Name: ניסוי סימולציה וירטואלי של מכניקה: עיוות וכשל של חומרים על בסיס מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: חקור סימולציה וירטואלית תלת-ממדית לניתוח עיוות וכשל של חומרים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. שיטה זו מאפשרת לסטודנטים לתרגל פרוטוקולים ניסיוניים בסביבה בטוחה ולשפר מיומנויות מעבדה.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרנות המחקר הבסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות במסגרת מענק 2042022kf1059; הקרן למדעי הטבע של מחוז חוביי במסגרת מענק 2022CFB757; הקרן הסינית למדע פוסט-דוקטורט במסגרת מענק 2022TQ0244; מימון פרויקט טכנולוגיית הניסוי של אוניברסיטת ווהאן במסגרת מענק WHU-2021-SYJS-11; פרויקטי ההוראה והמחקר המחוזיים במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי בשנת 2021 תחת מענק 2021038; ופרויקט מחקר המעבדה המחוזית במכללות ובאוניברסיטאות של מחוז חוביי תחת מענק HBSY2021-01.

בעבודה זו, ההליכים של ניסוי שבר קרן microcantilever עם סדקים נדונים כדלקמן, אשר פתוח לגישה חופשית באמצעות http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. כל השלבים מתבצעים במערכת המקוונת על בסיס גישת הסימולציה הווירטואלית. לא נדרש אישור ועדת ביקורת מוסדית למחקר זה. ההסכמה התקבלה מהסטודנטים המתנדבים שהשתתפו במחקר זה.
1. גישה למערכת וכניסה לממשק
<ol><li>פתח דפדפן אינטרנט והזן את כתובת ה- URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd כדי לגשת למערכת. הערה: ניתן לגשת לכתובת ה-URL שסופקה דרך דפדפן אינטרנט רגיל ללא שם משתמש וסיסמה.</li>
	<li>מצא את ממשק הסימולציה הווירטואלית באמצעות פס הגלילה האנכי. הערה: הסצנה הווירטואלית מוטמעת באינטרנט.</li>
	<li>לחץ על סמל FullScreen בפינה השמאלית התחתונה כדי לאפשר ממשק מסך מלא.</li>
	<li>לחץ על התחל ניסוי כפתור כדי להתחיל.</li>
	<li>לחץ על כפתור Enter כדי לעקוב אחר ההדרכה למתחילים, או לחץ על כפתור דלג כדי לדלג על שלב זה. הערה: המשתמש יכול לבחור לעקוב (לחצן Enter ) או לדלג (לחצן דלג ). ההדרכה למתחילים מספקת תיאורים של המערכת כולה. הממשק גם מדגיש את הוראות הפעולה שלב אחר שלב לביצוע הפעולות או הציוד המיועד. איור 1 מראה את הציוד ששימש בניסוי, כולל שבעה סוגי ציוד בתחומי המכניקה והחומר. למתחילים מומלץ לעקוב אחר הדרכה זו.</li>
</ol>2. הכנת החומרים
<ol><li>התחל את הניסוי לאחר השלמת האימון ברמת מתחילים. עקוב אחר ההנחיות בממשק כדי "ללכת" קרוב לשולחן המעבדה המכיל את פרוסות הסיליקון, סקור את ההבדלים בין פרוסות הסיליקון מסוג רגיל לפלים מסוג סדק, ובחר את תבנית הסדק. הערה: היכנס לממשק הניסוי וערוך ניסויים בהתאם להנחיות המסלול המסומן. ההדרכה המודגשת ניתנת לאורך כל התהליך כדי להציע הנחיות ברורות לניסויים.</li>
	<li>בחר חומר מרשימת החומרים שסופקו. הערה: רשימת החומרים שסופקה כוללת זהב, כסף, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, פוליאתר-אתר-קטון (PEEK) ופולימתיל מתקרילט (PMMA).</li>
	<li>טען את החומר שנבחר על מהדק החותך בלחיצה על החומר המודגש. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי המודגש (בצד ימין) כדי להפעיל את מהדק החותך, לחץ על כפתור מהירות (בצד שמאל), והגדר את מהירות מכונת החיתוך המטלוגרפית בממשק מוקפץ. הערה: המשתמש יכול להגדיר מהירות מתאימה כרצונו. לאחר קביעת המהירות על ידי המשתמש, מהדק החותך יופעל, והבר הגולמי ייחתך לפרוסות דקות.</li>
	<li>ערם את התבנית, גיליון המתכת וגיליון השער יחד בתורו על-ידי לחיצה וגרירה של האובייקט המסומן בהתאם להנחיות בממשק המשתמש. הערה: לאחר חיתוך החומר, שלב הרכבה זה נחוץ לפני יציקת ננו-עובש.</li>
</ol>3. יציקת הדגימה
<ol><li>לכו וירטואלית אל מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה בהתאם להנחיות המוצגות באיור 2, והניחו למעשה את הדגימות המוערמות בין מהדקי הלוחות של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית. הערה: לאחר שלב זה, המחשב הווירטואלי בצד שמאל של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה יסומן.</li>
	<li>לחץ על המחשב הווירטואלי והגדר את ערכת הבדיקה במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית. הערה: לאחר שלב זה, ציוד העזר של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה לחימום ושאיבת ואקום יודגש כדי לספק הדרכה למשתמש.</li>
	<li>לחץ על ציוד חימום ושאיבת ואקום מודגש והפעל את ספק הכוח. פתח את המשאבה המכנית הווירטואלית ואת שסתום הגיבוי בממשק על ידי לחיצה על הכפתורים המודגשים. הערה: שלב זה משלים את הגדרות בקרת הוואקום של המערכת במערכת בקרת הוואקום של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.</li>
	<li>לחץ על נקה כפתור בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי לנקות את הנתונים. לחץ על כפתור הפעלה בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי להשלים את הניסוי, אשר מעתיק את התבנית על התבנית ליריעת המתכת באמצעות שיטת דחיסת לוחות מקבילים. הערה: לאחר השלמת יציקת התבנית, הסר את הדגימה, סגור את שסתום הגיבוי ואת המשאבה המכנית וכו' של ציוד החימום ושאיבת הוואקום על ידי לחיצה על הכפתורים בתורו כנדרש (בציוד חימום ואקום אמיתי, הסדר ההפוך עלול לגרום למשאבה המולקולרית להישרף).</li>
	<li>לחץ שוב על המחשב הווירטואלי ובדוק את נתוני הניסוי במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.</li>
	<li>פתח את לוחית הכיסוי במכונת שיבוץ הדגימה המטלוגרפית, והנח את הדגימה.<ol><li>לחץ על אבקת PMMA המודגשת כדי לשפוך את האבקה המוכנה, ולחץ על התבנית המודגשת כדי להניח אותה על גבי אבקת PMMA.</li>
		<li>לחץ על גלגל היד המודגש כדי להתאים את מיקום התבנית, אשר תכסה את צלחת הכיסוי באופן אוטומטי. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי כדי להפעיל את מכונת השיבוץ. הוציאו את הדגימה המשובצת PMMA לאחר הקירור. הערה: הדגימה המעוצבת צריכה להיות מותקנת על מכונת השיבוץ בכיוון הנכון, כפי שמוצג באיור 3, שבו החומר התרמופלסטי PMMA משמש בניסוי. ודא שאבקת PMMA נמסה ונדבקת לפני השטח של הדגימה. הפינה השמאלית התחתונה של איור 4 מדגימה את הכיוון הנכון לאחר שהמשתמש מאשר את הבחירה המוצגת באיור 3.</li>
	</ol></li>
	<li>היכנסו לחדר הליטוש והקורוזיה בעקבות הנחיית המסלול, כפי שמוצג באיור 5. מצא את מכונת הליטוש המודגשת, ולחץ על ידית האחיזה של מכונת הליטוש כדי להרכיב את הדגימה המשובצת על האחיזה. הגדר את מהירות הטחינה והליטוש של הדגימה כדי להסיר את מצע החומר היצוק. הערה: טוחנים את התבנית בצד אחד של התבנית עד לחשיפת התבנית שעל התבנית.</li>
</ol>4. אפיון דגימות
<ol><li>הירשם במחברת האלקטרונית לפני השימוש בכימיקל. פתחו את ארון האחסון הכימי והוציאו את תמיסת ה-KOH והאצטון המוצקים. לחץ על הכד המודגש כדי להשתמש בתמיסת אצטון כדי לנקות את הדגימה. לחץ על מודגשת נוספת ו- KOH מוצק להכנת נוזל קורוזיה להכנת תמיסת KOH 10%. לחץ על תמיסת KOH המודגשת ועל הדגימה כדי לכלות את הדגימה לדגימה מטלוגרפית. הערה: בניסוי זה, כדי להסיר את תבנית הסיליקון, מכינים בדרך כלל תמיסת 6 mol/L KOH, הדגימה ממוקמת בתמיסת ההכנה, והכוס המכילה את תמיסת הקורוזיה והדגימה מונחת על פלטה חמה כדי להתחמם כדי להאיץ את קצב הקורוזיה.</li>
	<li>נקו את הדגימה לאחר הסרת מצע הסיליקון, ובצעו בדיקה מאופיינת עם הדגימה המוכנה תחת מיקרוסקופ אופטי. הערה: זכור לקבוע את שלמות הדגימה לאחר השחיקה והקורוזיה.</li>
</ol>5. טעינת דגימות והתקנת ננו-אינדנטר
<ol><li>טען את הדגימה לשלב הדגימה של הננו-אינדנטר. בחר את indenter החרוט כדי להרכיב אותו על הנהג של מערכת הבדיקה מיקרו וננומכניקה. לחץ על הכונן המסומן כדי לחבר אותו עם nanoindenter. הערה: יש להכניס את ה- "PIN" לפיר הכונן בעת התקנת ה- indenter, ומכיוון שפיר הכונן הוא מוט דק, התפס נמנע מפגיעה בפיר הכונן בעת הברגת ה- indenter עם קצה מושחל לכונן.</li>
</ol>6. ניסוי SEM באתרו
<ol><li>לחץ על הלחצן Vent בתוכנת הבקרה SEM לאחר התקנת האינדנטור של הננו-indenter וטעינת הדגימה כמתואר ב-5.1.</li>
	<li>פתחו את תא ה-SEM לאחר שבירת הוואקום, התקינו את הננו-אינדנטר על שלב דגימת ה-SEM וחברו את החוטים (איור 6 מציג דוגמה לחיבור אחד החוטים).</li>
	<li>פתח את תוכנת הבקרה של nanoindenter, ובחר Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization). הערה: תהליך אתחול המיקום של שלב דגימת הננו-אינדנטר חייב להתבצע במצב שבו חלל ה-SEM פתוח כדי למנוע מתהליך האתחול של שלב דגימת הננו-אינדנטר לפגוע בקוטב של יציאת יציאת האלקטרונים של ה-SEM.</li>
	<li>סגור את תא ה- SEM ולחץ על כפתור המשאבה בתוכנת בקרת ה- SEM.</li>
	<li>לחץ על הלחצן למעלה או למטה בתוכנת בקרת SEM כדי להתאים את מיקום שלב הדגימה כך שהדגימה שתימדד תיפול לשדה הראייה של SEM. לחץ על בסדר כפתור כדי לתקן את המיקום. לחץ על כפתור EHT המודגש כדי להפעיל את אקדח האלקטרונים. לחץ על כפתור המצלמה ועבור למצב תצפית במיקרוסקופ אלקטרונים. הערה: יש לשלוט באינדנדר של הננו-אינדנדר במצב תצפית כדי להתקרב בהדרגה לדגימה שיש למדוד.</li>
	<li>לחץ על כפתור הפעלה על תוכנת הבקרה של nanoindenter. הערה: במהלך הניסוי יש צורך לצפות ולתעד את מאפייני העיוות ותהליך הכשל במהלך תהליך הטעינה של הדגימה ולפתוח את הנתונים המקוריים של הניסוי בחלון ניתוח הנתונים לאחר השלמת הניסוי לצורך תכנון וייצוא הנתונים.</li>
	<li>לחץ על הלחצן Stop בתוכנת הבקרה של nanoindenter כדי לסיים את הניסוי. הערה: ניסוי הסימולציה הווירטואלית מסתיים כאן. המשתמש מתבקש להשלים את תרגיל המבחן המקוון בממשק הווירטואלי לאחר הניסוי.</li>
</ol>

<ol><li>Chong, K. Nano mechanics/materials research. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChong%2C+K+%22Nanomechanics+of+Materials+and+Structures%22">Nanomechanics of Materials and Structures</a>. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).</li>
<li>Ratner, B. M., Ratner, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRatner%2C+BM+%22Nanotechnology%3A+A+Gentle+Introduction+to+the+Next+Big+Idea%22">Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea</a>. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).</li>
<li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precipitation+behavior+in+boundaries+and+its+influence+on+impact+toughness+in+22Cr25Ni3W3CuCoNbN+steel+during+short-term+ageing%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing.</a> Materials Science and Engineering A. 809, 140924(2021).</li>
<li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strengthening+mechanisms+and+creep+rupture+behavior+of+advanced+austenitic+heat+resistant+steel+SA-213+S31035+for+A-USC+power+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants.</a> Materials Science and Engineering A. 775, 138991(2020).</li>
<li>Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precipitate+evolution+during+the+aging+of+Super304H+steel+and+its+influence+on+impact+toughness%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness.</a> Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).</li>
<li>Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+SEM+cyclic+nanoindentation+of+pre-sintered+and+sintered+zirconia+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068(2022).</li>
<li>Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNautiyal%2C+P+%22In-situ+Mechanics+of+Materials%22">In-situ Mechanics of Materials</a>. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).</li>
<li>Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-temperature+mechanics+of+boron+nitride+nanotube+%26%2334%3BBuckypaper%26%2334%3B+for+engineering+advanced+structural+materials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Nano+Materials%22%5BJournal%5D)">High-temperature mechanics of boron nitride nanotube &#34;Buckypaper&#34; for engineering advanced structural materials.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).</li>
<li>Cao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlations+between+microstructure%2C+fracture+morphology%2C+and+fracture+toughness+of+nanocrystalline+Ni-W+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22Scripta+Materialia%22%5BJournal%5D)">Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys.</a> Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+web-based+digital+twin+thermal+power%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Informatics%22%5BJournal%5D)">Toward a web-based digital twin thermal power.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+virtual+simulation+to+digital+twins+in+online+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%222021+40th+Chinese+Control+Conference%22%5BJournal%5D)">From virtual simulation to digital twins in online laboratories.</a> 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).</li>
<li>Dede, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Immersive+interfaces+for+engagement+and+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Immersive interfaces for engagement and learning.</a> Science. 323 (5910), 66-69 (2009).</li>
<li>Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Training+effectiveness+evaluation+of+helicopter+emergency+relief+based+on+virtual+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> Journal of Visualized Experiments. (177), e63342(2021).</li>
<li>Galán, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58699(2019).</li>
<li>Ouyang, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Unity3D-based+interactive+three-dimensional+virtual+practice+platform+for+chemical+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Applications+in+Engineering+Education%22%5BJournal%5D)">A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering.</a> Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

אחד היתרונות של ניסויי סימולציה וירטואליים הוא שהם מאפשרים למשתמשים לבצע את הניסויים ללא חשש מפגיעה במערכת הפיזית או גרימת נזק לעצמם11. לפיכך, משתמשים יכולים לבצע כל פעולה, כולל פעולות נכונות או שגויות. עם זאת, המערכת נותנת למשתמש הודעת אזהרה המשולבת בניסוי האינטראקטיבי כדי להנחות אותו לבצע את הניסויים בצורה נכונה כאשר מתבצעת פעולה שגויה. בדרך זו, משתמשים יכולים ללמוד את הפעולות הנכונות. לדוגמה, כאשר משתמש מבצע פעולות ב-SEM, כפי שמוצג באיור 9, הוא עלול להגביר את גלאי ...

מכניקה היא אחת הדיסציפלינות הבסיסיות בהנדסה, כפי שמראה הדגש שהושם על יסודות המכניקה המתמטית והידע התיאורטי ותשומת הלב הניתנת לטיפוח היכולות המעשיות של התלמידים. עם ההתקדמות המהירה של המדע והטכנולוגיה המודרניים, לננו-מדע ולטכנולוגיה הייתה השפעה עצומה על חיי האדם והכלכלה. ריטה קולוול, לשעבר מנהלת הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (NSF), הצהירה בשנת 2002 כי לטכנולוגיה ננומטרית תהיה השפעה שווה לזו של המהפכה התעשייתית1 וציינה כי ננוטכנולוגיה היא באמת שער לעולם חדש2. התכונות המכניות של חומרים בקנה מידה ננומטרי הן אחד הגורמים הבסיסיים והנחוצים ביותר לפיתוח יישומי היי-טק, כגון ננו-התקנים 3,4,5. ההתנהגות המכנית של חומרים בקנה מידה ננומטרי והאבולוציה המבנית תחת לחץ הפכו לנושאים חשובים במחקר הננומכני הנוכחי.
בשנים האחרונות, הפיתוח והשיפור של טכנולוגיית ננו-הזחה, טכנולוגיית מיקרוסקופ אלקטרונים, מיקרוסקופ בדיקה סורק ועוד, הפכו את ניסויי "מכניקת באתרם" לטכניקת בדיקה מתקדמת החשובה במחקר ננומכניקה 6,7. כמובן, מנקודת המבט של הוראה ומחקר מדעי, יש צורך להכניס טכניקות ניסוי גבול לתוך תוכן ההוראה המסורתי לגבי ניסויים מכניים.
עם זאת, ניסויים במכניקה מיקרוסקופית שונים באופן משמעותי מניסויים במכניקה בסיסית מקרוסקופית. מצד אחד, למרות שהמכשירים והציוד הרלוונטיים זכו לפופולריות כמעט בכל המכללות והאוניברסיטאות, מספרם מוגבל בגלל המחיר הגבוה ועלות התחזוקה. בטווח הקצר, אי אפשר לרכוש מספיק ציוד להוראה לא מקוונת. גם אם יש משאבים כספיים, עלויות הניהול והתחזוקה של ניסויים לא מקוונים גבוהות מדי, שכן סוג זה של ציוד יש מאפיינים דיוק גבוה.
מצד שני, ניסויים במכניקה באתרם כגון מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) הם מקיפים מאוד, עם דרישות תפעוליות גבוהות ותקופת ניסוי ארוכה מאוד 8,9. ניסויים לא מקוונים דורשים מהתלמידים להיות ממוקדים מאוד במשך זמן רב, והפעלה שגויה עלולה להזיק למכשיר. אפילו עם אנשים מיומנים מאוד, ניסוי מוצלח דורש כמה ימים כדי להשלים, החל מהכנת דגימות מתאימות ועד העמסת הדגימות לניסויים מכניים באתרם. לכן, היעילות של הוראה ניסויית לא מקוונת היא נמוכה ביותר.
כדי לטפל בבעיות הנ"ל, ניתן להשתמש בסימולציה וירטואלית. פיתוח הוראת ניסויי סימולציה וירטואלית יכול לתת מענה לצוואר הבקבוק של העלות והכמות של ציוד ניסויי מכניקה באתרו , ובכך לאפשר לתלמידים להשתמש בקלות בפריטי ציוד מתקדמים שונים מבלי לפגוע במכשירים משוכללים. הוראת ניסוי סימולציה מאפשרת לתלמידים גם לגשת לפלטפורמת ניסוי הסימולציה הווירטואלית דרך האינטרנט בכל זמן ובכל מקום. אפילו עבור כמה מכשירים בעלות נמוכה, התלמידים יכולים להשתמש במכשירים וירטואליים מראש לאימון ולתרגול, מה שעשוי לשפר את יעילות ההוראה.
בהתחשב בנגישות ובזמינות של מערכות מבוססות אינטרנט10, בעבודה זו, אנו מציגים מערכת ניסויי סימולציה וירטואלית מבוססת אינטרנט שיכולה לספק סדרה של ניסויים הקשורים לפעולות בסיסיות במכניקה ובחומרים, עם דגש על ניסוי מכניקה באתר .

<table><tbody><tr><td>ממשק וירטואלי</td><td>ללא</td><td>אף אחד http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td><td></td></tr></tbody></table>

ניסוי סימולציה וירטואלי של מכניקה: עיוות וכשל של חומרים על בסיס מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy

עבודה זו מציגה סדרה של ניסויים וירטואליים מקיפים כדי לזהות עיוות וכישלון חומר. חלקי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומרים, כגון מכונת חיתוך מטלוגרפית ומכונת בדיקת זחילה אוניברסלית בטמפרטורה גבוהה, משולבים במערכת מבוססת אינטרנט כדי לספק שירותים ניסיוניים שונים למשתמשים בסביבת למידה אימרסיבית ואינטראקטיבית. הפרוטוקול בעבודה זו מחולק לחמישה תתי סעיפים, דהיינו, הכנת החומרים, יציקת הדגימה, אפיון הדגימה, העמסת דגימות, התקנת ננו-אינדנטר וניסויי SEM באתרם , ופרוטוקול זה נועד לספק הזדמנות למשתמשים לגבי זיהוי ציוד שונה והפעולות המתאימות, כמו גם שיפור המודעות למעבדה, וכו', בגישת סימולציה וירטואלית. כדי לספק הנחיות ברורות לניסוי, המערכת מדגישה את הציוד/הדגימה שישמשו בשלב הבא ומסמנת את המסלול המוביל לציוד בחץ בולט. כדי לחקות את הניסוי המעשי ככל האפשר, תכננו ופיתחנו חדר מעבדה תלת ממדי, ציוד, פעולות ונהלי ניסוי. יתר על כן, המערכת הווירטואלית שוקלת גם תרגילים אינטראקטיביים ורישום לפני השימוש בכימיקלים במהלך הניסוי. פעולות שגויות מותרות גם, וכתוצאה מכך הודעת אזהרה ליידע את המשתמש. המערכת יכולה לספק ניסויים אינטראקטיביים וויזואליים למשתמשים ברמות שונות.

המערכת מספקת הדרכה ברורה לפעולות המשתמש. ראשית, הדרכה ברמת מתחילים משולבת כאשר משתמש נכנס למערכת. שנית, הציוד וחדר המעבדה שישמשו לפעולה בשלב הבא מודגשים.
המערכת יכולה לשמש למספר מטרות חינוכיות שונות עבור רמות שונות של תלמידים. לדוגמה, איור 1 כולל שבעה מסוגי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומר, כלומר מכונת חיתוך מטלוגרפית, מכונה אוניברסלית לבדיקת זחילה בטמפרטורה גבוהה, מכונת שיבוץ דגימות מטלוגרפיות, מכונת ליטוש, מיקרוסקופ אופטי, SEM ומערכת ב...

עבודה זו מציגה ניסוי סימולציה וירטואלית תלת מימדית לעיוות וכשל חומרי, המספק תהליכי ניסוי חזותיים. באמצעות סדרה של ניסויים, משתמשים יכולים להכיר את הציוד וללמוד את הפעולות בסביבת למידה immersive ואינטראקטיבי.

This work presents a set of comprehensive virtual experiments to detect material deformation and failure. The most commonly used pieces of equipment in ...

המערכת יכולה לשמש כדי להדריך את התלמידים שלנו בפרוטוקולים ניסיוניים, שימוש בציוד, ואת האימות התיאורטי, המאפשר להם שוב ושוב לשפר את פעילותם ואת מיומנויות המעבדה. ניתן לבצע ניסויי סימולציה וירטואליים תלת מימדיים כדי לאתר את העיוות החומרי ואת הכשל מבלי לחשוש מפגיעה במערכת הפיזית או פגיעה בעצמם. לאחר הגישה והכניסה לממשק, עקוב אחר ההנחיות המסופקות בתמונה כדי להגיע כמעט למכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה, והנח את דגימות המחסנית בין מהדקי הלוחות של המכונה.לאחר שהמחשב הווירטואלי בצד שמאל של מכונת הבדיקה מודגש, לחץ על המחשב הווירטואלי והגדר את ערכת הבדיקה במחשב הבקרה של המכונה. לאחר מכן לחץ על ציוד החימום ושאיבת הוואקום המודגש והפעל את ספק הכוח. פתח את המשאבה המכנית הווירטואלית ושסתום הגיבוי בממשק על ידי לחיצה על הלחצנים המודגשים המתאימים כדי להשלים את הגדרות בקרת הוואקום של המערכת.בלוח הבקרה במכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית, לחץ על כפתור הניקוי כדי לנקות את הנתונים, ולאחר מכן לחץ על לחצן ההפעלה כדי להשלים את הניסוי של העתקת התבנית על התבנית ליריעת המתכת באמצעות שיטת דחיסת לוחות מקבילים. לאחר השלמת יציקת התבנית, לחץ שוב על המחשב הווירטואלי ובדוק את נתוני הניסוי במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית. פתח את לוחית הכיסוי במכונת שיבוץ הדגימה המטלוגרפית, והנח את הדגימה.כדי לשפוך את האבקה המוכנה, לחץ על פולימתיל methacrylate מודגש, או אבקת PMMA. לאחר מכן לחץ על התבנית המודגשת כדי להניח אותה על גבי אבקת PMMA. לאחר מכן, לחץ על גלגל היד המודגש והתאם את מיקום התבנית כדי לכסות את צלחת הכיסוי באופן אוטומטי.לחץ על לחצן הפעלה, כיבוי כדי להפעיל את מכונת השיבוץ. הוציאו את דגימת ה-PMMA המשובצת לאחר הקירור. היכנסו לחדר לליטוש וקורוזיה בהתאם להנחיית המסלול המוצגת בתמונה.מצא את מכונת הליטוש המסומנת ולחץ על ידית האחיזה של המכונה כדי להרכיב את הדגימה המשובצת על האחיזה. הגדר את מהירות הטחינה והליטוש של הדגימה על ידי הסרת מצע החומר היצוק. טוחנים את התבנית בצד אחד עד לחשיפת התבנית שעל התבנית.לביצוע אפיון הדגימה, פתחו כמעט לחלוטין את ארון האחסון הכימי והוציאו את האשלגן הידרוקסיד המוצק. לחץ על הכד המודגש ואשלגן הידרוקסיד מוצק להכנת נוזל קורוזיה להכנת תמיסת אשלגן הידרוקסיד 10%. בחר את תמיסת אשלגן הידרוקסיד המודגשת ואת הדגימה כדי לכלות את הסולם לדגימה מטלוגרפית.לאחר מכן, נקו את הדגימה לאחר הסרת מצע הסיליקון ובצעו בדיקה מאופיינת עם דגימה מוכנה תחת מיקרוסקופ אופטי. טען את הדגימה על שלב הדגימה של הננו-אינדנטר ובחר את החרוט והאינדנטר כדי להרכיב אותו על מנהל ההתקן של מערכת הבדיקה מיקרו וננו-מכניקה. לחץ על הכונן המסומן כדי לחבר אותו עם nanoindenter.לאחר התקנת הננו-indenter וטעינת הדגימה בתוכנת בקרת SEM, לחץ על לחצן האוורור. פתח את תא ה- SEM לאחר שבירת הוואקום, התקן את ה- nanoindenter על שלב דגימת ה- SEM וחבר את החוטים כפי שמוצג בתמונה. לאחר מכן פתח את תוכנת הבקרה של הננו-indenter, ובחר ברצף טווח indenter נטען.בחר פרוטוקול ניסיוני. הפעל בקר והיכנס כדי להתחיל את אתחול שלב הדגימה. לאחר האתחול, סגור את תא ה- SEM ולחץ על כפתור המשאבה בתוכנת בקרת ה- SEM.לאחר מכן, לחץ על כפתור למעלה או למטה בתוכנת בקרת SEM כדי להתאים את מיקום שלב הדגימה לאורך שדה הראייה של SEM. תקן את המיקום על ידי לחיצה על בסדר לחצן. הפעל את אקדח האלקטרונים על ידי בחירה בלחצן EHT המסומן.עבור למצב תצפית במיקרוסקופ אלקטרונים על ידי בחירת לחצן המצלמה. לבסוף, לחץ על הפעל בתוכנת הבקרה nanoindenter. כדי לסיים את הניסוי, לחץ על כפתור העצירה בתוכנת הבקרה של הננו-אינדנטר.המערכת שיפרה את תכנון ערכת הניסוי על ידי שילובה עם הפעולות, וסיפקה אימות מיידי. לדוגמה, כאשר המשתמש בחר את כיוון המיקום של הדגימה, הממשק לשימוש במכונת שיבוץ הדגימה המטלוגרפית הראה את התוצאות. באופן דומה, על ידי ניתוח זמן התזוזה ועקומות מאמץ כתוצאה מניסוי של מכונאי פנימי של קרן מיקרו עם סדקים קיימים, המשתמש יכול לקבוע כיצד התוצאות התקבלו.בתרחיש המדומה, התלמידים היו צריכים להעריך את גודל העומס וזמן הטעינה על פי יחס אורך לקוטר של הדגימה שיש להכין לפני ביצוע ניסוי ראולוגי, במקום גישת הניסוי והטעייה הנפוצה. יתר על כן, עם תרגול משולב לאחר הניסויים, המשתמשים יכלו לסקור באופן שיטתי את כל תהליך הניסוי ולחבר את התיאוריה עם הניסוי. באמצעות סימולציה וירטואלית מבוססת אינטרנט, התלמידים בממוצע השלימו את הניסוי בתוך כ -73 דקות, אימות היעילות של הגישה.תוצאות המבחנים המקוונים של שתי קבוצות של סטודנטים למכונאות הנדסית הראו כי אלה עם חוויית הממשק הווירטואלי הפגינו ביצועים טובים יותר מאלה ללא, מה שממחיש עוד יותר את יעילות הגישה. זה יש ללמד את התלמידים עניין המחקר ואת תחושת החדשנות על ידי הכשרתם לשלוט בטכניקות בדיקה, שיטה, ועקרונות של ניסויים מכניים מתקדמים מיקרו ננו מיומנות.

a-virtual-simulation-experiment-mechanics-material-deformation

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

יושמה מערכת חישובית חדשה הכוללת סימולציה של דינמיקה מולקולרית מואצת GPU והדמיה, ניתוח ומניפולציה של ננו-מבנים בתלת מימד/VR, המייצגת גישה חדשה לקידום מחקר חומרים ולקידום חקירה חדשנית ושיטות חלופיות ללמידה על מבני חומרים עם ממדים בלתי נראים לעין האנושית.

רומן 3D / VR הסביבה אינטראקטיבית לMD סימולציות, ויזואליזציה וניתוח

המחקר הנוכחי קובע מתודולוגיה סימולציה אלמנט ניסוי-סופי בשילוב להשיג את התגובה המכנית הדינמית uniaxial של ביו-חומרים רכים (מוח, כבד, גיד, שומן, וכו '). תוצאות ניסוי multiaxial שהתעוררו בגלל הדגימה בולטת שהתקבלו מבדיקות בר לחץ הפיצול-הופקינסון שניתנו להתנהגות מתח מתח אמיתית uniaxial כאשר מדומה באמצעות אופטימיזציה איטרטיבי של ניתוח האלמנטים הסופי של החומר הביולוגי.

ניסוי-סופי יחד אלמנט דוגמנות מתודולוגיה להערכת הזנים שיעור גבוהים מכאנית תגובה של Biomaterials רך

אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.

עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

ניתן לקבוע את התכונות האופטיות, החשמליות והמבניות של נקעים ושל גבולות גרגרים בחומרים מוליכים למחצה על ידי ניסויים המבוצעים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק. מיקרוסקופ אלקטרונים שימש לחקירת קתודולומינסנציה, זרם המושרה על ידי קרן אלקטרונים ועקיפה של אלקטרונים מפוזרים לאחור.

אפיון מקיף של פגמים מורחבים סמיקונדקטור חומרים על ידי מיקרוסקופ סורק האלקטרוני

בידוד תופעות חשמליות ותרמיות על דפורמציה בסיוע חשמלי (EAD) הוא מאוד קשה באמצעות דגימות macroscopic. Metallic מדגם מיקרו ננו יחד עם נוהל בדיקה מותאמת אישית פותחו כדי להעריך את ההשפעה של הנוכחי להחיל על היווצרות ללא חימום ג 'אול ואבולוציה של נקעים על דגימות אלה.

שיטה חדשה עבור<em&gt; באתרו</em&gt; אפיון אלקטרומכני של דגימות ננומטריות

עייפות microstructurally קטן קראק צמיחה התנהגות ייחקר באמצעות גישה מוזרה מתודולוגיים המשלבים קראק צמיחה קצב המדידה זן-שדה וניתוח כדי לחשוף את השדה דפורמציה המצטבר תבואה תת רמה.

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

הפרוטוקול מתאר הליכים לרכישת טומוגרפיה מרחבית ברזולוציה גבוהה (CT) של אדמה גרעינית במהלך דחיסת טריצירית, ולהחיל טכניקות עיבוד תמונה לתמונות CT אלה כדי לחקור את ההתנהגות המכנית של התבואה הקרקע תחת טעינה.

ויזואליזציה של כישלון והתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרעיניות תחת הטיה באמצעות סינכרוטרון X-Ray מיקרו טומוגרפיה

הפרוטוקול מאפשר למדוד את העיוות של מיקרו-מבנה העצם בכל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית ואת הקשיחות שלה על ידי שילוב של סריקת מיקרו-CT בנפח גדול, שלב דחיסה בהתאמה אישית וכלי עיבוד תמונה מתקדמים.

הדמיה של מנגנון הכשל המיקרו-מבני בירך האדם

פולימרים המיוצרים כתוספים נמצאים בשימוש נרחב לייצור מטא-חומרים אלסטיים. עם זאת, ההתנהגות הוויסקו-אלסטית של פולימרים אלה בתדרים על-קוליים עדיין נחקרה בצורה גרועה. מחקר זה מדווח על פרוטוקול להערכת התכונות הוויסקו-אלסטיות של פולימרים שהודפסו בתלת-ממד ומראה כיצד להשתמש בהם כדי לנתח את הדינמיקה המטא-חומרית.

אפיון מטא-חומרים אלסטיים מפזרים המיוצרים על ידי ייצור תוספים 

ספקטרוסקופיה הקיבול יחידה אלקטרונים סורקות-בדיקה מאפשרת חקר תנועת אלקטרון בודד מתחת לפני הקרקע באזורים מקומיים. מעגל אחראי לזיהוי רגיש הוא שולב מיקרוסקופ סריקת בדיקה קריוגני לחקור מערכות קטנות של אטומים dopant מתחת לפני השטח של דגימות מוליכים למחצה.

ספקטרוסקופיה קיבוליות חד אלקטרונים סורקות-בדיקה

חקור סימולציה וירטואלית תלת-ממדית לניתוח עיוות וכשל של חומרים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. שיטה זו מאפשרת לסטודנטים לתרגל פרוטוקולים ניסיוניים בסביבה בטוחה ולשפר מיומנויות מעבדה.

ניסוי סימולציה וירטואלי של מכניקה: עיוות וכשל של חומרים על בסיס מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

גלה סרטונים נוספים