Name: Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: Poznaj trójwymiarową symulację wirtualną do analizy deformacji i uszkodzeń materiałów. Ta metoda umożliwia bezpieczne przeprowadzanie eksperymentów z wysokotemperaturową maszyną do badań pełzania.

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

Ta praca była częściowo wspierana przez Fundusze na Badania Podstawowe dla Uniwersytetów Centralnych w ramach Grantu 2042022kf1059; Fundacja Nauk o Przyrodzie Prowincji Hubei w ramach Grantu 2022CFB757; Chińska Fundacja Nauki Podoktorskiej w ramach Grantu 2022TQ0244; Finansowanie Projektu Technologii Eksperymentalnej Uniwersytetu Wuhan w ramach Grantu WHU-2021-SYJS-11; Prowincjonalne Projekty Dydaktyczne i Badawcze w Kolegiach i Uniwersytetach Prowincji Hubei w 2021 r. w ramach Grantu 2021038; oraz Prowincjonalny Laboratoryjny Projekt Badawczy w Kolegiach i Uniwersytetach Prowincji Hubei w ramach grantu HBSY2021-01.

W tej pracy procedury eksperymentu z pękaniem belki mikrokantylowej są omówione w następujący sposób, który jest dostępny za darmo za pośrednictwem http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Wszystkie kroki są przeprowadzane w systemie online w oparciu o podejście oparte na symulacji wirtualnej. Do przeprowadzenia tego badania nie była wymagana zgoda Instytucjonalnej Komisji Rewizyjnej. Uzyskano zgodę od studentów-ochotników, którzy wzięli udział w tym badaniu.
1. Dostęp do systemu i wejście do interfejsu
<ol>
	<li>Otwórz przeglądarkę internetową i wprowadź adres URL, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd uzyskać dostęp do systemu. 
	UWAGA: Dostęp do podanego adresu URL można uzyskać za pośrednictwem popularnej przeglądarki internetowej bez nazwy użytkownika i hasła.</li>
	<li>Znajdź interfejs symulacji wirtualnej za pomocą pionowego paska przewijania. 
	UWAGA: Scena wirtualna jest osadzona w sieci.</li>
	<li>Kliknij ikonę FullScreen w prawym dolnym rogu, aby włączyć interfejs pełnoekranowy.</li>
	<li>Kliknij przycisk Rozpocznij eksperyment, aby rozpocząć.</li>
	<li>Kliknij przycisk Enter, aby postępować zgodnie ze wskazówkami dla początkujących, lub kliknij przycisk Pomiń, aby pominąć ten krok. 
	UWAGA: Użytkownik może wybrać, czy chce podążać (przycisk Enter) lub pominąć (przycisk Pomiń). Poradnik dla początkujących zawiera opisy całego systemu. Interfejs zawiera również instrukcje obsługi krok po kroku, aby wykonać zamierzone operacje lub wyposażenie. Rysunek 1 pokazuje sprzęt użyty w eksperymencie, w tym siedem rodzajów sprzętu w dyscyplinach mechanicznych i materiałowych. Początkującym zaleca się przestrzeganie tych wskazówek.</li>
</ol>
2. Przygotowanie materiałów
<ol>
	<li>Rozpocznij eksperyment po ukończeniu szkolenia na poziomie początkującym. Postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi w interfejsie, aby "przejść" blisko stołu laboratoryjnego, który zawiera płytki krzemowe, przejrzyj różnice między płytkami krzemowymi typu normalnego i typu pękniętego i wybierz szablon pękania. 
	UWAGA: Wejdź do interfejsu eksperymentu i przeprowadź eksperymenty zgodnie z podświetlonymi wskazówkami dotyczącymi ścieżki. Wyróżnione wskazówki są udostępniane przez cały proces, aby zapewnić jasne wskazówki dotyczące eksperymentowania.</li>
	<li>Wybierz materiał z podanej listy materiałów. 
	UWAGA: Podana lista materiałów obejmuje złoto, srebro, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polieteroeteroketon (PEEK) i polimetakrylan metylu (PMMA).</li>
	<li>Załaduj wybrany materiał na zacisk noża z kliknięciem na podświetlony materiał. Kliknij podświetlony przycisk ON/OFF (po prawej stronie), aby włączyć zacisk noża, kliknij przycisk Prędkość (po lewej stronie) i ustaw prędkość maszyny do cięcia metalograficznego w wyskakującym interfejsie. 
	UWAGA: Użytkownik może ustawić odpowiednią prędkość według własnego uznania. Po ustawieniu prędkości przez użytkownika zacisk noża zostanie aktywowany, a surowy pręt zostanie pocięty na cienkie plasterki.</li>
	<li>Ułóż kolejno formę, blachę i arkusz okładki razem, klikając i przeciągając podświetlony obiekt zgodnie z instrukcjami w interfejsie użytkownika. 
	UWAGA: Po wycięciu materiału ten etap montażu jest konieczny przed odlewaniem nano-form.</li>
</ol>
3. Formowanie próbki
<ol>
	<li>Przejdź wirtualnie do wysokotemperaturowej uniwersalnej maszyny do testowania pełzania, postępując zgodnie ze wskazówkami pokazanymi na <silna klasa="xfig">Rysunek 2, i wirtualnie umieść ułożone próbki między zaciskami płytowymi uniwersalnej maszyny do badania pełzania. 
	UWAGA: Po tym kroku komputer wirtualny po lewej stronie wysokotemperaturowej uniwersalnej maszyny do pełzania zostanie podświetlony.</li>
	<li>Kliknij Komputer wirtualny i ustaw schemat testu na komputerze sterującym uniwersalnej maszyny do próbowania pełzania. 
	UWAGA: Po tym kroku wyposażenie pomocnicze wysokotemperaturowej uniwersalnej maszyny do próbowania pełzania do ogrzewania i pompowania próżniowego zostanie podświetlone, aby zapewnić użytkownikowi wskazówki.</li>
	<li>Kliknij podświetlone urządzenia grzewcze i pompujące próżniowo i włącz zasilanie. Otwórz wirtualną pompę mechaniczną i zawór zwrotny w interfejsie, klikając podświetlone przyciski. 
	UWAGA: Ten krok kończy ustawienia kontroli podciśnienia w systemie kontroli podciśnienia w uniwersalnym testerze pełzania.</li>
	<li>Kliknij przycisk Wyczyść na panelu sterowania uniwersalnej maszyny do próbowania pełzania, aby wyczyścić dane. Kliknij przycisk Uruchom na panelu sterowania uniwersalnej maszyny do pełzania, aby zakończyć eksperyment, który kopiuje wzór z formy na blachę przy użyciu metody formowania ściskanego z równoległą płytą. 
	UWAGA: Po zakończeniu odlewania formy usuń próbkę i zamknij zawór oporowy oraz pompę mechaniczną itp. urządzeń do ogrzewania i pompowania próżniowego, klikając kolejno przyciski w razie potrzeby (w rzeczywistych urządzeniach do ogrzewania i pompowania próżniowego odwrotna kolejność może spowodować przepalenie pompy molekularnej).</li>
	<li>Kliknij ponownie na Komputer wirtualny i sprawdź dane eksperymentalne na komputerze sterującym uniwersalnej maszyny do badania pełzania.</li>
	<li>Otwórz pokrywę na maszynie do inkrustacji próbek metalograficznych i umieść próbkę.
	<ol>
		<li>Kliknij podświetlony proszek PMMA, aby wsypać przygotowany proszek, a następnie kliknij podświetloną formę, aby umieścić ją na wierzchu proszku PMMA.</li>
		<li>Kliknij podświetlone pokrętło, aby dostosować położenie formy, która automatycznie zakryje pokrywę. Kliknij przycisk ON/OFF, aby włączyć inkrustację. Po schłodzeniu wyjąć próbkę inkrustowaną PMMA. 
		UWAGA: Uformowaną próbkę należy zamontować na maszynie inkrustacyjnej we właściwym kierunku, jak pokazano na <silna klasa="xfig">Rysunek 3, w którym w eksperymencie użyto materiału termoplastycznego PMMA. Upewnij się, że proszek PMMA topi się i przylega do powierzchni próbki. Lewy dolny róg Rysunek 4 ilustruje prawidłowy kierunek po tym, jak użytkownik potwierdzi wybór pokazany w Rysunek 3.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wejdź do pomieszczenia do polerowania i korozji, postępując zgodnie ze wskazówkami dotyczącymi ścieżki, jak pokazano na Rysunek 5. Znajdź podświetloną maszynę do polerowania i kliknij chwytak maszyny do polerowania, aby zamontować inkrustowaną próbkę do chwytaka. Ustaw prędkość, aby zmielić i wypolerować próbkę, aby usunąć podłoże z formowanego materiału. 
	UWAGA: Szlifuj formę po jednej stronie formy, aż wzór na formie zostanie odsłonięty.</li>
</ol>
4. Charakterystyka próbki
<ol>
	<li>Zarejestruj się w e-notebooku przed użyciem substancji chemicznej. Otwórz szafkę do przechowywania chemikaliów i wyjmij stały roztwór KOH i acetonu. Kliknij podświetloną zlewkę, aby użyć roztworu acetonu do oczyszczenia próbki. Kliknij kolejną podświetloną zlewkę i stały KOH do przygotowania cieczy korozyjnej, aby przygotować 10% roztwór KOH. Kliknij podświetlony roztwór KOH i próbkę, aby skorodować próbkę do próbki metalograficznej. 
	UWAGA: W tym doświadczeniu, aby usunąć formę silikonową, zwykle przygotowuje się roztwór KOH o stężeniu 6 mol / l, próbkę umieszcza się w roztworze przygotowawczym, a zlewkę zawierającą roztwór korozji i próbkę umieszcza się na gorącej płycie w celu podgrzania w celu przyspieszenia szybkości korozji.</li>
	<li>Oczyść próbkę po usunięciu podłoża krzemowego i przeprowadź scharakteryzowane testy z przygotowaną próbką pod mikroskopem optycznym. 
	UWAGA: Pamiętaj, aby określić integralność próbki po szlifowaniu i korozji.</li>
</ol>
5. Ładowanie próbek i instalacja nanoindentera
<ol>
	<li>Załaduj próbkę na stolik na próbkę nanoindentera. Wybierz wgłębnik stożkowy, aby zamontować go na sterowniku systemu testowania mikro- i nanomechaniki. Kliknij podświetlony dysk, aby połączyć go z nanoindenter. 
	UWAGA: "Kołek" należy włożyć do wału napędowego podczas montażu wgłębnika, a ponieważ wał napędowy jest smukłą belką, zatrzask zapobiega uszkodzeniu wału napędowego podczas wkręcania wgłębnika z gwintowanym końcem do napędu.</li>
</ol>
6. Eksperyment SEM in situ
<ol>
	<li>Kliknij przycisk Vent w oprogramowaniu sterującym SEM po zainstalowaniu wgłębnika nanoindenter i załadowaniu próbki zgodnie z opisem w 5.1.</li>
	<li>Otwórz komorę SEM po przerwaniu podciśnienia, zainstaluj nanoindenter na stoliku próbki SEM i podłącz przewody (<silna klasa = "xfig">Rysunek 6 przedstawia przykład podłączenia jednego z przewodów).</li>
	<li>Otwórz oprogramowanie sterujące nanoindentera i wybierz Załadowany zakres wgłębnika > Wybierz Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization). 
	UWAGA: Proces inicjalizacji pozycji stolika próbki nanoinddenta musi być przeprowadzony w stanie, w którym wnęka SEM jest otwarta, aby uniknąć procesu inicjalizacji stolika próbki nanoindentera uderzającego w biegun portu wylotu elektronów SEM.</li>
	<li>Zamknij komorę SEM i kliknij przycisk Pompa w oprogramowaniu sterującym SEM.</li>
	<li>Kliknij przycisk W górę lub W dół w oprogramowaniu sterującym SEM, aby dostosować położenie stolika na próbkę tak, aby próbka, która ma być mierzona, znajdowała się w polu SEM view. Kliknij przycisk OK, aby ustalić pozycję. Kliknij podświetlony przycisk EHT, aby włączyć działo elektronowe. Kliknij przycisk Kamera i przełącz się na tryb obserwacji mikroskopii elektronowej. 
	UWAGA: Wgłębnik nanoindentera powinien być kontrolowany w trybie obserwacji, aby stopniowo zbliżać się do mierzonej próbki.</li>
	<li>Kliknij przycisk Uruchom w oprogramowaniu sterującym nanoindenter. 
	UWAGA: Podczas eksperymentu konieczne jest obserwowanie i rejestrowanie charakterystyki odkształceń i procesu uszkodzenia podczas procesu ładowania próbki oraz otwarcie oryginalnych danych eksperymentu w oknie analizy danych po zakończeniu eksperymentu w celu wykreślenia i wyeksportowania danych.</li>
	<li>Kliknij przycisk Stop w oprogramowaniu sterującym nanoindentera, aby zakończyć eksperyment. 
	UWAGA: Eksperyment z wirtualną symulacją kończy się w tym miejscu. Po zakończeniu eksperymentów użytkownik jest proszony o wykonanie ćwiczenia egzaminacyjnego online w wirtualnym interfejsie.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Jedną z zalet wirtualnych eksperymentów symulacyjnych jest to, że pozwalają one użytkownikom na przeprowadzanie eksperymentów bez obaw o uszkodzenie systemu fizycznego lub wyrządzenie sobie szkody11. W ten sposób użytkownicy mogą wykonywać dowolne operacje, w tym poprawne lub błędne operacje. Jednak system przekazuje użytkownikowi komunikat ostrzegawczy, który jest zintegrowany z interaktywnym eksperymentem, aby pomóc mu w prawidłowym przeprowadzeniu eksperymentów w przypadku przeprowadzenia niewł...

Mechanika jest jedną z podstawowych dyscyplin inżynierii, co widać poprzez nacisk położony na podstawy mechaniki matematycznej i wiedzy teoretycznej oraz uwagę poświęconą kultywowaniu praktycznych umiejętności uczniów. Wraz z szybkim postępem nowoczesnej nauki i technologii, nanonauka i technologia wywarły ogromny wpływ na życie ludzkie i gospodarkę. Rita Colwell, była dyrektorka amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF), oświadczyła w 2002 roku, że technologia nanoskalowa będzie miała wpływ równy rewolucji przemysłowej1 i zauważyła, że nanotechnologia jest naprawdę portalem do nowego świata2. Właściwości mechaniczne materiałów w nanoskali są jednym z najbardziej podstawowych i niezbędnych czynników dla rozwoju zaawansowanych technologicznie zastosowań, takich jak nanourządzenia3,4,5. Mechaniczne zachowanie materiałów w nanoskali i ewolucja strukturalna pod wpływem naprężeń stały się ważnymi zagadnieniami w obecnych badaniach nanomechanicznych.
W ostatnich latach, rozwój i udoskonalenie technologii nanoindentacji, technologii mikroskopii elektronowej, mikroskopii skaningowej itp., sprawiło, że eksperymenty z "mechaniką in situ" stały się zaawansowaną techniką testowania ważną w badaniach nanomechaniki6,7. Oczywiście, z punktu widzenia dydaktyki i badań naukowych, konieczne jest wprowadzenie pionierskich technik eksperymentalnych do tradycyjnych treści nauczania dotyczących eksperymentów mechanicznych.
Jednakże, eksperymenty mechaniki mikroskopowej znacznie różnią się od makroskopowych eksperymentów z mechaniki podstawowej. Z jednej strony, chociaż odpowiednie instrumenty i sprzęt zostały spopularyzowane w prawie wszystkich szkołach wyższych i uniwersytetach, ich liczba jest ograniczona ze względu na wysoką cenę i koszty utrzymania. W perspektywie krótkoterminowej niemożliwe jest zakupienie wystarczającej ilości sprzętu do nauczania offline. Nawet jeśli istnieją środki finansowe, koszty zarządzania i utrzymania eksperymentów offline są zbyt wysokie, ponieważ tego typu sprzęt ma wysoką precyzję.
Z drugiej strony, eksperymenty z mechaniką in situ, takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), są bardzo wszechstronne, z wysokimi wymaganiami operacyjnymi i niezwykle długim okresem eksperymentalnym8,9. Eksperymenty offline wymagają od uczniów dużej koncentracji przez długi czas, a niewłaściwa obsługa może spowodować uszkodzenie instrumentu. Nawet w przypadku bardzo wykwalifikowanych osób, udany eksperyment wymaga kilku dni, aby go ukończyć, od przygotowania wykwalifikowanych próbek do załadowania próbek do eksperymentów mechanicznych in situ. W związku z tym efektywność eksperymentalnego nauczania offline jest niezwykle niska.
Aby rozwiązać powyższe problemy, można wykorzystać wirtualną symulację. Rozwój nauczania wirtualnych eksperymentów symulacyjnych może rozwiązać problem wąskiego gardła kosztów i ilości sprzętu eksperymentalnego do mechaniki in situ, a tym samym umożliwić uczniom łatwe korzystanie z różnych zaawansowanych elementów wyposażenia bez uszkadzania zaawansowanych technologicznie instrumentów. Nauczanie eksperymentów symulacyjnych umożliwia również uczniom dostęp do wirtualnej platformy eksperymentów symulacyjnych za pośrednictwem Internetu w dowolnym miejscu i czasie. Nawet w przypadku niektórych tanich instrumentów uczniowie mogą z wyprzedzeniem korzystać z wirtualnych instrumentów do szkolenia i praktyki, co może poprawić efektywność nauczania.
Biorąc pod uwagę dostępność i dostępność systemów internetowych10, w tej pracy prezentujemy internetowy system eksperymentów z wirtualną symulacją, który może dostarczyć zestaw eksperymentów związanych z podstawowymi operacjami w mechanice i materiałach, z naciskiem na eksperyment z mechaniką in situ.

<table><tbody><tr><td>Interfejs wirtualny</td><td>Brak</td><td>Brak</td><td>http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td></tr></tbody></table>

wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

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

Ta praca przedstawia zestaw kompleksowych wirtualnych eksperymentów do wykrywania deformacji i uszkodzeń materiałów. Najczęściej używane urządzenia w mechanice i materiałoznawstwie, takie jak metalograficzna maszyna do cięcia i wysokotemperaturowa uniwersalna maszyna do testowania pełzania, są zintegrowane z systemem internetowym, aby zapewnić użytkownikom różne usługi eksperymentalne w wciągającym i interaktywnym środowisku uczenia się. Protokół w tej pracy jest podzielony na pięć podsekcji, a mianowicie: przygotowanie materiałów, formowanie próbki, charakterystyka próbki, ładowanie próbki, instalacja nanoindentera i eksperymenty SEM in situ, a protokół ten ma na celu zapewnienie użytkownikom możliwości w zakresie rozpoznawania różnych urządzeń i odpowiadających im operacji, a także zwiększania świadomości laboratoryjnej, itp., przy użyciu podejścia opartego na symulacji wirtualnej. Aby zapewnić jasne wskazówki dotyczące eksperymentu, system podświetla sprzęt/próbkę, która ma być użyta w następnym kroku, i zaznacza ścieżkę prowadzącą do sprzętu za pomocą rzucającej się w oczy strzałki. Aby jak najwierniej naśladować eksperyment praktyczny, zaprojektowaliśmy i opracowaliśmy trójwymiarowe pomieszczenie laboratoryjne, sprzęt, operacje i procedury eksperymentalne. Co więcej, wirtualny system uwzględnia również interaktywne ćwiczenia i rejestrację przed użyciem chemikaliów podczas eksperymentu. Dozwolone są również nieprawidłowe operacje, co skutkuje wyświetleniem komunikatu ostrzegawczego informującego użytkownika. System może dostarczać użytkownikom interaktywne i wizualizowane eksperymenty na różnych poziomach.

System zapewnia jasne wytyczne dotyczące działań użytkownika. Po pierwsze, po wejściu użytkownika do systemu zintegrowane jest szkolenie na poziomie podstawowym. Po drugie, podświetlone zostają sprzęt oraz pomieszczenie laboratoryjne, które mają zostać wykorzystane w kolejnym kroku operacji.
System ten może być wykorzystywany w różnych celach edukacyjnych dla studentów na różnych poziomach zaawansowania. Na przykład, Rycina 1 przedstawia siedem n...

Ta praca przedstawia trójwymiarowy wirtualny eksperyment symulacyjny dla deformacji i uszkodzenia materiału, który dostarcza wizualizacji procesów eksperymentalnych. Dzięki zestawowi eksperymentów użytkownicy mogą zapoznać się ze sprzętem i nauczyć się obsługi w wciągającym i interaktywnym środowisku edukacyjnym.

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

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

System może być wykorzystywany do instruowania naszych studentów w zakresie protokołów eksperymentalnych, obsługi sprzętu i weryfikacji teoretycznej, co pozwala im na ciągłe doskonalenie swoich działań i umiejętności laboratoryjnych. Boczne eksperymenty z trójwymiarową wirtualną symulacją mogą być przeprowadzane w celu wykrycia deformacji materiału i awarii bez obawy o uszkodzenie systemu fizycznego lub zranienie się. Po uzyskaniu dostępu i wejściu do interfejsu, postępuj zgodnie ze wskazówkami podanymi na rysunku, aby wirtualnie dotrzeć do uniwersalnej maszyny do testowania pełzania w wysokiej temperaturze i umieścić próbki stosu między płytami clamps maszyny.Po podświetleniu komputera wirtualnego po lewej stronie maszyny testującej kliknij komputer wirtualny i ustaw schemat testu na komputerze sterującym maszyny. Następnie kliknij podświetlone urządzenia grzewcze i pompujące próżniowo i włącz zasilanie. Otwórz wirtualną pompę mechaniczną i zawór zwrotny w interfejsie, klikając odpowiednie podświetlone przyciski, aby zakończyć ustawienia kontroli podciśnienia w systemie.Na panelu sterowania w uniwersalnej maszynie do pełzania kliknij przycisk wyczyść, aby wyczyścić dane, a następnie kliknij przycisk uruchom, aby zakończyć eksperyment kopiowania wzoru na formie do blachy przy użyciu metody formowania ściskanego z równoległą płytą. Po zakończeniu odlewania formy należy ponownie kliknąć na komputer wirtualny i sprawdzić dane eksperymentalne na komputerze sterującym uniwersalnej maszyny do badania pełzania. Otwórz pokrywę na maszynie do inkrustacji próbek metalograficznych i umieść próbkę.Aby wsypać przygotowany proszek, kliknij podświetlony popolimetakrylan metylu lub proszek PMMA. Następnie kliknij podświetloną formę, aby umieścić ją na wierzchu proszku PMMA. Następnie kliknij podświetlone pokrętło ręczne i dostosuj położenie formy, aby automatycznie zakryła pokrywę.Kliknij przycisk włączania, wyłączania, aby włączyć inkrustator. Po schłodzeniu wyjmij inkrustowaną próbkę PMMA. Wejdź do pomieszczenia do polerowania i korozji, postępując zgodnie ze wskazówkami dotyczącymi ścieżki pokazanymi na rysunku.Znajdź podświetloną maszynę do polerowania i kliknij chwytak maszyny, aby zamontować inkrustowaną próbkę do chwytaka. Ustaw prędkość, aby zmielić i wypolerować próbkę, usuwając podłoże z formowanego materiału. Zmiel formę z jednej strony, aż wzór na formie zostanie odsłonięty.Aby wykonać charakterystykę próbki, należy wirtualnie otworzyć szafkę do przechowywania chemikaliów i wyjąć stały wodorotlenek potasu. Kliknij podświetloną zlewkę i stały wodorotlenek potasu, aby przygotować płyn korozyjny, aby uzyskać 10% roztwór wodorotlenku potasu. Wybrać zaznaczony roztwór wodorotlenku potasu i próbkę, aby skorodować drabinę w próbkę metalograficzną.Następnie należy oczyścić próbkę po usunięciu podłoża krzemowego i przeprowadzić scharakteryzowane badanie z przygotowaną próbką pod mikroskopem optycznym. Załaduj próbkę na stolik na próbkę nanoindenter i wybierz stożek i wgłębnik, aby zamontować go na sterowniku systemu testowania mikro i nano mechaniki. Kliknij podświetlony dysk, aby połączyć go z nanoindenterem.Po zainstalowaniu nanoindentera i załadowaniu próbki do oprogramowania sterującego SEM, kliknij przycisk odpowietrzania. Otwórz komorę SEM po przerwaniu podciśnienia, zainstaluj nanoindenter na stoliku próbki SEM i podłącz przewody, jak pokazano na rysunku. Następnie otwórz oprogramowanie sterujące nanoindentera i kolejno wybierz załadowany zakres wgłębnika.Wybierz protokół eksperymentalny. Uruchom kontroler i inicjalizację, aby zainicjować inicjalizację etapu próbki. Po inicjalizacji zamknij komorę SEM i kliknij przycisk pompy w oprogramowaniu sterującym SEM.Następnie kliknij przycisk w górę lub w dół w oprogramowaniu sterującym SEM, aby dostosować położenie stolika próbki wzdłuż pola widzenia SEM. Napraw pozycję, klikając przycisk OK. Włącz działo elektronowe, wybierając podświetlony przycisk EHT.Przełącz się na tryb obserwacji mikroskopii elektronowej, wybierając przycisk aparatu. Na koniec kliknij uruchom w oprogramowaniu sterującym nanoindenterem. Aby zakończyć eksperyment, kliknij przycisk stop w oprogramowaniu sterującym nanoindentera.System udoskonalił projekt schematu eksperymentalnego, łącząc go z operacjami, zapewniając natychmiastową walidację. Na przykład, gdy użytkownik wybrał kierunek umieszczania próbki, interfejs do korzystania z maszyny do inkrustacji próbek metalograficznych pokazywał wyniki. Podobnie, analizując wynikowy czas przemieszczenia i krzywe naprężenia odkształcenia z eksperymentu mechanika wewnętrznego mikrobelki wspornikowej z obecnymi pęknięciami, użytkownik mógł określić, w jaki sposób uzyskano wyniki.W symulowanym scenariuszu studenci musieli ocenić wielkość ładunku i czas ładowania zgodnie ze stosunkiem długości do średnicy próbki, która miała być przygotowana przed przeprowadzeniem eksperymentu reologicznego, zamiast często stosowanego podejścia prób i błędów. Ponadto, dzięki zintegrowanym ćwiczeniom po eksperymentach, użytkownicy mogą systematycznie przeglądać cały proces eksperymentu i łączyć teorię z eksperymentem. Korzystając z wirtualnej symulacji internetowej, studenci ukończyli eksperyment średnio w około 73 minuty, weryfikując skuteczność tego podejścia.Wyniki egzaminów online przeprowadzonych w dwóch grupach studentów inżynierii mechaniki wykazały, że osoby z doświadczeniem w wirtualnym interfejsie radziły sobie lepiej niż te, które go nie miały, co dodatkowo demonstruje skuteczność tego podejścia. To uczy studentów zainteresowania badawczego i poczucia innowacyjności poprzez szkolenie ich w zakresie opanowania technik testowania, metod i zasad zaawansowanych eksperymentów mechanicznych mikro i nano umiejętności.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy...

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

Prezentujemy kompaktowy cyfrowy system holograficzny (CDHM) do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Zademonstrowano konstrukcję bez soczewek wykorzystującą rozbieżną falę wejściową zapewniającą naturalne powiększenie geometryczne. Prezentowane są zarówno badania statyczne, jak i dynamiczne.

Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

Mikrostrukturalnie małe zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest badane przy użyciu nowatorskiego podejścia metodologicznego, łączącego pomiar szybkości wzrostu pęknięć i analizę pola odkształceń, aby ujawnić skumulowane pole deformacji na poziomie podziarna.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Protokół umożliwia pomiar deformacji mikrostruktury kości w całej proksymalnej ludzkiej kości udowej oraz jej wytrzymałości poprzez połączenie dużego skanowania mikro-tomografem komputerowym, specjalnie wykonanego etapu kompresji i zaawansowanych narzędzi do przetwarzania obrazu.

Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Polimery wytwarzane addytywnie były szeroko stosowane do produkcji elastycznych metamateriałów. Lepkosprężyste zachowanie tych polimerów przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozostaje jednak słabo zbadane. Badanie to przedstawia protokół do oszacowania właściwości lepkosprężystych polimerów wydrukowanych w 3D i pokazania, jak je wykorzystać do analizy dynamiki metamateriału.

Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą ułatwia badanie ruchu pojedynczego elektronu w zlokalizowanych obszarach podpowierzchniowych. Czuły obwód wykrywania ładunku jest wbudowany w kriogeniczny mikroskop skanujący w celu zbadania małych układów domieszek atomów pod powierzchnią próbek półprzewodnikowych.

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Poznaj trójwymiarową symulację wirtualną do analizy deformacji i uszkodzeń materiałów. Ta metoda umożliwia bezpieczne przeprowadzanie eksperymentów z wysokotemperaturową maszyną do badań pełzania.

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej (Wideo) | JoVE Journal

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

Przeglądaj więcej filmów