Summary
Dette arbeidet presenterer et tredimensjonalt virtuelt simuleringseksperiment for materialdeformasjon og svikt som gir visualiserte eksperimentelle prosesser. Gjennom et sett med eksperimenter kan brukerne bli kjent med utstyret og lære operasjonene i et oppslukende og interaktivt læringsmiljø.
Abstract
Dette arbeidet presenterer et sett med omfattende virtuelle eksperimenter for å oppdage materialdeformasjon og feil. De mest brukte utstyrsdelene i mekanikk og materialdisipliner, for eksempel en metallografisk skjæremaskin og en høytemperatur universell krypetestmaskin, er integrert i et nettbasert system for å gi ulike eksperimentelle tjenester til brukere i et nedsenkende og interaktivt læringsmiljø. Protokollen i dette arbeidet er delt inn i fem underavsnitt, nemlig utarbeidelse av materialene, støping av prøven, prøvekarakterisering, prøvebelastning, nanoindenterinstallasjon og SEM in situ-eksperimenter , og denne protokollen tar sikte på å gi en mulighet for brukere angående anerkjennelse av forskjellig utstyr og tilhørende operasjoner, samt forbedring av laboratoriebevissthet, etc., ved hjelp av en virtuell simuleringstilnærming. For å gi klar veiledning for eksperimentet, fremhever systemet utstyret / prøven som skal brukes i neste trinn og markerer banen som fører til utstyret med en iøynefallende pil. For å etterligne det praktiske eksperimentet så nært som mulig, designet og utviklet vi et tredimensjonalt laboratorierom, utstyr, operasjoner og eksperimentelle prosedyrer. Videre vurderer det virtuelle systemet også interaktive øvelser og registrering før bruk av kjemikalier under forsøket. Feil operasjoner er også tillatt, noe som resulterer i en advarsel som informerer brukeren. Systemet kan gi interaktive og visualiserte eksperimenter til brukere på forskjellige nivåer.
Introduction
Mekanikk er en av de grunnleggende disipliner i ingeniørfag, som vist ved vekt på grunnlaget for matematisk mekanikk og teoretisk kunnskap og oppmerksomhet gitt til dyrking av elevenes praktiske evner. Med den raske utviklingen av moderne vitenskap og teknologi har nanovitenskap og teknologi hatt stor innvirkning på menneskeliv og økonomi. Rita Colwell, tidligere direktør for US National Science Foundation (NSF), erklærte i 2002 at nanoskala teknologi ville ha en innvirkning lik den industrielle revolusjonen1 og bemerket at nanoteknologi er virkelig en portal til en ny verden2. De mekaniske egenskapene til materialer på nanoskala er en av de mest grunnleggende og nødvendige faktorene for utvikling av høyteknologiske applikasjoner, for eksempel nano-enheter 3,4,5. Den mekaniske oppførselen til materialer på nanoskala og den strukturelle utviklingen under stress har blitt viktige problemer i dagens nanomekaniske forskning.
I de senere år har utvikling og forbedring av nanoindentasjonsteknologi, elektronmikroskopiteknologi, skanningsprobemikroskopi, etc., gjort "in situ mekanikk" eksperimenter en avansert testteknikk viktig i nanomekanikkforskning 6,7. Åpenbart, fra perspektivet til undervisning og vitenskapelig forskning, er det nødvendig å introdusere grenseeksperimentelle teknikker i det tradisjonelle undervisningsinnholdet om mekaniske eksperimenter.
Imidlertid er eksperimenter av mikroskopisk mekanikk vesentlig forskjellig fra makroskopiske grunnleggende mekanikkeksperimenter. På den ene siden, selv om de relevante instrumentene og utstyret har blitt popularisert på nesten alle høyskoler og universiteter, er antallet begrenset på grunn av høye priser og vedlikeholdskostnader. På kort sikt er det umulig å kjøpe nok utstyr til offline undervisning. Selv om det er økonomiske ressurser, er administrasjons- og vedlikeholdskostnadene for offline eksperimenter for høye, siden denne typen utstyr har høye presisjonsegenskaper.
På den annen side er in situ mekanikkeksperimenter som skanning elektronmikroskopi (SEM) svært omfattende, med høye operasjonelle krav og en ekstremt lang eksperimentell periode 8,9. Offline-eksperimenter krever at elevene er svært fokuserte i lang tid, og feiloperasjon kan skade instrumentet. Selv med svært dyktige individer krever et vellykket eksperiment noen dager å fullføre, fra å forberede kvalifiserte prøver til lasting av prøvene for in situ mekanikkeksperimenter. Derfor er effektiviteten av offline eksperimentell undervisning ekstremt lav.
For å løse de ovennevnte problemene kan virtuell simulering benyttes. Utviklingen av virtuell simuleringseksperimentundervisning kan adressere kostnadene og mengden flaskehals for in situ mekanikk eksperimentelt utstyr, og dermed tillate elevene å enkelt bruke ulike avanserte utstyr uten å skade høyteknologiske instrumenter. Simuleringseksperimentundervisning gjør det også mulig for studenter å få tilgang til den virtuelle simuleringseksperimentplattformen via internett når som helst og hvor som helst. Selv for noen rimelige instrumenter kan studentene bruke virtuelle instrumenter på forhånd for opplæring og praksis, noe som kan forbedre undervisningseffektiviteten.
Med tanke på tilgjengeligheten og tilgjengeligheten til nettbaserte systemer10, presenterer vi i dette arbeidet et nettbasert virtuelt simuleringseksperimentsystem som kan gi et sett med eksperimenter relatert til grunnleggende operasjoner i mekanikk og materialer, med fokus på in situ mekanikkeksperimentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
I dette arbeidet diskuteres prosedyrene for mikrocantilever strålebruddeksperimentet med sprekker som følger, som er åpen for fri tilgang via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Alle trinnene utføres i det elektroniske systemet basert på den virtuelle simuleringsmetoden. Godkjenning fra Institutional Review Board var ikke nødvendig for denne studien. Det ble innhentet samtykke fra de frivillige studentene som deltok i denne studien.
1. Få tilgang til systemet og gå inn i grensesnittet
- Åpne en nettleser, og skriv inn URL-adressen http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd for å få tilgang til systemet.
MERK: Den angitte URL-adressen kan nås via en vanlig nettleser uten brukernavn og passord. - Finn det virtuelle simuleringsgrensesnittet ved hjelp av det vertikale rullefeltet.
MERK: Den virtuelle scenen er innebygd i nettet. - Klikk på fullskjermikonet nederst til høyre for å aktivere et fullskjermgrensesnitt .
- Klikk på Start eksperiment-knappen for å starte.
- Klikk på Enter-knappen for å følge veiledningen for nybegynnere, eller klikk på Hopp over-knappen for å hoppe over dette trinnet.
MERK: Brukeren kan velge å følge (Enter-knappen ) eller hoppe over (Hopp over-knappen ). Veiledningen for nybegynnere gir beskrivelser av hele systemet. Grensesnittet fremhever også bruksanvisningene trinn for trinn for å utføre de tiltenkte operasjonene eller utstyret. Figur 1 viser utstyret som ble brukt i forsøket, inkludert syv typer utstyr i mekaniske og materielle disipliner. Nybegynnere anbefales å følge denne veiledningen.
2. Forberedelse av materialene
- Start eksperimentet etter å ha fullført opplæringen på nybegynnernivå. Følg instruksjonene på grensesnittet for å "gå" nær laboratoriebordet som inneholder silisiumskivene, gjennomgå forskjellene mellom silisiumskiver av normal type og sprekktype, og velg sprekkmalen.
MERK: Gå inn i eksperimentgrensesnittet, og utfør eksperimenter i henhold til den uthevede baneveiledningen. Den uthevede veiledningen gis gjennom hele prosessen for å gi klar veiledning for eksperimentering. - Velg et materiale fra listen over medfølgende materialer.
MERK: Den oppgitte materiallisten inkluderer gull, sølv, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polyeter-eter-keton (PEEK) og polymetylmetakrylat (PMMA). - Legg det valgte materialet på kutterklemmen med et klikk på det uthevede materialet. Klikk på den uthevede ON / OFF-knappen (på høyre side) for å slå på kutterklemmen, klikk på Hastighet-knappen (på venstre side), og still inn hastigheten på den metallografiske skjæremaskinen i et popup-grensesnitt.
MERK: Brukeren kan stille inn riktig hastighet som de ønsker. Når hastigheten er satt av brukeren, aktiveres kutterklemmen, og råstangen kuttes i tynne skiver. - Stable formen, metallplaten og omslagsarket sammen etter tur ved å klikke og dra det markerte objektet som veiledet i brukergrensesnittet.
NOTAT: Etter kutting av materialet, er dette monteringstrinnet nødvendig før nanostøping.
3. Støping av prøven
- Gå virtuelt til den universelle krypetestmaskinen med høy temperatur etter veiledningen vist i figur 2, og plasser de stablede prøvene virtuelt mellom plateklemmene til den universelle krypetestmaskinen.
MERK: Etter dette trinnet vil den virtuelle datamaskinen på venstre side av høytemperatur universell kryptestmaskin bli uthevet. - Klikk på den virtuelle datamaskinen, og sett testskjemaet på kontrolldatamaskinen til den universelle krypetestingsmaskinen.
MERK: Etter dette trinnet vil tilleggsutstyret til den universelle krypetestmaskinen for høy temperatur for oppvarming og vakuumpumping bli uthevet for å gi veiledning til brukeren. - Klikk på det uthevede varme- og vakuumpumpeutstyret, og slå på strømforsyningen. Åpne den virtuelle mekaniske pumpen og tilbakeslagsventilen i grensesnittet ved å klikke på de uthevede knappene.
MERK: Dette trinnet fullfører innstillingene for systemvakuumkontroll i vakuumkontrollsystemet til den universelle krypetestmaskinen. - Klikk på Clear-knappen på kontrollpanelet til den universelle kryptestmaskinen for å slette dataene. Klikk på Kjør-knappen på kontrollpanelet til den universelle kryptestmaskinen for å fullføre eksperimentet, som kopierer mønsteret på formen til metallplaten ved hjelp av parallellplatekompresjonsstøpemetoden.
MERK: Etter at støpeformen er fullført, fjern prøven, og lukk tilbakeingsventilen og den mekaniske pumpen, etc., på varme- og vakuumpumpeutstyret ved å klikke på knappene etter behov (i ekte oppvarmings- og vakuumpumpeutstyr kan omvendt rekkefølge føre til at molekylærpumpen brenner ut). - Klikk på den virtuelle datamaskinen igjen, og kontroller de eksperimentelle dataene på kontrolldatamaskinen til den universelle kryptestmaskinen.
- Åpne dekselplaten på metallografisk prøveinnleggsmaskin, og plasser prøven.
- Klikk på det markerte PMMA-pulveret for å helle det tilberedte pulveret, og klikk på den markerte formen for å plassere den på toppen av PMMA-pulveret.
- Klikk på det markerte håndhjulet for å justere posisjonen til formen, som automatisk dekker dekselplaten. Klikk på PÅ / AV-knappen for å slå på innleggsmaskinen. Ta ut PMMA-innlagt prøve etter avkjøling.
MERK: Den støpte prøven skal monteres på innleggsmaskinen i riktig retning, som vist i figur 3, der det termoplastiske materialet PMMA brukes i forsøket. Forsikre deg om at PMMA-pulveret smelter og fester seg til overflaten av prøven. Nederste venstre hjørne i figur 4 illustrerer riktig retning etter at brukeren har bekreftet valget vist i figur 3.
- Gå inn i rommet for polering og korrosjon etter traséveiledningen, som vist i figur 5. Finn den markerte poleringsmaskinen, og klikk på griperen på poleringsmaskinen for å montere den innlagte prøven på griperen. Still inn hastigheten for å male og polere prøven for å fjerne underlaget for støpt materiale.
NOTAT: Slip formen på den ene siden av formen til mønsteret på formen er eksponert.
4. Karakterisering av prøver
- Registrer deg i e-notatboken før du bruker et kjemikalie. Åpne det kjemiske oppbevaringsskapet, og ta ut den faste KOH- og acetonoppløsningen. Klikk på det uthevede begeret for å bruke acetonoppløsningen til å rengjøre prøven. Klikk på et annet markert beger og fast KOH for korrosjonsvæskepreparat for å fremstille en 10% KOH-løsning. Klikk på den uthevede KOH-løsningen og prøven for å korrodere prøven til en metallografisk prøve.
MERK: I dette eksperimentet, for å fjerne silisiumformen, fremstilles vanligvis en 6 mol / L KOH-løsning, prøven plasseres i preparatløsningen, og begeret som inneholder korrosjonsløsningen og prøven plasseres på en kokeplate for å varme opp for å akselerere korrosjonshastigheten. - Rengjør prøven etter fjerning av silisiumsubstratet, og kjør en karakterisert testing med den fremstilte prøven under et optisk mikroskop.
MERK: Husk å bestemme integriteten til prøven etter sliping og korrosjon.
5. Prøvelasting og nanoindenterinstallasjon
- Legg prøven på prøvetrinnet av nanoindenter. Velg kjegleinnrykket for å montere det på driveren til mikro- og nanomekanikktestsystemet. Klikk på den uthevede stasjonen for å koble den til nanoindenter.
NOTAT: "Pinnen" må settes inn i drivakselen når du installerer innrykket, og siden drivakselen er en slank stang, unngår låsen å skade drivakselen når du skrur indenteren med en gjenget ende inn i stasjonen.
6. SEM in situ eksperiment
- Klikk på Vent-knappen i SEM-kontrollprogramvaren etter at du har installert innrykket til nanoindenter og lastet prøven som beskrevet i 5.1.
- Åpne SEM-kammeret etter å ha brutt vakuumet, installer nanoindenter på SEM-prøvetrinnet, og koble ledningene (figur 6 viser et eksempel på tilkobling av en av ledningene).
- Åpne kontrollprogramvaren til nanoindenter, og velg Loaded Indenter Range > Velg Experimental Protocol > Start Controller > Init * (Sample Stage Initialization).
MERK: Posisjonsinitialiseringsprosessen til nanoindenterprøvetrinnet må utføres i den tilstand hvor SEM-hulrommet er åpent for å unngå initialiseringsprosessen av nanoindenterprøvetrinnet som treffer polen til SEM-elektronutløpsporten. - Lukk SEM-kammeret, og klikk på pumpeknappen på SEM-kontrollprogramvaren.
- Klikk på Opp eller Ned-knappen i SEM-kontrollprogramvaren for å justere posisjonen til prøvetrinnet slik at prøven som skal måles, faller inn i SEM-synsfeltet. Klikk på OK-knappen for å fikse posisjonen. Klikk på den markerte EHT-knappen for å slå på elektronpistolen. Klikk på Kamera-knappen , og bytt til observasjonsmodus for elektronmikroskopi.
MERK: Innrykket til nanoindenter bør styres i observasjonsmodus for gradvis å nærme seg prøven som skal måles. - Klikk på Kjør-knappen på kontrollprogramvaren til nanoindenter.
MERK: Under forsøket er det nødvendig å observere og registrere deformasjonsegenskapene og feilprosessen under prøvens lasteprosess og å åpne de opprinnelige dataene for eksperimentet i dataanalysevinduet etter at eksperimentet er fullført for plotting og eksport av dataene. - Klikk på Stopp-knappen på kontrollprogramvaren til nanoindenter for å avslutte eksperimentet.
MERK: Det virtuelle simuleringseksperimentet slutter her. Brukeren blir bedt om å fullføre den nettbaserte eksamensøvelsen i det virtuelle grensesnittet etter eksperimenteringen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Systemet gir tydelig veiledning for brukerens operasjoner. For det første integreres opplæring på nybegynnernivå når en bruker kommer inn i systemet. For det andre fremheves utstyret og laboratorierommet som skal brukes til neste trinns operasjon.
Systemet kan brukes til flere ulike pedagogiske formål for ulike nivåer av studenter. For eksempel inneholder figur 1 syv av de mest brukte utstyrstypene i mekaniske og materielle disipliner, nemlig metallografisk skjæremaskin, høytemperatur universell kryptestmaskin, metallografisk prøveinnleggsmaskin, poleringsmaskin, optisk mikroskop, SEM og mikro- og nanomekanikk testsystem. I veiledningen for nybegynnere kan brukeren lære om beskrivelsene av alt utstyret som brukes i forsøket. Deretter brukes alt utstyret en etter en for å fullføre eksperimentet. Studentene kan velge utstyr for repeterende eksperimenter til de mestrer driftsferdighetene.
Figur 3 og figur 4 viser også at systemet kan forbedre utformingen av det eksperimentelle skjemaet kombinert med eksperimentelle operasjoner, noe som kan gi umiddelbar validering. I figur 3 bør brukeren velge å plassere prøven i riktig retning for å lage et støpt eksemplar. Figur 4 viser grensesnittet for bruk av metallografisk prøveinnleggsmaskin, som også viser resultatene (som angitt nederst til venstre i figur 4) fra forrige trinn etter at brukeren har bekreftet valget, som vist i figur 3. Figur 7 illustrerer in situ-mekanikkens eksperimentelle resultater av mikroutkragestrålen med forhåndsinnstilte sprekker. Gjennom analysen av resultatene kan brukeren bestemme hvordan resultatene ble oppnådd.
Denne protokollen simulerer scenariet der studentene må evaluere belastningsstørrelsen og lastetiden til det reologiske eksperimentet til parallellplaten i henhold til forholdet mellom lengde og diameter på prøven som skal fremstilles. Eksperimentøren må analysere forholdet mellom lengde-til-diameter-forholdet mellom det viskøse væsken som strømmer inn i en sylindrisk hullform, trykket p 0 og tiden t med en diameter på d under virkningen av konstant trykk p 0. Dette forholdet er vist nedenfor:
hvor L er lengden, d er diameteren til den sylindriske hullformen, p0 er det konstante trykket, η er materialviskositeten, og t er lastetiden. Når p0, η og L / d er gitt, kan t beregnes. Hvis L/d dobles, blir lastetiden fire ganger større enn før. Figur 8 illustrerer forholdet mellom lengde-til-diameter-forholdet mellom metallglass som strømmer inn i formhullet og tid.
I virkelige eksperimenter ble det funnet at studentene ofte brukte en prøve-og-feile-tilnærming, det vil si kontinuerlig justering av laststørrelsen eller lastvarigheten til den nødvendige prøven endelig ble gjort. I denne protokollen er det gitt et interaktivt grensesnitt for å validere den teoretiske kunnskapen, og lastetiden bestemmes i henhold til de angitte parameterverdiene (materialviskositet, innledende prøvestørrelse og laststørrelse). Et veiledende spørsmål er gitt som følger: "Metallglass er en newtonsk væske med en viskositet på η = 107 Pa·s ved støpeeksperimentell temperatur. Væsken har ingen glidning ved formkontaktgrensen. Det er nødvendig å fremstille en sylindrisk prøve med et lengde-til-diameter-forhold på 5. Hvis eksperimentet kan bruke et stort trykk på 100 MPa, hvor lang skal lastetiden være? Hvis forholdet mellom lengde og diameter økes med 1x, hvor mange ganger øker lastetiden med? Studentene skal finne ut svarene, sette testopplegget deretter, og deretter gjennomføre sine eksperimenter.
Etter eksperimentet blir studentene bedt om å svare på noen få spørsmål av forskjellige typer, for eksempel utfyllingsspørsmål og enkeltsvar / flervalgsspørsmål (MCQ), som fokuserer på nøkkeltrinnene under det virtuelle simuleringseksperimentet for å forbedre deres teoretiske kunnskaper og eksperimentering. Tabell 1 viser spørsmålseksemplene for den nettbaserte eksamensoppgaven etter eksperimenteringen. Med integrerte øvelser kan brukerne systematisk gjennomgå hele prosessen med eksperimentet og koble teorien til eksperimenteringen.
Settet med eksperimenter som tilbys ved implementeringen av den foreslåtte virtuelle simuleringen, betyr at følgende visualiserte og interaktive kunnskapsforbedrede og ferdighetsforbedrede opplevelser kan gis: 1) et oppslukende virtuelt læringsmiljø der brukerne kan "gå" gjennom og forstå utformingen av laboratorierommene og detaljene til hvert utstyr; 2) operasjoner på ulike typiske utstyrsdeler i mekaniske og materielle disipliner for å mestre driftsferdigheter; 3) forbedring av sikkerhetsbevisstheten gjennom feiloperasjoner og advarsler; 4) repeterende eksperimenter og eksperimenter med kortere tid i stedet for varigheten av eksperimenter; 5) følge protokollen til konvensjonelle laboratorier så nært som mulig, slik at brukerne kan være kjent med prosedyrene og "dos" og "dos" selv i det virtuelle miljøet.
Konvensjonelt, på grunn av den begrensede mengden utstyr og okkupasjon av studenter til forskningsformål, har studenter sjelden muligheten til å gjennomføre eksperimenter med fysisk utstyr. Det virtuelle simuleringssystemet som integrerer ulike typer utstyr, kan bidra til å gi samtidig tilgjengelige og repeterbare eksperimenter for å forbedre laboratorieferdighetene. Etter distribusjonen ble det virtuelle systemet brukt høstsemesteret i studieårene 2020 og 2021 for studenter med ingeniørmekanikkbakgrunn. Tabell 2 viser resultatene av eksperimentet, som inkluderer gjennomsnittlig fullføringstid, standardavviket for fullføringstiden og gjennomsnittlig poengsum for de forskjellige årene. Gjennomsnittlig poengsum (100 totalt) beregnes ut fra evalueringen av eksperimentet (70%, evaluert av systemet) og laboratorierapporten på nettet (30%, evaluert av læreren). Resultatene viser at studentene i gjennomsnitt kan fullføre eksperimentet på ~ 73 min ved hjelp av en nettleser, noe som er tidseffektivt og verifiserer effektiviteten til det nettbaserte systemet basert på den virtuelle simuleringsmetoden. I 2022 gjennomførte vi en studie for å demonstrere effektiviteten av den foreslåtte protokollen. Studenter fra to klasser med ingeniørmekanikkbakgrunn (to klasser med samme lærer og samme klassemoduler, delt inn i to klasser av klassestørrelsesgrunner) ble delt inn i to grupper (en klasse for hver gruppe). Studentene fra gruppe 1 deltok på det fysiske laboratoriet for å lære den teoretiske kunnskapen og se operasjonene fra læreren, mens studentene fra gruppe 2 brukte det virtuelle grensesnittet som ble utviklet basert på det fysiske laboratoriet (inkludert oppsettet og utstyret) for eksperimentet. Tabell 3 viser online eksamensresultater (med en total score på 10) for studentene uten (Gruppe 1) og med (Gruppe 2) det virtuelle grensesnittet. Det kan konkluderes med at studentene med den virtuelle grensesnittopplevelsen presterte bedre enn de uten erfaring.
Figur 1: Det utviklede tredimensjonale utstyret som ble brukt under forsøkene. Det kan konkluderes med at gjennom dette virtuelle simuleringseksperimentet kan brukeren trenes til å bli kjent med det mest brukte utstyret i mekaniske og materielle disipliner. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Uthevet universell krypetestmaskin med høy temperatur i det virtuelle simuleringslaboratorierommet. Etter å ha fullført forrige trinn (kutting av prøven), genereres neste trinn automatisk, som enten fremhever maskinen (når maskinen er i nærheten) eller banen som fører til maskinen (når maskinen ikke er i nærheten). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Grensesnittet for valg av plasseringsretning for prøven. Brukeren bør velge riktig plasseringsretning for prøven for å fortsette med neste trinn. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Grensesnittet for bruk av metallografisk prøveinnleggsmaskin. Resultatene fra forrige trinn etter at brukeren har bekreftet valget (i figur 3), vises nederst til venstre. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Grensesnittet med uthevet traséveiledning. Brukeren blir veiledet til å gå inn i et rom for polering og korrosjon av prøven. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Kabling for SEM-maskinen. Brukeren må koble ledningene for å fortsette eksperimentet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: In situ mekanikk eksperimentelle prosessresultater av mikroutkragestrålen med forhåndsinnstilte sprekker. De to kurvene viser et eksempel på in situ mekanikk eksperimentelle resultater av amikro-cantilever stråle med forhåndsinnstilte sprekker. (A) Forskyvningstidskurve, (B) spenning-tøyningskurve. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Beregning basert på teoretisk kunnskap. Forholdet mellom lengde-til-diameter-forholdet mellom metallglass som strømmer inn i formhullet og tiden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Advarselen viser at en feil operasjon har skadet omfanget. Brukere kan klikke på knappen for å nivåere opp / ned SEM-detektoren. Men hvis de nivåer opp for mye, vil SEM-detektoren bli skadet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: E-notatboken for elektronisk registrering før bruk av et kjemikalie. Før korrosjonsprosessen må brukeren registrere den i notisboken, som er den samme som prosedyren i det fysiske laboratoriet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| ID | Spørsmålstype for eksamen | Spørsmål detaljer | Gi valg |
| 1 | Fyll ut det tomme spørsmålet | I dette forsøket ble __ løsning brukt til å korrodere silisiumskiven. | Ingen |
| 2 | MCQ med ett svar | Når den universelle krypetestmaskinen med høy temperatur brukes til eksperimentet, hvilket av følgende materialer kan betraktes som newtonsk væske? | En. Konvensjonelt metall |
| B. Amorf legering | |||
| 3 | MCQ med ett svar | Hvis en prøve er estimert til å tåle den maksimale kraften på 60mN, velger du InForce 50 eller InForce 1000 i områdevalget? | En. Forsterkning 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | MCQ med flere svar | Nanoindenter kan brukes til å måle? | En. Hardhet |
| B. Modul av elastisitet | |||
| C. Brudd seighet | |||
| D. Viskoelastisitet | |||
| 5 | MCQ med ett svar | SEM er en forkortelse for | En. Optisk mikroskop |
| B. Skanning elektronmikroskopi | |||
| C. Transmisjonselektronmikroskopi |
Tabell 1: Spørsmålseksempler for den nettbaserte eksamensoppgaven etter eksperimenteringen. Brukere må fullføre ulike typer spørsmål slik at de systematisk kan gjennomgå hele prosessen med eksperimentet og koble teorien til eksperimenteringen.
| År | Antall studenter | Gjennomsnittlig fullføringstid | Standardavvik for fullføringstiden | Gjennomsnittlig poengsum |
| 2021 | 58 | 71 min og 46 s | 11 min og 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min og 3 s | 11 min og 15,4 s | 80.21 |
Tabell 2: Resultater av eksperimenter i ulike år. Studenter med ingeniørmekanikkbakgrunn fullførte forsøkene i to forskjellige akademiske år.
| Gruppe-ID | Antall studenter | Gjennomsnittlig poengsum | Standardavvik for poengsummen |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabell 3: Online eksamensresultater (med en totalscore på 10) for studenter uten (Gruppe 1) og med (Gruppe 2) det virtuelle grensesnittet. Studenter med ingeniørmekanikkbakgrunn ble delt inn i to grupper i 2022 for å demonstrere effektiviteten til protokollen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En av fordelene med virtuelle simuleringseksperimenter er at de tillater brukere å utføre eksperimentene uten bekymringer om å skade det fysiske systemet eller forårsake skade på seg selv11. Dermed kan brukere utføre alle operasjoner, inkludert enten riktige eller gale operasjoner. Systemet gir imidlertid brukeren en advarsel som er integrert i det interaktive eksperimentet for å veilede dem til å utføre eksperimentene riktig når en feil operasjon utføres. På denne måten kan brukerne lære de riktige operasjonene. For eksempel, når en bruker utfører operasjoner på SEM, som vist i figur 9, kan de utjevne SEM-detektoren for mye og skade den ved et uhell.
I likhet med praktiske eksperimenter i fysiske laboratorier, bør brukere som utfører virtuelle eksperimenter også følge riktige prosedyrer, noe som potensielt kan forbedre deres eksperimentering og sikkerhetsbevissthet. For eksempel, som illustrert i figur 10, når du forbereder en KOH-løsning for korrosjonsprosessen av prøven til en metallografisk prøve, bør brukeren registrere seg i en notisbok før kjemikaliet brukes.
Selv om dette systemet gir et komplekst og omfattende virtuelt miljø for materialdeformasjon og feileksperimentering, er hovedbegrensningen at det for øyeblikket mangler brukertilpasninger. Brukere følger trinnene for å gjennomføre eksperimenter, og de har sjelden en sjanse til å implementere ideene sine. Systemet kan imidlertid forbedres for å gi studentene mer frihet til å implementere ideene sine og lage sine egne design og implementeringer.
Tredimensjonal virtuell simulering har vært et viktig tema over hele verden det siste tiåret når det gjelder å gi oppslukende grensesnitt for engasjement og læring12,13. Studier vedrørende virtuell simulering har blitt utført i ulike disipliner, for eksempel i reguleringsteknikk14 for sikkerhetshensyn 15 og i kjemiteknikk for produksjonspraksis16. I material- og mekanikkdisiplinen kan systemet brukes til opplæring av studenter angående eksperimentelle protokoller, bruk av utstyr og verifisering av teoretisk kunnskap. Med hensyn til eksisterende metoder kan den foreslåtte virtuelle simuleringsmetoden nås av brukere når som helst fra hvor som helst så lenge internett og en nettleser er tilgjengelig, noe som betyr at denne tilnærmingen er kostnadseffektiv og svært effektiv. Ved å tilby syv forskjellige typer kostbart utstyr, tillater det elektroniske systemet brukere å gjentatte ganger forbedre sine operasjoner og laboratorieferdigheter i dette ene online systemet.
Systemet kan brukes i kombinasjon med tradisjonell undervisning og læring i fremtidige anvendelser av teknikken. For eksempel kan systemet kombineres med praktiske eksperimenter. Studentene kan gjennomføre virtuelle simuleringseksperimenter før de utfører praktiske eksperimenter i konvensjonelle laboratorier. Sammenlignet med konvensjonelle metoder er systemet interaktivt og oppslukende. I tillegg til fordelene ved tradisjonell utdanning, gir virtuell simuleringsbasert eksperimentell undervisning et bredt spekter av hjelpefunksjoner, som kan utøve studentenes evne til å bruke kunnskapen de har lært til å løse praktiske problemer. I tillegg dyrker denne typen undervisning også studentenes forskningsinteresser og følelse av innovasjon ved å trene dem til å mestre testteknikker, metoder og prinsipper for avanserte mikro- og nanoskala mekaniske eksperimenter og effektivt hjelper elevene til å forbedre sine faglige og omfattende kvaliteter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble delvis støttet av Basic Research Funds for the Central Universities under Grant 2042022kf1059; Nature Science Foundation i Hubei-provinsen under Grant 2022CFB757; China Postdoctoral Science Foundation under Grant 2022TQ0244; Wuhan University Experiment Technology Project Funding under Grant WHU-2021-SYJS-11; de provinsielle undervisnings- og forskningsprosjektene i Hubei-provinsens høyskoler og universiteter i 2021 under Grant 2021038; og Provincial Laboratory Research Project i Hubei-provinsens høyskoler og universiteter under Grant 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).
