Method Article

力学虚拟仿真实验:基于扫描电镜的材料变形与失效

DOI:

10.3791/64521

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January 20th, 2023

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1School of Civil Engineering, Wuhan University, 2Department of Artificial Intelligence and Automation, Wuhan University

In This Article

Summary

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本工作提出了一个三维的材料变形和破坏虚拟模拟实验，提供了可视化的实验过程。通过一系列实验，用户可以在沉浸式和互动的学习环境中熟悉设备并学习操作。

Abstract

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这项工作提出了一套全面的虚拟实验来检测材料变形和失效。力学和材料学科中最常用的设备，如金相切割机和高温万能蠕变试验机，被集成到一个基于网络的系统中，在沉浸式和互动的学习环境中为用户提供不同的实验服务。这项工作中的协议分为五个小节，即材料的制备，试样成型，试样表征，试样加载，纳米压痕仪安装和SEM 原位 实验，该协议旨在为用户提供有关识别不同设备和相应操作的机会，以及增强实验室意识， 等，使用虚拟模拟方法。为了给实验提供明确的指导，系统会突出显示下一步要使用的设备/标本，并用显眼的箭头标记通往设备的路径。为了尽可能模拟动手实验，我们设计并开发了三维实验室、设备、操作和实验程序。此外，虚拟系统还考虑在实验过程中使用化学品之前的交互式练习和注册。还允许不正确的操作，从而导致通知用户的警告消息。该系统可以为不同层次的用户提供交互式和可视化的实验。

Introduction

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力学是工程学的基础学科之一，突出了对数学力学基础和理论知识的重视，注重培养学生的实践能力。随着现代科学技术的快速发展，纳米科学技术对人类生活和经济产生了巨大的影响。美国国家科学基金会（NSF）前主任丽塔·科尔威尔（Rita Colwell）在2002年宣布，纳米技术将产生与工业革命1相当的影响，并指出纳米技术确实是通往新世界的门户2。材料在纳米尺度上的力学性能是发展高科技应用的最基本和必要的因素之一，例如纳米器件3，4，5。材料在纳米尺度上的力学行为和应力作用下的结构演化已成为当前纳米力学研究的重要课题。

近年来，纳米压痕技术、电子显微镜技术、扫描探针显微镜等的发展和改进，使"原位 力学"实验成为纳米力学研究中重要的先进测试技术6，7。显然，从教学和科学研究的角度出发，有必要在力学实验的传统教学内容中引入前沿实验技术。

然而，微观力学的实验与宏观基础力学实验有显著的不同。一方面，尽管相关仪器设备已在几乎所有高....

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Protocol

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本文对微悬臂梁裂纹断裂实验的程序进行了如下讨论 ，http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd 免费开放。所有步骤均在基于虚拟仿真方法的在线系统中进行。本研究不需要机构审查委员会的批准。获得了参与这项研究的学生志愿者的同意。

1. 访问系统并进入界面

  1. 打开 Web 浏览器，然后输入 URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd 以访问系统。
    注意:提供的 URL 可以通过主流 Web 浏览器访问，无需用户名和密码。
  2. 使用垂直滚动条查找虚拟模拟界面。
    注: 虚拟场景嵌入到 Web 中。
  3. 点击 全屏 右下角的图标以启用 全屏 界面。
  4. 单击"开始 实验 "按钮开始。
  5. 单击" 输入 "按钮以遵循初学者指南，或单击 "跳过"按钮跳过 此步骤。
    注意:用户可以选择跟随（输入 按钮）或跳过（跳过 按钮）。初学者指南提供了整个系统的描述。该界面还突出显示了用于执行预期操作或设备的逐步操作说明。 图1....

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Results

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系统为用户的操作提供了明确的指导。首先，当用户进入系统时，集成了初学者级别的培训。其次，突出显示用于下一步操作的设备和实验室。

该系统可用于不同水平学生的几种不同的教育目的。例如，图1包括机械和材料学科中最常用的七种设备类型，即金相切割机，高温万能蠕变试验机，金相试样镶嵌机，抛光机，光学显微镜， SEM以及微米和纳米力学测试系统。在初学者指南中，用户可以了解实验中使用的所有设备的描述。然后，将所有设备一一使用完成实验。学生可以选择设备进行重复实验，直到掌握操作技能。

图3和图4还表明，该系统可以结合实验操作来增强实验方案的设计，从而提供即时验证。在图3中，用户应选择将试样放置在正确的方向以创建模制试样。图

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Discussion

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虚拟模拟实验的优点之一是，它们允许用户进行实验，而不必担心损坏物理系统或对自己造成任何伤害11。因此，用户可以进行任何操作，包括正确或错误的操作。但是，系统会向用户发出警告消息，该警告消息已集成到交互式实验中，以指导他们在进行错误操作时正确进行实验。通过这种方式，用户可以学习正确的操作。例如，当用户在SEM上进行操作时，如图 9所示，他们可能会过度调平SEM检测器并意外损坏它。

与物理实验室的动手实验类似，进行虚拟实验的用户也应遵循正确的程序，这可能会增强他们的实验和安全意识。例如，如图 10所示，在制备用于将试样腐蚀成金相试样的KOH溶液时，用户应在使用该化学品之前在笔记本中注册。

尽管该系统为材料变形和失效实验提供了复杂而全面的虚拟环境，但主要限制是它目前缺乏用户自定义。用户按照步骤进行实验，他们很少有机会实现他们的想法。但是，该系统可以改进，为学生提供更多.......

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Disclosures

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作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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这项工作部分得到了中央高校基础研究基金2042022kf1059的支持;湖北省自然科学基金，资助2022CFB757;中国博士后科学基金，资助2022TQ0244;武汉大学实验技术项目资助WHU-2021-SYJS-11;2021年湖北省高校省级教研项目2021038;以及HBSY2021-01资助的湖北省高校省级实验室研究项目。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
虚拟接口无无http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
  3. L....

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