基于3DMAX與EONStudio的力學虛擬實驗室設計

摘 要： 力學虛擬實驗實現了實驗結果的仿真以及實驗儀器三維模型及操控的真實再現，補充了現實的實驗設備與技術，使得實驗力學問題可以進行預實驗和數據處理方法分析，大大提高了力學實驗的高效性。根據仿真實驗的實驗原理，發展相應的實驗模擬算法進行計算，將實驗結果轉化為圖像或曲線顯示出來。虛擬實驗儀器的實現，首先用3DMAX軟件建立實驗儀器的三維仿真模型，然后將結果輸入到EON Studio軟件中進行模型操控的邏輯關系編輯和腳本語言控制。虛擬儀器的操控方式與實驗結果仿真統一設計，這樣參數計算時可以通暢高效的進行。

關鍵詞： 虛擬實驗； 基礎力學虛擬實驗室； Ⅱ?型裂紋擴展； 應變

中圖分類號： TN911?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0153?04

Abstract： The mechanics virtual experiment realized the simulation of experiment results and true representation of experimental instrument′s 3D model and control， supplemented the practical experimental equipment and technology， so the mechanics experiment problem can be analyzed with pre?experiment and data processing method to improve the efficiency of the mechanics experiment greatly. According to the experiment principle of the simulation experiment， the corresponding experimental simulation algorithm was developed for calculation， and the experimental results were converted into image or curve for display. The 3DMAX software is used to establish the 3D simulation model of virtual experiment instrument. And then the results are input into EON Studio software for logical relationship editing and script language control of model control. The control method and experimental results simulation of virtual instrument are designed uniformly to ensure the high?efficient parameters calculation.

Keywords： virtual experiment； virtual laboratory of basic mechanics； Ⅱ?type crack propagation； strain

0 引 言

虛擬實驗系統在實現技術上必將形成多種技術相融合，優勢互補的局面。虛擬實驗系統的構建上應該研究如何使虛擬實驗系統達到與真實實驗相近和等同的效果[1]。在設計與開發方面，體現在對實驗元件、實驗環境和實驗現象進行模擬，處理好虛擬環境與用戶之間的交互，實現多用戶的并發協同操作等方面。使用某個單一技術構建虛擬實驗系統，在某些方面有優勢，在另一方面必然存在不足。優秀的虛擬實驗系統應將多個技術相融合開發，優勢互補[2]。

設計的力學虛擬實驗室系統將具備兩個突出的特點：

（1） 虛擬實驗的真實性，力學虛擬實驗系統中各種實驗方法除實現實驗結果的仿真外，還實現了實驗儀器的真實再現和操控，操作者在此系統上進行實驗，除了用鼠標代替手進行操作外，與真實實驗幾乎沒有區別；

（2） 力學虛擬實驗的系統化，本文中的力學虛擬實驗系統包含了實驗力學中電測、光測的基本方法的研究，操作及界面統一，是一個比較完整且成熟的實驗力學研究及教學的工具[3?4]。

1 虛擬實驗的實現思路

1.1 實驗結果模擬

虛擬實驗的實驗結果模擬是實驗模擬中最為重要的一部分，實際的力學實驗中是通過實驗圖像分析試件的位移場或應力場，但虛擬實驗需要得到和顯示實驗圖像，考慮到實驗結果的真實性，以及實驗場景和參數的復雜隨機性，實驗圖像要計算得到而不能用實際實驗數據代替，那么如果將實際實驗的順序倒過來，由試件的位移場或應力場計算得到實驗圖像，將實驗參數參與計算，考慮不同實驗狀態到算法中，即可得到真實的實驗結果了[5]。

1.2 實驗儀器模型及操控模擬

實驗結果的真實模擬和實時計算是虛擬實驗的良好基礎，緊接著就要實現虛擬實驗場景的真實性與人機交互性。實驗儀器的三維模型制作主要用3D Studio Max軟件實現[6]。

3D Studio Max軟件可以制作復雜形狀物體的三維結構圖，不僅可以完全按照實驗中儀器的三維尺寸來制作，并且可以直接導入模型到EON Studio（制作實驗可操作化的軟件），繼續編輯模型的操作。用VB軟件將實驗的結果計算與實驗的人機交互結合起來，并加入人性化的系統界面，成為一個包含多個實驗的虛擬實驗室系統[7]。將實驗結果計算程序翻譯成C語言，VB將其調用，將EON嵌套在VB里，與程序進行輸入計算與輸出，并且增加相應的操作按鈕如顯示圖像和保存圖像，對實驗圖像進行調用，另外，加入實驗介紹窗口及返回等按鈕以及制作系統主界面，增強虛擬實驗室系統的可讀性和豐富性[8]。

2 虛擬實驗的實現方法

2.1 實驗結果模擬實例

以光彈性實驗為例，首先設計實驗測量的模型類型，光彈性實驗中典型的實驗試件有對徑受壓圓盤，三點彎梁，再加入幾個形狀具有力學特性的試件如帶孔方板，變截面梁，圓環，著重研究邊緣區域的應力分布。

模型的應力場分為兩類：

（1） 存在解析解，直接計算得到應力場；

（2） 無解析解，用數值方法模擬得到應力場。

PDE Toolbox是Matlab中的偏微分方程工具箱，用其進行簡單圖形的有限元分析方法簡潔，得到的力學分布與進一步的模擬算法銜接便捷。

確定試件尺寸及材料參數后，進行建模。設計試件施加載荷為1 N，這樣將試件的實際受力作為參數，可以得到彈性階段任意載荷下的應力場。根據試件的受力狀態，設置邊界條件。

2.2 實驗儀器模型及操控模擬實例

以單擺實驗為例介紹儀器模擬及操控模擬。單擺實驗的儀器三維模型主要用3DMax軟件制作完成。

單擺實驗中首先制作一個簡易的實驗支座，可以簡單的由一個立方體和兩個圓柱體構成。然后可以由一個細圓柱和一個球體組成擺線和單擺小球。圓柱和小球的截面設置可以相應的減小，這樣在之后的操控編輯中可以提高運行的速度。

畫好基本圖形之后，將支座的三個物體合并為一個整體，將擺線和小球合并為一個整體，并且將這部分的中心移至繩的頂端，以便后面的操控編輯。

在3D建模的過程中，最好給各個部分命名有意義的名字，因為在模型輸入到EON中進行編輯時，小構件過多時便于快速準確地找到欲編輯的具體組成部分。建模完成后，給模型附上材質，并進行渲染。

運行程序，單擺實驗實現的效果圖如圖3所示，點擊小球將其拖動到任意角度（擺角小于10°），松開鼠標，小球開始進行單擺運動，點擊實驗臺底座，小球停止單擺運動恢復初始位置。還可以再次開始實驗。

3 虛擬實驗室的應用與仿真

3.1 應變片電測虛擬實驗

應變片電測實驗主要是通過試件上金屬絲被拉伸或壓縮后的阻值改變來求解試件的形變，因此這是一個通過電阻求電壓進而求應變的過程。應變片電測實驗中連接應變儀的方式不同，會得到不同的實驗結果，程序模擬要對每一種接橋方式全面考慮，完整地模擬實驗過程。

（1） 由試件的應變場計算得到電阻的改變量，這里對于不同的電橋接法有不同的考慮和運算；

（2） 由電阻值計算電壓值，將電壓值曲線顯示出來。

應變片電測實驗中應變片的貼片和應變片連接應變儀是比較重要的兩個步驟，在貼片時，貼片的數量和大小不定，貼片的位置和角度需要記錄參與運算，應變片的電阻及改變量需要記錄計算；在連接應變儀時，選擇何種橋路需要分情況計算，是否連接了溫度補償片需要單獨計算，因此，此處需要著重考慮實驗參數的輸入及參與運算方式的設計。

貼片數量是不確定的，但惠更斯電橋具有四個橋路是確定的，那么將四個橋路的連接狀況與所連接的應變片參數作為固定的[4x]矩陣進行參數輸入及運算，程序運行一次只運算一個應變儀通道，即一個電橋四個橋路，所有應變片的信息就可以全部有序的參與運算了。

應變片電測實驗的實驗結果是電壓?載荷曲線圖，用程序模擬出理論值是平滑的直線，如圖4所示，選用低碳鋼材料的拉伸試件（試件的長為50 mm，高為10 mm，厚為5 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3），選用一個大小為10 mm 5 mm的應變片以90°的貼片角度粘貼在試件上，接入應變儀的第一通道的“ab”口，選用一個同種材料的試件貼上一個大小為20 mm 10 mm的應變片作為溫度補償片，接入應變儀的第一通道的“bc”口，加載1～100 N的力，實際的應變片電測實驗中，實驗結果受很多外界因素的影響，不可避免地會有誤差，因此，虛擬實驗的結果模擬為了更加真實地仿真真實的實驗狀況，給實驗結果加入了噪聲，如圖5所示。

3.2 光彈性虛擬實驗

光彈性方法是光測實驗力學中的一種經典測量方法，實驗時通過特殊的光路設計，使偏振光通過由光彈性材料制成的受力模型后發生干涉，產生干涉條紋——等差線和等傾線，可以直觀地顯示模型中的應力場。光彈性方法一直是力學專業或機械類專業實驗力學教學的重要內容。

利用虛擬光彈實驗模塊，操作者可以與在真實儀器上一樣的方式進行實驗，還可以進行實驗原理學習、實驗數據處理等若干特殊的操作。

正式進行虛擬實驗時先安裝試件，在實驗操作臺上用鼠標點擊選擇試件及相應的夾具，通過鼠標拖動試件和夾具將其置于光彈儀的加載裝置中。系統還支持自制試件，操作者可根據自己的意愿設計任意形狀試件及加載方式，并將其導入系統中進行實驗。安裝完試件后進行加載：點擊并旋轉加載手輪對試件進行加載，通過力傳感器可讀取載荷數值，以此控制載荷的大小。在對光彈儀的操作中，系統會實時計算并顯示檢偏鏡后面出現的干涉光場結果。操作者在獲得一個滿意的實驗結果后，還可通過“保存”按鈕保存等傾線和等差線的條紋圖像，然后通過實驗數據處理程序分析試件的應力場。虛擬光彈性實驗的操作如圖7所示。

由虛擬光彈性實驗的例子可以看出，力學虛擬實驗室的設計完全依據于真實實驗，在最大程度上保持了實驗的真實性和完整性，實驗操作者能從中最大程度地體會真實實驗的感覺。虛擬實驗系統的其他模塊與上述光彈性實驗一樣，也完全按同一原則設計，有同樣的效果。

4 結 論

虛擬實驗的實現分為實驗結果模擬和實驗儀器模型及操控模擬兩部分。實驗結果的模擬方法，首先從受力模型中獲取力學量分布，通過解析解或數值解得到其應力或位移解；然后根據不同實驗的實驗原理，將上述力學量分布轉化為條紋圖或曲線圖等結果圖像。實驗儀器模型及操控的模擬，首先用3D Studio Max軟件制作實驗儀器三維模型，然后用EON對實驗儀器模型進行可操作化的邏輯編輯，實現交互的實驗操作，不受操作先后順序的限制，仿真真實的實驗操作方法。根據現實實驗儀器建立基礎力學虛擬實驗室，實現了從實驗結果到實驗操控的仿真模擬，是實驗力學研究分析和實驗力學教學的重要輔助。

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