovendien houdt het virtuele systeem ook rekening met interactieve oefeningen en registratie voordat chemicaliën tijdens het experiment worden gebruikt. Onjuiste bewerkingen zijn ook toegestaan, wat resulteert in een waarschuwingsbericht dat de gebruiker informeert. Het systeem kan interactieve en gevisualiseerde experimenten bieden aan gebruikers op verschillende niveaus.
Introduction
Mechanica is een van de basisdisciplines in de techniek, zoals blijkt uit de nadruk die wordt gelegd op de basis van wiskundige mechanica en theoretische kennis en de aandacht die wordt besteed aan het cultiveren van de praktische vaardigheden van studenten. Met de snelle vooruitgang van de moderne wetenschap en technologie hebben nanowetenschap en -technologie een enorme impact gehad op het menselijk leven en de economie. Rita Colwell, de voormalige directeur van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), verklaarde in 2002 dat nanoschaaltechnologie een impact zou hebben die gelijk is aan de industriële revolutie1 en merkte op dat nanotechnologie echt een portaal is naar een nieuwe wereld2. De mechanische eigenschappen van materialen op nanoschaal zijn een van de meest fundamentele en noodzakelijke factoren voor de ontwikkeling van hightechtoepassingen, zoals nano-apparaten 3,4,5. Het mechanische gedrag van materialen op nanoschaal en de structurele evolutie onder stress zijn belangrijke kwesties geworden in het huidige nanomechanische onderzoek.
In de afgelopen jaren hebben de ontwikkeling en verbetering van nano-indentatietechnologie, elektronenmicroscopietechnologie, scanning probe microscopie, enz., "in situ mechanica" experimenten tot een geavanceerde testtechniek gemaakt die belangrijk is in nanomechanica-onderzoek 6,7. Het is duidelijk dat het vanuit het perspectief van onderwijs en wetenschappelijk onderzoek noodzakelijk is om grensverleggende experimentele technieken te introduceren in de traditionele onderwijsinhoud met betrekking tot mechanische experimenten.
Experimenten met microscopische mechanica verschillen echter aanzienlijk van macroscopische basismechanica-experimenten. Aan de ene kant, hoewel de relevante instrumenten en apparatuur populair zijn geworden in bijna alle hogescholen en universiteiten, is hun aantal beperkt vanwege de hoge prijs en onderhoudskosten. Op korte termijn is het onmogelijk om voldoende apparatuur aan te schaffen voor offline lesgeven. Zelfs als er financiële middelen zijn, zijn de beheer- en onderhoudskosten van offline experimenten te hoog, omdat dit type apparatuur zeer nauwkeurige kenmerken heeft.
Aan de andere kant zijn in situ mechanische experimenten zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM) zeer uitgebreid, met hoge operationele vereisten en een extreem lange experimentele periode 8,9. Offline experimenten vereisen dat studenten lange tijd zeer gefocust zijn en verkeerde werking kan het instrument beschadigen. Zelfs met zeer bekwame individuen vereist een succesvol experiment een paar dagen om te voltooien, van het voorbereiden van gekwalificeerde exemplaren tot het laden van de monsters voor in situ mechanische experimenten. Daarom is de efficiëntie van offline experimenteel onderwijs extreem laag.
Om de bovenstaande problemen aan te pakken, kan virtuele simulatie worden gebruikt. De ontwikkeling van virtueel simulatie-experimentonderwijs kan de kosten- en kwantiteitsknelpunten van in situ mechanica experimentele apparatuur aanpakken en zo studenten in staat stellen om gemakkelijk verschillende geavanceerde apparaten te gebruiken zonder hightech-instrumenten te beschadigen. Simulatie-experimentonderwijs stelt studenten ook in staat om altijd en overal toegang te krijgen tot het virtuele simulatie-experimentplatform via internet. Zelfs voor sommige goedkope instrumenten kunnen studenten van tevoren virtuele instrumenten gebruiken voor training en oefening, wat de efficiëntie van het lesgeven kan verbeteren.
Gezien de toegankelijkheid en beschikbaarheid van webgebaseerde systemen10, presenteren we in dit werk een webgebaseerd virtueel simulatie-experimenteersysteem dat een reeks experimenten kan bieden met betrekking tot fundamentele bewerkingen in mechanica en materialen, met een focus op het in situ mechanica-experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In dit werk worden de procedures van het microcantilever beam fracture experiment met scheuren als volgt besproken, dat open staat voor vrije toegang via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alle stappen worden uitgevoerd in het online systeem op basis van de virtuele simulatiebenadering. Voor deze studie was geen goedkeuring van de Institutional Review Board vereist. Toestemming werd verkregen van de studentvrijwilligers die deelnamen aan dit onderzoek.
1. Toegang tot het systeem en het invoeren van de interface
- Open een webbrowser en voer de URL-http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd in om toegang te krijgen tot het systeem.
OPMERKING: De opgegeven URL is toegankelijk via een gangbare webbrowser zonder gebruikersnaam en wachtwoord. - Zoek de virtuele simulatie-interface met behulp van de verticale schuifbalk.
OPMERKING: De virtuele scène is ingebed in het web. - Klik op het pictogram Volledig scherm in de rechterbenedenhoek om een interface op volledig scherm in te schakelen.
- Klik op de knop Experiment starten om te starten .
- Klik op de knop Enter om de richtlijnen voor beginners te volgen of klik op de knop Overslaan om deze stap over te slaan.
OPMERKING: De gebruiker kan ervoor kiezen om te volgen (knop Enter ) of over te slaan (knop Overslaan ). De begeleiding voor beginners geeft beschrijvingen van het hele systeem. De interface markeert ook de bedieningsinstructies stap voor stap voor het uitvoeren van de beoogde bewerkingen of apparatuur. Figuur 1 toont de apparatuur die in het experiment is gebruikt, waaronder zeven soorten apparatuur in de mechanische en materiële disciplines. Beginners wordt aangeraden om deze begeleiding te volgen.
2. Voorbereiding van de materialen
- Start het experiment na het voltooien van de training op beginnersniveau. Volg de aanwijzingen op de interface om dicht bij de laboratoriumtafel te "lopen" die de siliciumwafers bevat, bekijk de verschillen tussen de siliciumwafers van het normale type en het crack-type en selecteer de scheursjabloon.
OPMERKING: Voer de experimentinterface in en voer experimenten uit volgens de gemarkeerde routerichtlijnen. De gemarkeerde begeleiding wordt gedurende het hele proces gegeven om duidelijke richtlijnen te bieden voor experimenten. - Selecteer een materiaal in de lijst met verstrekte materialen.
OPMERKING: De verstrekte materiaallijst bevat goud, zilver, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polyether-ether-keton (PEEK) en polymethylmethacrylaat (PMMA). - Laad het geselecteerde materiaal op de snijklem met een klik op het gemarkeerde materiaal. Klik op de gemarkeerde AAN/UIT-knop (aan de rechterkant) om de freesklem in te schakelen, klik op de knop Snelheid (aan de linkerkant) en stel de snelheid van de metallografische snijmachine in een pop-upinterface in.
OPMERKING: De gebruiker kan een juiste snelheid instellen zoals hij wil. Zodra de snelheid door de gebruiker is ingesteld, wordt de snijklem geactiveerd en wordt de ruwe staaf in dunne plakjes gesneden. - Stapel de mal, de metalen plaat en het voorblad achtereenvolgens op elkaar door op het gemarkeerde object te klikken en het te slepen zoals aangegeven in de gebruikersinterface.
OPMERKING: Na het snijden van het materiaal is deze assemblagestap noodzakelijk voor het gieten van nanomallen.
3. Het spuitgieten van het monster
- Loop virtueel naar de universele kruiptestmachine op hoge temperatuur volgens de aanwijzingen in figuur 2 en plaats de gestapelde monsters virtueel tussen de plaatklemmen van de universele kruiptestmachine.
OPMERKING: Na deze stap wordt de virtuele computer aan de linkerkant van de universele kruiptestmachine met hoge temperatuur gemarkeerd. - Klik op de virtuele computer en stel het testschema in op de besturingscomputer van de universele kruiptestmachine.
OPMERKING: Na deze stap wordt de hulpapparatuur van de universele kruiptestmachine voor hoge temperatuur voor verwarming en vacuümpompen gemarkeerd om de gebruiker te begeleiden. - Klik op de gemarkeerde verwarmings- en vacuümpompapparatuur en schakel de voeding in. Open de virtuele mechanische pomp en de backingklep in de interface door op de gemarkeerde knoppen te klikken.
OPMERKING: Met deze stap worden de instellingen van de systeemvacuümregeling in het vacuümbesturingssysteem van de universele kruiptestmachine voltooid. - Klik op de knop Wissen op het configuratiescherm van de universele kruiptestmachine om de gegevens te wissen. Klik op de knop Uitvoeren op het bedieningspaneel van de universele kruiptestmachine om het experiment te voltooien, waarbij het patroon op de mal naar de metalen plaat wordt gekopieerd met behulp van de parallelle plaatcompressiegietmethode.
OPMERKING: Nadat het gieten van de matrijs is voltooid, verwijdert u het monster en sluit u de terugslagklep en de mechanische pomp, enz., Van de verwarmings- en vacuümpompapparatuur door op de knoppen te klikken zoals vereist (in echte verwarmings- en vacuümpompapparatuur kan de omgekeerde volgorde ervoor zorgen dat de moleculaire pomp doorbrandt). - Klik nogmaals op de Virtual Computer en controleer de experimentele gegevens op de besturingscomputer van de universele kruiptestmachine.
- Open de afdekplaat op de metallografische inlegmachine voor monsters en plaats het monster.
- Klik op het gemarkeerde PMMA-poeder om het bereide poeder te gieten en klik op de gemarkeerde vorm om het bovenop het PMMA-poeder te plaatsen.
- Klik op het gemarkeerde handwiel om de positie van de mal aan te passen, die de afdekplaat automatisch bedekt. Klik op de AAN/UIT-knop om de inlegmachine in te schakelen. Verwijder het PMMA ingelegde exemplaar na afkoeling.
OPMERKING: Het gegoten monster moet in de juiste richting op de inlegmachine worden gemonteerd, zoals aangegeven in figuur 3, waarin het thermoplastische materiaal PMMA in het experiment is gebruikt. Zorg ervoor dat het PMMA-poeder smelt en zich hecht aan het oppervlak van het monster. De linkerbenedenhoek van figuur 4 illustreert de juiste richting nadat de gebruiker de selectie in figuur 3 heeft bevestigd.
- Betreed de ruimte voor polijsten en corrosie volgens de routegeleiding, zoals weergegeven in figuur 5. Zoek de gemarkeerde polijstmachine en klik op de grijper van de polijstmachine om het ingelegde exemplaar aan de grijper te monteren. Stel de snelheid in om het monster te slijpen en te polijsten om het substraat van het gegoten materiaal te verwijderen.
OPMERKING: Maal de mal aan één kant van de mal totdat het patroon op de mal zichtbaar is.
4. Karakterisering van het specimen
- Registreer u in de e-notebook voordat u een chemische stof gebruikt. Open de chemische opslagkast en haal de vaste KOH- en acetonoplossing eruit. Klik op het gemarkeerde bekerglas om de acetonoplossing te gebruiken om het monster schoon te maken. Klik op een ander gemarkeerd bekerglas en vaste KOH voor corrosievloeistofvoorbereiding om een 10% KOH-oplossing te bereiden. Klik op de gemarkeerde KOH-oplossing en het monster om het monster te corroderen tot een metallografisch monster.
OPMERKING: In dit experiment, om de siliciummal te verwijderen, wordt meestal een 6 mol / L KOH-oplossing bereid, wordt het monster in de bereidingsoplossing geplaatst en wordt het bekerglas met de corrosieoplossing en het monster op een hete plaat geplaatst om op te warmen om de corrosiesnelheid te versnellen. - Reinig het monster na het verwijderen van het siliciumsubstraat en voer een gekarakteriseerde test uit met het voorbereide monster onder een optische microscoop.
OPMERKING: Vergeet niet om de integriteit van het monster te bepalen na het slijpen en corrosie.
5. Monsterbelasting en nano-indenterinstallatie
- Laad het monster op het monsterstadium van de nano-indenter. Kies het kegelindrukker om het op de driver van het micro- en nanomechanische testsysteem te monteren. Klik op het gemarkeerde station om het te verbinden met het nano-indenter.
OPMERKING: De "Pin" moet in de aandrijfas worden gestoken bij het installeren van het indruklichaam, en aangezien de aandrijfas een slanke stang is, voorkomt de vergrendeling beschadiging van de aandrijfas bij het schroeven van het indruklichaam met een schroefdraaduiteinde in de aandrijving.
6. SEM in situ experiment
- Klik op de knop Vent in de SEM-besturingssoftware nadat u het indruklichaam van de nano-indrukker hebt geïnstalleerd en het monster hebt geladen zoals beschreven in 5.1.
- Open de SEM-kamer na het doorbreken van het vacuüm, installeer de nano-indenter op de SEM-monstertrap en sluit de draden aan (figuur 6 toont een voorbeeld van het verbinden van een van de draden).
- Open de besturingssoftware van de nanoindenter en selecteer Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
OPMERKING: Het positie-initialisatieproces van de nanoindenter-monsterfase moet worden uitgevoerd in de toestand waarin de SEM-holte open is om te voorkomen dat het initialisatieproces van de nano-indentermonstertrap de pool van de SEM-elektronenuitlaatpoort raakt. - Sluit de SEM-kamer en klik op de knop Pomp op de SEM-besturingssoftware.
- Klik op de knop Omhoog of Omlaag in de SEM-besturingssoftware om de positie van de monsterfase aan te passen zodat het te meten monster in het SEM-gezichtsveld valt. Klik op de knop OK om de positie te bepalen. Klik op de gemarkeerde EHT-knop om het elektronenpistool in te schakelen. Klik op de cameraknop en schakel over naar de observatiemodus voor elektronenmicroscopie.
OPMERKING: Het indruklichaam van de nano-indenter moet in de observatiemodus worden geregeld om het te meten monster geleidelijk te naderen. - Klik op de knop Uitvoeren op de besturingssoftware van de nanoindenter.
OPMERKING: Tijdens het experiment is het noodzakelijk om de vervormingskenmerken en het faalproces tijdens het laadproces van het monster te observeren en vast te leggen en om de oorspronkelijke gegevens van het experiment te openen in het venster voor gegevensanalyse nadat het experiment is voltooid voor het plotten en exporteren van de gegevens. - Klik op de knop Stoppen op de besturingssoftware van de nanoindenter om het experiment te beëindigen.
OPMERKING: Het virtuele simulatie-experiment eindigt hier. De gebruiker wordt gevraagd om de online examenoefening in de virtuele interface na het experiment te voltooien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het systeem biedt duidelijke richtlijnen voor de activiteiten van de gebruiker. Ten eerste wordt training op beginnersniveau geïntegreerd wanneer een gebruiker het systeem betreedt. Ten tweede worden de apparatuur en de laboratoriumruimte die moet worden gebruikt voor de volgende stap belicht.
Het systeem kan worden gebruikt voor verschillende educatieve doeleinden voor verschillende niveaus van studenten. Figuur 1 bevat bijvoorbeeld zeven van de meest gebruikte soorten apparatuur in de mechanische en materiaaldisciplines, namelijk de metallografische snijmachine, universele kruiptestmachine op hoge temperatuur, metallografische inlegmachine voor monsters, polijstmachine, optische microscoop, SEM en micro- en nanomechanicatestsysteem. In de begeleiding voor beginners kan de gebruiker meer te weten komen over de beschrijvingen van alle apparatuur die in het experiment wordt gebruikt. Vervolgens wordt alle apparatuur één voor één gebruikt om het experiment te voltooien. De studenten kunnen de apparatuur kiezen voor repetitieve experimenten totdat ze de bedieningsvaardigheden beheersen.
Figuur 3 en figuur 4 laten ook zien dat het systeem het ontwerp van het experimentele schema kan verbeteren in combinatie met de experimentele bewerkingen, wat onmiddellijke validatie kan bieden. In figuur 3 moet de gebruiker ervoor kiezen om het monster in de juiste richting te plaatsen om een gegoten monster te maken. Figuur 4 toont de interface voor het gebruik van de metallografische inlegmachine voor monsters, die ook de resultaten toont (zoals aangegeven in de linkerbenedenhoek van figuur 4) van de vorige stap nadat de gebruiker de selectie heeft bevestigd, zoals weergegeven in figuur 3. Figuur 7 illustreert de in situ mechanica experimentele resultaten van de micro-cantilever beam met vooraf ingestelde scheuren. Door de analyse van de resultaten kan de gebruiker bepalen hoe de resultaten zijn verkregen.
Dit protocol simuleert het scenario waarin de studenten de belastingsgrootte en laadtijd van het reologische experiment van de parallelle plaat moeten evalueren op basis van de lengte-diameterverhouding van het te bereiden monster. De experimentator moet de relatie analyseren van de lengte-diameterverhouding van de viskeuze vloeistof die in een cilindrische gatmal stroomt, de druk p 0 en de tijd t met een diameter van d onder invloed van constante druk p 0. Deze relatie wordt hieronder weergegeven:
waarbij L de lengte is, d de diameter van de cilindrische gatvorm, p0 de constante druk, η de viscositeit van het materiaal en t de laadtijd. Zodra p0, η en L/d zijn gegeven, kan t worden berekend. Als L/d verdubbelt, is de laadtijd vier keer groter dan voorheen. Figuur 8 illustreert de relatie tussen de lengte-diameterverhouding van metaalglas dat in het matrijsgat stroomt en de tijd.
In praktijkexperimenten bleek dat studenten vaak een trial-and-error-benadering gebruikten, dat wil zeggen dat ze voortdurend de laadgrootte of laadduur aanpasten totdat het vereiste monster uiteindelijk was gemaakt. In dit protocol wordt een interactieve interface geboden om de theoretische kennis te valideren en wordt de laadtijd bepaald op basis van de opgegeven parameterwaarden (materiaalviscositeit, initiële steekproefgrootte en belastingsgrootte). Een leidende vraag wordt als volgt gesteld: "Metaalglas is een Newtoniaanse vloeistof met een viscositeit van η = 107 Pa·s bij de experimentele temperatuur van het spuitgieten. De vloeistof heeft geen slip op de matrijscontactgrens. Het is noodzakelijk om een cilindrisch monster te bereiden met een lengte-diameterverhouding van 5. Als het experiment een grote hoeveelheid druk van 100 MPa kan toepassen, hoe lang moet de laadtijd dan zijn? Als de lengte-diameterverhouding met 1x wordt verhoogd, hoe vaak neemt de laadtijd dan toe?" De studenten moeten de antwoorden achterhalen, het testschema dienovereenkomstig instellen en vervolgens hun experimenten uitvoeren.
Na het experiment worden de studenten gevraagd om een paar vragen van verschillende typen te beantwoorden, zoals invulvragen en single-answer / multi-answer multiple-choice questions (MCQ), die zich richten op de belangrijkste stappen tijdens het virtuele simulatie-experiment om hun theoretische kennis en experimenten te verbeteren. Tabel 1 toont de vraagvoorbeelden voor de online examenoefening na het experiment. Met geïntegreerde oefeningen kunnen gebruikers systematisch het hele proces van het experiment bekijken en de theorie verbinden met het experiment.
De reeks experimenten die wordt aangeboden door de implementatie van de voorgestelde virtuele simulatie betekent dat de volgende gevisualiseerde en interactieve kennisverbeterde en vaardigheidsverbeterde ervaringen kunnen worden geboden: 1) een meeslepende virtuele leeromgeving waar gebruikers door de lay-out van de laboratoriumruimtes en de details van elk apparaat kunnen "lopen" en begrijpen; 2) bewerkingen op verschillende typische uitrustingsstukken in de mechanische en materiële disciplines om operationele vaardigheden onder de knie te krijgen; 3) verbetering van het veiligheidsbewustzijn door verkeerde handelingen en waarschuwingen; 4) repetitieve experimenten en kortere tijdsexperimenten in plaats van de duur van experimenten; 5) het protocol van conventionele laboratoria zo nauwkeurig mogelijk volgen, zodat gebruikers bekend kunnen zijn met de procedures en de "do's" en "don'ts", zelfs in de virtuele omgeving.
Conventioneel, vanwege de beperkte hoeveelheid apparatuur en de bezetting van afgestudeerde studenten voor onderzoeksdoeleinden, hebben niet-gegradueerde studenten zelden de kans om experimenten met fysieke apparatuur uit te voeren. Het virtuele simulatiesysteem dat verschillende soorten apparatuur integreert, kan helpen bij het gelijktijdig toegankelijke en herhaalbare experimenten om hun laboratoriumvaardigheden te verbeteren. Na de uitrol werd het virtuele systeem toegepast in de herfstsemesters van de academiejaren 2020 en 2021 voor studenten met een technische mechanica-achtergrond. Tabel 2 toont de resultaten van het experiment, waaronder de gemiddelde voltooiingstijd, de standaardafwijking van de voltooiingstijd en de gemiddelde scores van de verschillende jaren. De gemiddelde score (100 in totaal) wordt berekend op basis van de evaluatie van het experiment (70%, geëvalueerd door het systeem) en het laboratoriumrapport op het web (30%, geëvalueerd door de leraar). De resultaten tonen aan dat studenten het experiment gemiddeld in ~ 73 minuten kunnen voltooien met behulp van een webbrowser, die tijdbesparend is en de efficiëntie van het webgebaseerde systeem verifieert op basis van de virtuele simulatiebenadering. In 2022 hebben we een studie uitgevoerd om de efficiëntie van het voorgestelde protocol aan te tonen. Studenten uit twee klassen met een technische mechanica-achtergrond (twee klassen met dezelfde leraar en dezelfde klasmodules, verdeeld in twee klassen om redenen van klassengrootte) werden verdeeld in twee groepen (één klas voor elke groep). De studenten van groep 1 gingen naar het fysieke laboratorium om de theoretische kennis te leren en de operaties van de leraar te bekijken, terwijl de studenten van groep 2 de virtuele interface gebruikten die was ontwikkeld op basis van het fysieke laboratorium (inclusief de lay-out en de apparatuur) voor hun experiment. Tabel 3 toont de online examenresultaten (met een totaalscore van 10) voor de studenten zonder (Groep 1) en met (Groep 2) de virtuele interface ervaring. Er kan worden geconcludeerd dat de studenten met de virtuele interface-ervaring beter presteerden dan degenen zonder de ervaring.
Figuur 1: De ontwikkelde driedimensionale apparatuur die tijdens de experimenten werd gebruikt. Geconcludeerd kan worden dat door middel van dit virtuele simulatie-experiment de gebruiker kan worden getraind om vertrouwd te zijn met de meest gebruikte apparatuur in de mechanische en materiële disciplines. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Gemarkeerde universele kruiptestmachine voor hoge temperaturen in de virtuele simulatielaboratoriumruimte. Na het voltooien van de vorige stap (het snijden van het monster), wordt de volgende stap automatisch gegenereerd, die ofwel de machine markeert (wanneer de machine in de buurt is) of het pad dat naar de machine leidt (wanneer de machine niet in de buurt is). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: De interface voor het kiezen van de plaatsingsrichting van het monster. De gebruiker moet de juiste plaatsingsrichting van het monster kiezen om door te gaan met de volgende stap. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: De interface voor het gebruik van de metallografische inlegmachine voor monsters. De resultaten van de vorige stap nadat de gebruiker de selectie heeft bevestigd (in figuur 3) worden in de linkerbenedenhoek weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: De interface met een gemarkeerde padbegeleiding. De gebruiker wordt begeleid om een ruimte binnen te gaan voor het polijsten en corrosie van het monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Bedrading voor de SEM-machine. De gebruiker moet de draden aansluiten om door te gaan met het experiment. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: In situ mechanica experimentele procesresultaten van de micro-cantilever beam met vooraf ingestelde scheuren. De twee krommen tonen een voorbeeld van de in situ mechanica experimentele resultaten van een micro-cantilever bundel met vooraf ingestelde scheuren. (A) Verplaatsingstijdcurve, (B) spanning-rekcurve. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Berekening op basis van theoretische kennis. De relatie tussen de lengte-diameterverhouding van metaalglas dat in het matrijsgat stroomt en de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: De waarschuwing geeft aan dat een verkeerde bewerking de scope heeft beschadigd. Gebruikers kunnen op de knop klikken om de SEM-detector omhoog / omlaag te brengen. Als ze echter te veel stijgen, wordt de SEM-detector beschadigd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: De e-notebook voor de online registratie voor het gebruik van een chemische stof. Vóór het corrosieproces moet de gebruiker het registreren in het notitieboek, wat hetzelfde is als de procedure in het fysieke laboratorium. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| LEGITIMATIEBEWIJS | Type examenvraag | Details van de vraag | Zorg voor keuzes |
| 1 | Invulvraag | In dit experiment werd __ -oplossing gebruikt om de siliciumwafer te corroderen. | Geen |
| 2 | MCQ met één antwoord | Wanneer de hoge temperatuur universele kruiptestmachine wordt gebruikt voor het experiment, welke van de volgende materialen kan dan als Newtoniaanse vloeistof worden beschouwd? | Een. Conventioneel metaal |
| B. Amorfe legering | |||
| 3 | MCQ met één antwoord | Als een monster naar schatting bestand is tegen de maximale kracht van 60mN, kies dan in de bereikselectie InForce 50 of InForce 1000? | Een. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | Multi-antwoord MCQ | Nanoindenter kan worden gebruikt om te meten? | Een. Hardheid |
| B. Elasticiteitsmodulus | |||
| C. Taaiheid van breuken | |||
| D. Visco-elasticiteit | |||
| 5 | MCQ met één antwoord | SEM is een afkorting voor | Een. Optische microscoop |
| B. Scanning elektronenmicroscopie | |||
| C. Transmissie-elektronenmicroscopie |
Tabel 1: Vraagvoorbeelden voor de online examenoefening na het experiment. Gebruikers moeten verschillende soorten vragen invullen, zodat ze systematisch het hele proces van het experiment kunnen bekijken en de theorie met het experiment kunnen verbinden.
| Jaar | Aantal studenten | Gemiddelde voltooiingstijd | Standaardafwijking van de voltooiingstijd | Gemiddelde score |
| 2021 | 58 | 71 min en 46 s | 11 min en 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min en 3 s | 11 min en 15,4 s | 80.21 |
Tabel 2: De resultaten van experimenten in verschillende jaren. Studenten met een technische mechanica-achtergrond voltooiden de experimenten in twee verschillende academische jaren.
| Groeps-ID | Aantal studenten | Gemiddelde score | Standaarddeviatie van de score |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabel 3: De online examenresultaten (met een totaalscore van 10) voor studenten zonder (Groep 1) en met (Groep 2) de virtuele interface ervaring. Studenten met een technische mechanica-achtergrond werden in 2022 in twee groepen verdeeld om de efficiëntie van het protocol aan te tonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een van de voordelen van virtuele simulatie-experimenten is dat ze gebruikers in staat stellen om de experimenten uit te voeren zonder zich zorgen te maken over het beschadigen van het fysieke systeem of het veroorzaken van schade aan zichzelf11. Gebruikers kunnen dus alle bewerkingen uitvoeren, inclusief correcte of verkeerde bewerkingen. Het systeem geeft de gebruiker echter een waarschuwingsbericht dat is geïntegreerd in het interactieve experiment om hen te begeleiden bij het correct uitvoeren van de experimenten wanneer een verkeerde bewerking wordt uitgevoerd. Op deze manier kunnen gebruikers de juiste bewerkingen leren. Wanneer een gebruiker bijvoorbeeld bewerkingen uitvoert op de SEM, zoals weergegeven in figuur 9, kan hij de SEM-detector te veel nivelleren en per ongeluk beschadigen.
Net als bij hands-on experimenten in fysieke laboratoria, moeten gebruikers die virtuele experimenten uitvoeren ook de juiste procedures volgen, wat mogelijk hun experimenten en veiligheidsbewustzijn kan verbeteren. Zoals bijvoorbeeld geïllustreerd in figuur 10, moet de gebruiker zich bij het bereiden van een KOH-oplossing voor het corrosieproces van het monster tot een metallografisch monster registreren in een notitieboek voordat hij de chemische stof gebruikt.
Hoewel dit systeem een complexe en uitgebreide virtuele omgeving biedt voor materiaalvervorming en faalexperimenten, is de belangrijkste beperking dat het momenteel gebruikersaanpassingen mist. Gebruikers volgen de stappen om experimenten uit te voeren en ze hebben zelden de kans om hun ideeën te implementeren. Het systeem kan echter worden verbeterd om studenten meer vrijheid te geven om hun ideeën te implementeren en hun eigen ontwerpen en implementaties te maken.
Driedimensionale virtuele simulatie is het afgelopen decennium een belangrijk onderwerp geweest over de hele wereld in termen van het bieden van meeslepende interfaces voor betrokkenheid en leren12,13. Studies met betrekking tot virtuele simulatie zijn uitgevoerd in verschillende disciplines, zoals in de regeltechniek14 voor veiligheidsoverwegingen15 en in de chemische technologie voor productiepraktijk16. In de discipline materialen en mechanica kan het systeem worden gebruikt voor de training van studenten met betrekking tot experimentele protocollen, het gebruik van apparatuur en de verificatie van theoretische kennis. Met betrekking tot bestaande methoden is de voorgestelde virtuele simulatiebenadering op elk moment en vanaf elke locatie toegankelijk voor gebruikers, zolang internet en een webbrowser beschikbaar zijn, wat betekent dat deze aanpak kosteneffectief en zeer efficiënt is. Door zeven verschillende soorten dure apparatuur te bieden, stelt het online systeem gebruikers in staat om hun activiteiten en laboratoriumvaardigheden herhaaldelijk te verbeteren in dit enkele online systeem.
Het systeem kan worden gebruikt in combinatie met traditioneel lesgeven en leren in toekomstige toepassingen van de techniek. Het systeem kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met hands-on experimenten. Studenten kunnen virtuele simulatie-experimenten uitvoeren voordat ze hands-on experimenten uitvoeren in conventionele laboratoria. In vergelijking met conventionele methoden is het systeem interactief en meeslepend. Naast de voordelen van traditioneel onderwijs, biedt virtueel simulatiegebaseerd experimenteel onderwijs een volledig scala aan hulpfuncties, die het vermogen van studenten kunnen oefenen om de kennis die ze hebben geleerd te gebruiken om praktische problemen op te lossen. Bovendien cultiveert dit type onderwijs ook de onderzoeksinteresses en het gevoel voor innovatie van studenten door hen te trainen om de testtechnieken, methoden en principes van geavanceerde mechanische experimenten op micro- en nanoschaal onder de knie te krijgen en helpt het studenten effectief hun professionele en uitgebreide kwaliteiten te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd mede mogelijk gemaakt door de Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant 2042022kf1059; de Nature Science Foundation van de provincie Hubei onder Grant 2022CFB757; de China Postdoctoral Science Foundation onder Grant 2022TQ0244; de Wuhan University Experiment Technology Project Funding onder Grant WHU-2021-SYJS-11; de provinciale onderwijs- en onderzoeksprojecten in de hogescholen en universiteiten van de provincie Hubei in 2021 onder Grant 2021038; en het provinciale laboratoriumonderzoeksproject in de hogescholen en universiteiten van de provincie Hubei onder subsidie HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
- Chong, K. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
